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1、传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用教材：教材：王化祥，张淑英编著同名书（少学时）王化祥，张淑英编著同名书（少学时）授课人：授课人：张云龙时间：时间：2009.09-2010.01传传 感感 器器 概概 论论 教学内容：教学内容：传感器基础知识 检测技术基础 测量误差的概念及其处理方法 电桥电路在测量中的应用教学要求：教学要求：掌握传感器的基础知识、相关检测技术及实际应用中的分析应用技术;掌握测量误差分析及处理;了解本课程的性质和任务。教学重点：教学重点：静态特性指标，测量误差分析及处理。教学难点：教学难点：电桥电路。1 引言 1.1 传感器的作用 传感器是获取自然
2、和生产领域中信息的主要途径与手段。1.2 传感器的应用范围 航天、航空、兵器、舟船、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、能源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇宙开发、农林牧副渔、日常生活。参见唐贤远编传感器原理及应用图1.2 1.3 地位 信息产业的三大支柱之一；没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。1.4 课程特点 知识面广，是过去所学物理、化学与数学等知识的一个大汇总及升华。本门课主要讲解常用传感器的基本工作原理及部分应用实例。1.5 学习本课程的目的与要求 1)了解不同传感器的主要特性，能根据使用要求选用合适的传感器。2)熟悉常用传感器的工作原理，掌握其应用方法与注意事
3、项。3)熟悉传感器的常用信号处理电路。1.6 关于大纲与教材1.7 关于讲授1.8 关于实验1.9 关于习题1.10 关于考试国国家家标标准准（GB7665-87GB7665-87）定定义义：能能够够感感受受规规定定的的被被测测量量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。本书：传感器（本书：传感器（transducer或或sensor）是将各种非电）是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一物理量（一般为电量）的装置。成便于处理和传输的另一物理量（一般为电
4、量）的装置。很多书：传感器就是将被测量按一定规律转换成与之有很多书：传感器就是将被测量按一定规律转换成与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。（不确切，输确定对应关系的电量输出的器件或装置。（不确切，输出量也可能不是电信号，如光信号，位移信号等）出量也可能不是电信号，如光信号，位移信号等）2 2 传感器定义传感器定义3 3 传感器组成传感器组成 敏感元件、转换元件和其他辅助部件。敏感元件、转换元件和其他辅助部件。4 4 传感器分类传感器分类4.1 4.1 按输入量分类按输入量分类 温度、湿度、重量、压力、位移、速度、加速度等温度、湿度、重量、压力、位移、速度、加速度等4.2 4.2 按测量原
5、理分类按测量原理分类 电磁原理、固体物理学理论等电磁原理、固体物理学理论等4.3 4.3 按结构或物性分类按结构或物性分类 结构型：结构型：利用元件结构的几何尺寸（厚度、角度、位移）变利用元件结构的几何尺寸（厚度、角度、位移）变化输出相的电信号。化输出相的电信号。物性型：物性型：利用材料本身的特性（物理、化学、生物）将被测利用材料本身的特性（物理、化学、生物）将被测量转换成电信号。量转换成电信号。复合型：复合型：中间转换环节物性型。中间转换环节物性型。4.4 4.4 按能量关系分按能量关系分 有源传感器（能量转换型）：不需要外电源供电。自带测有源传感器（能量转换型）：不需要外电源供电。自带测量
6、和放大电路，或本身能产生电能。量和放大电路，或本身能产生电能。无源传感器（能量控制型）：需要外电源供电。无源传感器（能量控制型）：需要外电源供电。4.5 4.5 其他分类其他分类 按用途，按材料。按用途，按材料。5 5 传感器的一般特性传感器的一般特性x-输入量 y-输出量 a0-零位输出a1-线性灵敏度，一般用K表示 a2an-非线性项待定系数5.1 静态特性5.1.1 静态模型几种典型的数学模型：说明：实际中，直接使用静态模型较少，更多数情况下关心的是相对应化量Y/Y与X的关系，这个关系式是静压模型还是静态特性几个书上都没有明确定义，在后面的讲课中，暂称之为相对量输出关系。5.1.2 静态
7、特性指标 (1)线性度 1)1)线线性性度度定定义义：输输出出量量与与输输入入量量之之间间的的实实际际关关系系曲曲线线偏偏离离直直线线的的程度。程度。也叫做非线性误差。也叫做非线性误差。2)2)线性化意义线性化意义 简化了理论分析与设计计算。简化了理论分析与设计计算。标标定定与与数数据据处处理理方方便便，如如已已知知零零点点和和满满刻刻度度点点，则则可可确确定定直线上其余各点。直线上其余各点。使使仪仪表表均均匀匀刻刻度度，制制作作、安安装装、调调试试方方便便，提提高高了了测测量量精精度度。非非线线性性关关系系典典型型的的表表现现为为刻刻度度盘盘不不均均匀匀，如如指指针针式式欧欧姆姆表。如需要均
8、匀，则必须进行非线性补偿。表。如需要均匀，则必须进行非线性补偿。3)3)线性化方法线性化方法A.A.端点连线直线端点连线直线B.B.端点连线平行线端点连线平行线 C.C.最小二乘法（自习）最小二乘法（自习）(2)(2)灵敏度灵敏度 定定义义：灵灵敏敏度度K K是是稳稳态态输输出出下下输输出出增增量量y y与与输输入入增增量量x x的比值，的比值，K=K=y/xy/x。(3)(3)精确度（精度）精确度（精度）定义：系统误差与随机误差的综合反映。定义：系统误差与随机误差的综合反映。1）精密度）精密度（同条件重复多次测量）（同条件重复多次测量）对应随机误差，说明测量结果的分散性。对应随机误差，说明测
9、量结果的分散性。2）正确度）正确度 对应系统误差，说明测量结果偏离真值的程度。对应系统误差，说明测量结果偏离真值的程度。3）精确度）精确度 与与的综合，往往引入置信概率的概念。的综合，往往引入置信概率的概念。工程上常引入传感器精度等级的概念：工程上常引入传感器精度等级的概念：(4)(4)迟滞现象迟滞现象 迟迟滞滞特特性性表表明明传传感感器器在在正正向向行行程程和和反反向向行行程程期期间间，输输出出输输入入特特性性曲曲线线不重合的程度。不重合的程度。表示：或(5)(5)重复性重复性 重重复复性性表表示示传传感感器器在在输输入入量量按按同同一一方方向向作作全全量量程程多多次次测测试试时时，所所得得
10、特特性性曲曲线线不不一一致致的的程程度。度。重重复复性性反反映映的的时时间间测测量量结结果果偶偶然然误误差差的的大大小小，不不表表示示测测量量结结果果与与真值之间的差别。真值之间的差别。标准重复性误差：标准重复性误差：为为标准偏差标准偏差：置信系数，通常取置信系数，通常取2 23 3。当当1时，时，Yi在在内的概率为内的概率为68.37。当当2时，时，Yi在在2内的概率为内的概率为95.40。当当3时，时，Yi在在3内的概率为内的概率为99.73。5.2 5.2 动态特性动态特性 定义：指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。定义：指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。分析方法：瞬态响应法和
11、频率响应法。分析方法：瞬态响应法和频率响应法。5.2.1 5.2.1 动态模型动态模型 1)1)微分方程微分方程2)2)传递函数传递函数5.2.2 5.2.2 动态特性指标动态特性指标 上升时间上升时间t tr r稳定稳定（响应）（响应）时间时间t ts s峰值时间峰值时间t tp p超调量超调量%(1)(1)阶跃响应特性阶跃响应特性(2)(2)频率响应特性频率响应特性 包括幅频特性和相频特性两种。包括幅频特性和相频特性两种。常见指标：常见指标：通频带通频带 工作频带工作频带 时间常数时间常数 固有频率固有频率 相位误差相位误差 跟随角跟随角 测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但由于
12、种种原因,例如,传感器本身性能不十分优良,测量方法不十分完善,外界干扰的影响等,都会造成被测参数的测量值与真实值不一致,两者不一致程度用测量误差表示。测量误差就是测量值与真实值之间的差值。它反映了测量质量的好坏。6 测量误差测量误差 测量的可靠性至关重要,不同场合对测量结果可靠性的要求也不同。例如,在量值传递、经济核算、产品检验等场合应保证测量结果有足够的准确度。当测量值用作控制信号时,则要注意测量的稳定性和可靠性。因此,测量结果的准确程度应与测量的目的与要求相联系、相适应,那种不惜工本、不顾场合,一味追求越准越好的作法是不可取的,要有技术与经济兼顾的意识。测量误差的表示方法有多种,含义各异。
13、（1）绝对误差 绝对误差可用下式定义:=x-L式中:绝对误差;x测量值;L真实值。对测量值进行修正时,要用到绝对误差。修正值是与绝对误差大小相等、符号相反的值,实际值等于测量值加上修正值。6.1 测量误差的表示方法测量误差的表示方法 采用绝对误差表示测量误差,不能很好说明测量质量的好坏。例如,在温度测量时,绝对误差=1,对体温测量来说是不允许的,而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。（2）相对误差 相对误差的定义由下式给出:=100%式中:相对误差,一般用百分数给出;绝对误差;L真实值。由于被测量的真实值L无法知道,实际测量时用测量值x代替真实值L进行计算,这个相对误差称为标称相对误差,
14、即 （3）引用误差 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对仪表满量程的一种误差,一般也用百分数表示，即 =式中:引用误差;绝对误差。仪表精度等级是根据引用误差来确定的。例如,0.5级表的引用误差的最大值不超过0.5%，1.0级表的引用误差的最大值不超过1%。在使用仪表和传感器时,经常也会遇到基本误差和附加误差两个概念。基本误差：是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。例如,仪表是在电源电压(2205)V、电网频率(502)Hz、环境温度(205)、湿度65%5%的条件下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作,则仪表所具有的误差为基本误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的。附加误差
15、：是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。例如,温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差等。根据测量数据中的误差所呈现的规律,将误差分为三种,即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。（1）系统误差对同一被测量进行多次重复测量时,如果误差按照一定的规律出现,则把这种误差称为系统误差。例如,标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。（2）随机误差对同一被测量进行多次重复测量时,绝对值和符号不可预知地随机变化,但就误差的总体而言,具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。6.2 误差的性质误差的性质 引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的微小因素,一
16、般无法控制。对于随机误差不能用简单的修正值来修正,只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能性的大小。（3）粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差,又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差,首先应设法判断是否存在,然后将其剔除。6.3 误差处理误差处理 从工程测量实践可知,测量数据中含有系统误差和随机误差,有时还会含有粗大误差。它们的性质不同,对测量结果的影响及处理方法也不同。在测量中,对测量数据进行处理时,首先判断测量数据中是否含有粗大误差,如有,则必须加以剔除。再看数据中是否存在系统误差,对系统误差可设法消除或加以修正。对排除了系统误差和粗
17、大误差的测量数据,则利用随机误差性质进行处理。总之,对于不同情况的测量数据,首先要加以分析研究,判断情况,分别处理,再经综合整理以得出合乎科学性的结果。7.电桥电路在测量中的应用电桥电路在测量中的应用（1）直直流流电电桥桥平平衡衡条条件件 电桥如下图所示,E为电源,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来,同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。因此,需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路,通常采用直流电桥和交流电桥。7.1 直流电桥直流电桥当电桥平衡时,Uo=0,则有 R1R4=R2R3 或
18、称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。（2）电压灵敏度）电压灵敏度 R1为传感电阻，R2,R3,R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时,其电阻值变化很小,电桥相应输出电压也很小,一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,所以此时仍视电桥为开路情况。当产生应变时,若应变片电阻变化为R,其它桥臂固定不变,电桥输出电压Uo0,则电桥不平衡输出电压为：设桥臂比n=R2/R1,由于R1 R1,分母中R1/R1可忽略,并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3,则：为电桥电压灵敏度。可见：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电
19、压,供电电压越高,电桥电压灵敏度越高,但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制,所以要作适当选择;电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,恰当地选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。当E值确定后,n值取何值时使K最高？其中：求得n=1时,K为最大值。这就是说,在电桥电压确定后,当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有：由dK/dn=0求K的最大值,得：即：K=从上述可知,当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时,电桥的输出电压及其灵敏度也是定值,且与各桥臂电阻阻值大小无关。（3）非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法求出的输出电压因略去分母中的R1/R1项而得出
20、的是理想值,实际值计算为：由式 非线性误差为：如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,则 当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。此种差动电桥无非线性误差,电桥电压灵敏度比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。若将电桥四臂接入四片应变片,如图（b）所示,即两个受拉应变,两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成全桥差动电路。此时全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度是单片的 4 倍,同时仍具有温度补偿作用。为了减小和克服非线性误差,常采用差动电桥如图所示,图（a）中，在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,称为半桥差动电路。根
21、据直流电桥分析可知,由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。7.2 交流电桥交流电桥 由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性,即相当于二只应变片各并联了一个电容,则每一桥臂上复阻抗分别为：为交流电压源为开路输出电压式中C1、C2表示应变片引线分布电容,由交流电路分析可得：=0,则有Z1 Z4=Z2 Z3要满足电桥平衡条件,即经推导可得，交流电桥的平衡条件为:及 对这种交流电容电桥,除要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。电桥平衡调节电路如图 所示。小
22、结小结传感器定义、按工作原理的分类：理解传感器定义、按工作原理的分类：理解静静态态特特性性：重重点点掌掌握握非非线线性性误误差差、灵灵敏敏度度，要求会用公式计算；要求会用公式计算；动态阶跃响应特性的概念：了解动态阶跃响应特性的概念：了解;电桥电路的工作原理：理解。电桥电路的工作原理：理解。要求：利用时间预习后面的课程。要求：利用时间预习后面的课程。思考题思考题1.1.学学习习传传感感器器原原理理与与应应用用课课程程的的目目的的与与要求是什么？要求是什么？2.2.传传感感器器的的误误差差由由哪哪些些误误差差构构成成？有有哪哪几几种种表示方法？表示方法？作业：作业：p181p181：4 4，6 6，7 7