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1、第二章传感器技术基础第二章传感器技术基础第1页，共28页，编辑于2022年，星期二 传感器是指能感受规定的物理量，并按一传感器是指能感受规定的物理量，并按一定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。第一节第一节 传感器概论传感器概论 第2页，共28页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 传感器概论传感器概论 一、传感器的组成一、传感器的组成 图图1-4 1-4 传感器组成框图传感器组成框图敏感元件敏感元件转换元件转换元件变换元件变换元件非电量非电量电量电量电源电源传感器通
2、常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。1)1)、敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被、敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。它量。2 2）、转换元件则将上述非电量转换成电参量。）、转换元件则将上述非电量转换成电参量。3 3）、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电）、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控
3、制和处理的部分。压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。第3页，共28页，编辑于2022年，星期二1-弹簧管弹簧管 2-电位器电位器举例举例：测量压力的电位器式压力传感器：测量压力的电位器式压力传感器 被测量通过敏感元件转换后，再经转换被测量通过敏感元件转换后，再经转换元件转换成电参量元件转换成电参量 电位器为转换元件，它将角位移转换为电位器为转换元件，它将角位移转换为电参量电参量-电阻的变化（电阻的变化（R）第4页，共28页，编辑于2022年，星期二二、传感器分类二、传感器分类 传传感感器器的的种种类类名名目目繁繁多多，分分类类不不尽尽相相同。常用的分同。常用的分类类
4、方法有：方法有：）按被）按被测测量（量（输输入量）分入量）分类类：位位移移、力力、力力矩矩、转转速速、振振动动、加加速速度、温度、度、温度、压压力、流量、流速等力、流量、流速等传传感器。感器。2）按）按测测量原理分量原理分类类：电电阻阻、电电容容、电电感感、光光栅栅、热热电电耦耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。第5页，共28页，编辑于2022年，星期二3）按构成原理分）按构成原理分4）按输出量分：模拟式、数字式）按输出量分：模拟式、数字式5）按基本效应分）按基本效应分6）按构成原理分）按构成原理分二、传感器分类二、传感器分类第6页，共28页，编辑于
5、2022年，星期二三、传感器的发展趋势三、传感器的发展趋势微型化微型化智能化智能化多功能化多功能化第7页，共28页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 传感器的特性传感器的特性 静态特性静态特性动态特性动态特性1 1测量范围和量程测量范围和量程2 2线线性度（非性度（非线线性性误误差）差）3 3迟滞迟滞4 4重复性重复性5 5灵敏度灵敏度6 6分辨力分辨力7 7零漂和温漂零漂和温漂第8页，共28页，编辑于2022年，星期二传感器的静态特性传感器的静态特性 1 1测测量范量范围围和量程和量程在允许误差限内，被测量值的下限到上限之在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围。间的范
6、围称为测量范围。2 2线性度（非线性误差）线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。度或非线性误差。第9页，共28页，编辑于2022年，星期二传感器的理想输入输出特性是传感器的理想输入输出特性是线性线性的，优点：的，优点：（1 1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；（2 2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出输输入特性上的两点（一般为零点和
7、满度值）就可以确定其余各点；入特性上的两点（一般为零点和满度值）就可以确定其余各点；（3 3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度；高测量精度；（4 4）避免了非线性补偿环节。）避免了非线性补偿环节。第10页，共28页，编辑于2022年，星期二 实际上许多传感器的输出实际上许多传感器的输出输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下列多项式表示输入输出特性。和蠕变效应，一般可用下列多项式表示输入输出特性。式中式中:y y输出量输出量x x输入物理量输入物理量a0a0零位
8、输出零位输出a1a1传感器线性灵敏度传感器线性灵敏度a2a2、a3 a3、anan待定系数待定系数 在研究线性特性时，可不考虑零位输出。可能有三种特殊情在研究线性特性时，可不考虑零位输出。可能有三种特殊情况。况。传感器的灵敏度为传感器的灵敏度为（）理想的线性特性。（）理想的线性特性。直线。在这种情况下，直线。在这种情况下，第11页，共28页，编辑于2022年，星期二（2 2）仅有偶次非线性项、如图（）仅有偶次非线性项、如图（b b）所示，其输出）所示，其输出输入特性方程输入特性方程为：为：因为它没有对称性，所以其线性范围较窄。一般传感器设计很因为它没有对称性，所以其线性范围较窄。一般传感器设计
9、很少采用这种特性。少采用这种特性。（）仅有奇次非线性项，如图（）仅有奇次非线性项，如图（c c）所示，其输出）所示，其输出输入方程式为：输入方程式为：第12页，共28页，编辑于2022年，星期二具有这种特性的传感器，一般在输入量具有这种特性的传感器，一般在输入量x x相当大的范围内具有较宽的准线性。相当大的范围内具有较宽的准线性。这是比较接近理想直线的非线性特性，它相对坐标原点是对称的，所以它具这是比较接近理想直线的非线性特性，它相对坐标原点是对称的，所以它具有相当宽的近似线性范围。有相当宽的近似线性范围。传感器的输出传感器的输出输入特性的线性度除受机械输入（弹性元件）特性影响外，输入特性的线
10、性度除受机械输入（弹性元件）特性影响外，也受电气元件的输出特性的影响。使电气元件对称排列，差动方式可以消除电也受电气元件的输出特性的影响。使电气元件对称排列，差动方式可以消除电气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围。例如差动传感器的一边输出为：气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围。例如差动传感器的一边输出为：另一边反向输出为：另一边反向输出为：总输出为二者之差：总输出为二者之差：由上式可见，差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，同时使灵敏度提由上式可见，差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，同时使灵敏度提高一倍。高一倍。在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在使用非线性
11、特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，第13页，共28页，编辑于2022年，星期二 在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器非线性特性的代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器非线性特性的“线性化线性化”。所。所采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差，如下图所示，取其中最大值与输出满度值之比作为评价器的非线性误差，如下图所示，取其中最大值与输出满度值之比作为评价非线性误差（或
12、线性度）的指标。非线性误差（或线性度）的指标。传感器的输出传感器的输出输入特性曲线（静态特输入特性曲线（静态特性）是在静态标准条件性）是在静态标准条件下进行校准的。下进行校准的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量），环境温度为物理量），环境温度为20205C,5C,相对湿度相对湿度85%,85%,气压为气压为7607606060毫米汞柱的情毫米汞柱的情况况.在这种标准工作状态下在这种标准工作状态下,利用一定等级的校准设备利用一定等级的校准设备,对传感器进行往对传感器进行往复循环测试复循环测试,得
13、到的输出输入数据一般用表列出或画成曲线得到的输出输入数据一般用表列出或画成曲线.第14页，共28页，编辑于2022年，星期二3 3迟迟滞滞迟滞是指在相同的工作条件下，传感器的正行迟滞是指在相同的工作条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。程特性与反行程特性的不一致程度。传感器的静态特性传感器的静态特性 产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。迟滞大小一般要由实验方迟滞大小一般要由实验方法确定。用最大输出差
14、值法确定。用最大输出差值 对满量程输出对满量程输出 的百分比的百分比表示表示第15页，共28页，编辑于2022年，星期二4 4重复性重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。不一致性。传感器的静态特性传感器的静态特性 第16页，共28页，编辑于2022年，星期二5.5.灵敏度灵敏度 ：灵敏度是指传感器在稳态下输出变化灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用值与输入变化值之比，用K 来表示：来表示：（2 21818）对于线性传感器，灵敏度就是
15、它的静态特性对于线性传感器，灵敏度就是它的静态特性的斜率，即的斜率，即第17页，共28页，编辑于2022年，星期二 非线性传感器的灵敏度为一变量，如上图所示。非线性传感器的灵敏度为一变量，如上图所示。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出是恒定的，即传感器的输出输入特性为直线。输入特性为直线。第18页，共28页，编辑于2022年，星期二作图法求灵敏度过程作图法求灵敏度过程x1xyxy0切点切点传感器传感器 特特性曲线性曲线xmax第19页，共28页，编辑于2022年，星期二6 6分辨力分辨力传感器在规定的测量范围内能够检测出的被
16、测量传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。的最小变化量称为分辨力。7 7零漂和温漂零漂和温漂传感器在无输入或输入为另一值时，每隔传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与一定时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高满量程的百分比为零漂。而温度每升高11，传，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。为温漂。传感器的静态特性传感器的静态特性 第20页，共28页，编辑于2022年，星期二传感器的动态性能指标传感器的动态性能指标传感器对于随时间变化的输入量的响传
17、感器对于随时间变化的输入量的响应特性。应特性。标准信号：正弦信号、阶跃信号标准信号：正弦信号、阶跃信号（一）动态特性数学模型（一）动态特性数学模型第21页，共28页，编辑于2022年，星期二传感器的动态性能指标传感器的动态性能指标（二）传递函数（二）传递函数定义：定义：初始条件为零时，输出量的拉氏变换与输入量的初始条件为零时，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。拉氏变换之比。特点：特点：微分方程变换为代数方程；微分方程变换为代数方程；表征系统本身的特性，与激励和系统的初始条件无关。表征系统本身的特性，与激励和系统的初始条件无关。串联系统串联系统并联系统并联系统第22页，共28页，编辑于20
18、22年，星期二（三）动态响应（三）动态响应1.频率响应：频率响应：频率不同而幅值相同的正弦信号下，频率不同而幅值相同的正弦信号下，输出正弦信号的幅值输出正弦信号的幅值/相位与频率之间的关系。相位与频率之间的关系。幅频特性幅频特性相频特性相频特性2.阶跃响应阶跃响应一阶响应一阶响应二阶响应二阶响应传感器的动态性能指标传感器的动态性能指标第23页，共28页，编辑于2022年，星期二n一阶响应指标一阶响应指标时间常数时间常数稳态误差稳态误差n二阶响应指标二阶响应指标上升时间上升时间调节时间调节时间超调量超调量震荡次数震荡次数稳态误差稳态误差传感器的动态性能指标传感器的动态性能指标第24页，共28页，
19、编辑于2022年，星期二传感器的动态性能指标传感器的动态性能指标（三）动态响应（三）动态响应典型环节的动态响应典型环节的动态响应零阶环节零阶环节一阶环节一阶环节二阶环节二阶环节第25页，共28页，编辑于2022年，星期二一、系统相似一、系统相似二、机电模拟二、机电模拟 建立在系统微分方程相似的基础上，多种方建立在系统微分方程相似的基础上，多种方案：案：力力电压电压 力力电流电流第三节第三节 系统相似与机电模拟系统相似与机电模拟 第26页，共28页，编辑于2022年，星期二三、机械阻抗三、机械阻抗1.定义：定义：u点机械阻抗点机械阻抗u传递机械阻抗传递机械阻抗 三种表示方法：位移、速度、加速度三种表示方法：位移、速度、加速度2.基本元件的机械阻抗基本元件的机械阻抗第三节第三节 系统相似与机电模拟系统相似与机电模拟 第27页，共28页，编辑于2022年，星期二三、机械阻抗三、机械阻抗 机械系统的机械阻抗机械系统的机械阻抗第三节第三节 系统相似与机电模拟系统相似与机电模拟 第28页，共28页，编辑于2022年，星期二