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1、传感器原理及工程应用第 1 章 传感器检测技术概论JIANG HAN UNI第 1 章 传感器检测技术概论 本章要求：传感器的组成及分类传感器的静态特性：线性度、灵敏度、迟滞、重复性和漂移。传感器的动态特性：时间常数 对一阶传感器动态性能的影响，固有频率n和阻尼比对二阶传感器动态性能的影响；JIANG HAN UNI第 1 章 传感器检测技术概论1.1 传感器的基本概论1.2 传感器的基本特征1.3 传感器的技术性能指标及改善途径JIANG HAN UNI1.1.1 传感器的定义及组成传感器定义：感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器输出信号：通常是电量，它便于传
2、输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。JIANG HAN UNI1.1.1 传感器的定义及组成 传感器组成：敏感元件转换元件敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路JIANG HAN UNI1.1.2（5）传感器的基础效应传感器利用了诸多的效应（物理效应、化学效应和生物效应）将被测量变换成电量。检测检测对象对象类类 型型所利用的效应所利用的效应输出信号输出信号传感器或敏感元件举例传感器或
3、敏感元件举例主要材料主要材料 光光量子型量子型光导效应光导效应 电阻电阻光敏电阻光敏电阻可见光：可见光：CdSCdS，CdSeCdSe，SiSi：H H 红外：红外：PbSPbS，InSbInSb光生伏特效应光生伏特效应 电流、电电流、电压压光敏二极管、光敏二极管、光敏三极管、光电池光敏三极管、光电池 SiSi，GeGe，InSbInSb(红外红外)肖特基光敏二极管肖特基光敏二极管Pt-Pt-SiSi光电子发射效应光电子发射效应电流电流光电管，光电倍增管光电管，光电倍增管AgAgO OCsCs，CsCsSbSb约瑟夫逊效应约瑟夫逊效应电压电压红外传感器红外传感器超导体超导体热型热型热释电效应热
4、释电效应电荷电荷红外传感器，红外摄像红外传感器，红外摄像管管BaTiOBaTiO3 3JIANG HAN UNI1.1.2（5）传感器的基础效应机械量电阻式电阻应变效应电阻金属应变片康铜，卡玛合金压阻效应半导体应变片Si，Ge，GaP，InSb压电式压电效应电压压电元件石英,压电陶瓷,PVDF正、逆压电效应频率声表面波传感器石英，ZnO+Si压磁式磁致伸缩效应，压磁效应感抗，电压压磁元件；力、扭矩、转矩传感器硅钢片，铁氧体，坡莫合金磁电式霍耳效应电压霍耳元件；力、压力、位移传感器Si，Ge，GaAs，InAs 光电式光电效应电流电压各种光电器件；位移、振动、转速传感器Si，CdS等，参见光电式
5、传感器光弹性效应折射率压力、振动传感器温度热电式塞贝克效应电压热电偶Pt-PtRh10，NiCr-NiCu，Fe-NiCu约瑟夫逊效应噪声电压绝对温度计超导体热释电效应电荷驻极体温敏元件PbTiO3,PVF2,TGS,LiTaO3压电式正、逆压电效应电压频率声表面波温度传感器石英热型热磁效应电场Nernst红外探测器热敏铁氧体，磁钢JIANG HAN UNI1.1.2（5）传感器的基础效应磁磁电式霍耳效应电压霍耳元件Si，GeGaAs，InAs霍耳IC，MOS霍耳ICSi磁阻效应电阻磁阻元件Ni-Co合金，InSb，lnAs；电流PIN二极管，磁敏晶体管Ge约瑟夫逊效应噪声电压超导量子干涉器件
6、(SQUID)Pb,Sn,Nb-Ti光电式磁光法拉第效应偏振光面偏转光纤传感器YAG，EuO,MnBi磁光克尔效应MnBi放射线光电式放射性效应光强电流光纤射线传感器加钛石英量子型PN结光生伏特效应电脉冲射线敏二极管，PIN二极管Si，Ge，渗Li的Ge，Si肖特基效应电流肖特基二极管Au-Si湿度电阻型吸附效应电阻，电导率金属氧化物湿敏传感器LiCl，MgCr2O4-TiO2，电容型吸附效应电容,电压有机，高分子湿敏传感器醋酸丁酸，聚苯乙烯、聚酰亚胺JIANG HAN UNI1.1.3 传感器的分类 传感器的分类方法：按照工作机理：物理效应、化学效应、生物效应按照构成原理：结构型、物性型按照
7、能量转换：能量转换型、能量控制型按照工作原理：应变式、电容式、压电式、磁电式、热电式按照被测参数：温度、压力、位移、速度按照使用材料：金属、半导体、光纤、陶瓷、高分子材料按照输出信号：模拟式、数字式按照空间关系：接触式、非接触式 结论：先从工作原理出发，了解各种各样传感器，应着重于如何合理选择和使用传感器。JIANG HAN UNI1.1.4 传感器的命名方法及代号 1.传感器的命名方法 1）命名法的构成：主题词+四级修饰语（1）主题词-传感器（2）第一级修饰语-被测量：压力，温度，频率，（3）第二级修饰语-转换原理：电容式、电感式、压电式（4）第三级修饰语-特征描述：K型热电偶、J型热电偶（
8、5）第四级修饰语-主要技术指标：量程、精度、灵敏度 2）命名法规范：（1）题目中的用法-索引检索：传感器，位移，应变式，100mm（2）正文中的用法-技术文件：100mm应变式位移传感器（3）修饰语的省略-可视情况省略：位移传感器JIANG HAN UNI1.1.4 传感器的命名方法及代号 2.传感器代号标记 1）传感器代号的构成：主称+被测量+转换原理+序号（1）主称：C（传感器）（2）被测量：Y（压力）（3）转换原理：CY(差压式)、DR（电容）（4）序号：设计特征、性能参数 2）传感器代码标记示例：（1）压阻式压力传感器：C-Y-YZ-2.5（2）霍尔式电流传感器：C-DL-HE-120
9、0（3）氢离子活度传感器：C-（H+）-12JIANG HAN UNI1.2 传感器的基本特性 1.2.1 传感器的静态特性 1.2.2 传感器的动态特性JIANG HAN UNI1.2.1 传感器的静态特性 传感器的静态特性:指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性，如空气温度、空气压力对静态特性而言，传感器的输入量 x 与输出量 y 之间的关系与时间量无关，通常可用一个多项式表示：传感器的静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨力、漂移、静态误差y=a0+a1x+a2x2+anxn JIANG HAN UNI1
10、.2.1 传感器的静态特性 1.量程与测量范围：传感器所能测量的最大被测量（即输入量）的数值称为测量上限（xmax），最小被测量称为测量下限（xmin）。测量上限和测量下限之间所表示的区间，称为测量范围。测量范围为010N，是单向测量范围，则量程为10N；测量范围为4040，是双向对称测量范围，则量程为80；测量范围为310g，是双向不对称测量范围，则量程为13g；测量范围为540kPa，是单向测量范围，则量程为35 kPa。JIANG HAN UNI1.2.1 传感器的静态特性 2.线性度：输出与输入之间数量关系的线性程度 式中：Lmax最大非线性绝对误差；YFS满量程输出值。JIANG H
11、AN UNI1.2.1 传感器的静态特性线性传感器优点：a、简化理论分析和设计计算 b、为标定和处理数据带来方便 c、可使仪表可读盘刻度均匀，因而制作、安装、调试容 d、避免了非线性补偿环节非线性可用下式表示输入输出特性：式中：y输出量；x-输入量；a0-零位输出；a1-传感器线性灵敏度；a2,a2,an-待定常数JIANG HAN UNI1.2.1 传感器的静态特性 3.迟滞：输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程），输入输出特性曲线不重合的现象 主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的间隙JIANG HAN UNI1.2.1 传感器的静态特性 4.重复性：输入量按
12、同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算可用正反行程中最大重复差值Rmax计算JIANG HAN UNI1.2.1 传感器的静态特性 5.灵敏度：输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏线性传感器灵敏度是它的静态特性的斜率，测量范围内为常量。非线性传感器灵敏度是输入输出特性曲线上某点斜率，为变量。JIANG HAN UNI1.2.1 传感器的静态特性 6.漂移：在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间的变化产生漂移的原因：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）温度漂移主要表现
13、为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20）时的输出值的变化量与温度变化量之比()来表示，即JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 传感器的动态特性:输入量随时间变化时传感器的响应特性一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数,实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 1.传感器的基本动态特性方程 传感器的输出处于动态过渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特
14、性来表示 根据 方程系数 a,b取值不同，可分为一下三种系统：1)零阶系统 2)一阶系统 3)二阶系统JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 1）零阶系统：除a0、b0外，其余全为零零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其输出在时间上也无任何滞后，所以零阶系统又称为比例系统。电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器及利用静态式压力传感器测量液位。JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 2）一阶系统：除a0、a1、和b0外，其余全为零时间常数具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小。不带套管热电偶测温系统、电路中
15、常用的阻容滤波器等。JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 一阶传感器时域动态性能指标：一阶传感器动态性能指标 时间常数：输出上升到稳态值的63.2%所需的时间 延迟时间Td：输出达到稳态值的50%所需的时间。上升时间Tr：输出达到稳态值的90%所需的时间。JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 3）二阶系统：特征方程：特征方程根：二阶惯性系统：二阶振荡系统：带有套管的热电偶、电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路等。JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性二阶传感器的时域动态性能指标：二阶传感器动态性能指标 延迟时间td：输出达到稳态值的50%所需的时
16、间。上升时间Tr：输出达到稳态值的90%所需的时间。峰值时间Tp：输出达到第一个峰值所需的时间。超调量：输出超过稳态值的最大值。JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 2.传感器的阶跃响应及性能指标传感器的动态特性不仅与传感器的“固有因素”有关，还与传感器输入量的变化形式有关。1)一阶传感器阶跃响应 2)二阶传感器阶跃响应JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 1)一阶传感器的阶跃响应 一阶传感器的微分方程及传递函数：对初始状态为零的传感器，输入单位阶跃信号：一阶传感器的单位阶跃响应:JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性传感器存在惯性，输出不能
17、立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但通常认为t=（34）时，可以认为已达到稳态。一阶传感器的时间常数越小，响应越快，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，即动态误差小。JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 2)二阶传感器的阶跃响应 二阶传感器的微分方程及传递函数：对初始状态为零的传感器，输入单位阶跃信号：二阶传感器的单位阶跃响应:JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 二阶传感器根据阻尼比不同的单位阶跃响应信号：a、欠阻尼（）：b、临界阻尼（）：c、过阻尼（）：JIANG HAN UNI1.2.2 传
18、感器的动态特性 =0，无阻尼状态，阶跃响应是等幅振荡过程；1，过阻尼状态，阶跃响应是不振荡的衰减过程；JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 阻尼比直接影响超调量和振荡次数，对于二阶传感器取=0.60.7之间，则最大超调量不超过10%，趋于稳态的调整时间也最短，约为（34）/()。固有频率n由传感器的结构参数决定，固有频率n也即等幅振荡的频率，n越高，传感器的响应也越快。JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 3.传感器典型环节的动态响应传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值
19、比和两者相位差的变化 (1)一阶传感器的频率响应 （2）二阶传感器的频率响应JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 (1)一阶传感器的频率响应一阶传感器的频率特性表达式：幅频特性：相频特性：阶跃响应动态误差：JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性当Ts=时，ed=0.368；Ts=3时，ed=0.05；Ts=5时，ed=0.007，动态误差可以忽略；反之，根据所允许的动态误差可计算出所需响应时间。当1时，A（）1，（）0，表明传感器输出与输入成线性关系，且相位差也很小，输出y(t)比较真实地反映了输入x(t)的变化规律。时间常数越小，频率响应特性越好。JIANG
20、 HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性 (2)二阶传感器的频率响应二阶传感器的频率特性表达式：幅频特性：相频特性：JIANG HAN UNI1.2.2 传感器的动态特性当/n1时，A（）1，（）很小，输出y(t)再现输入x(t),近似于零阶系统。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般可提高传感器固有频率n=（k/m）1/2。通常固有频率n至少应为被测信号频率的（35）倍，即n（35）。频率响应特性好坏主要取决于传感器的固有频率n和阻尼比，0.7称为最佳阻尼。JIANG HAN UNI1.3 传感器的技术性能指标及改善 1.3.1 传感器的技术性能指标 1.3.2 改善传感器性能的技术途
21、径JIANG HAN UNI1.3.1 传感器的技术性能指标1基本参数指标量程指标：测量范围，过载能力等；灵敏度指标：灵敏度，分辨力，满量程输出，输入输出阻抗等；精度有关指标：精度（误差），重复性，线性，滞后，灵敏度误差，阈值，稳定性，漂移等；动态性能指标：固有频率，阻尼系数，时间常数，频响范围，频率特性，临界频率，临界速度，稳定时间等；2环境参数指标温度指标：工作温度范围，温度误差，温度漂移，温度系数，热滞后等；抗冲击振动指标：容许抗各向冲击振动的频率、振幅、加速度，冲击振动引入的误差等；其他环境参数：抗潮湿，抗介质腐蚀能力，抗电磁干扰能力（电磁兼容性EMC）等；3.可靠性指标工作寿命，平均
22、无故障时间，保险期，疲劳性能，绝缘电阻，耐压，抗飞弧性能等；4.其他指标使用方面：供电方式（直流，交流，频率及波形等），电压幅度与稳定性，功耗，各项分布参数等；结构方面：外形尺寸，重量，壳体材质，结构特点等；安装连接方面：安装方式，馈线，电缆等。JIANG HAN UNI1.3.2 改善传感器性能的技术途径1.差动技术一传感器，其输出为另一传感器，其输出为使二者输出相减，即 抵消共模误差，减小非线性误差，增大灵敏度。JIANG HAN UNI1.3.2 改善传感器性能的技术途径2.平均技术（1）误差平均效应利用n个传感器单元同时感受被测量，每一个单元可能带来的误差0，总的误差将减小为（2）误差平均处理将相同条件下的测量重复次或进行次采样，然后进行数据平均处理，随机误差也将减小 倍。JIANG HAN UNI1.3.2 改善传感器性能的技术途径3.零示法和微差法（1）零示法被测量对指示仪表的作用与已知的标准量对它的作用相互平衡，使指示仪表示零，这时被测量就等于已知的标准量。平衡电桥就是零示法在传感器技术中应用的实例。（2）微差法标准量B与被测量x的差值A减小到一定程度，那么由于它们的相互抵消的作用，就能使指示仪表的误差影响大大削弱