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1、11.21.2 传感器的组成与分类传感器的组成与分类1.2.1 1.2.1 传感器的定义传感器的定义1.2.2 1.2.2 传感器的组成传感器的组成1.2.3 1.2.3 传感器的分类传感器的分类2 将被测非电量信号转换为与之将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或有确定对应关系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器。能器或探测器。1.2.1 1.2.1 传感器的定义传感器的定义33 1.2.2 1.2.2 传感器的组成传感器的组成敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件辅助电路辅助电路辅助电路辅助电路传感元件传感元件传感元件传感元件
2、被测非电量被测非电量 有用非电量有用非电量有用电有用电 量量信号调节信号调节信号调节信号调节转换电路转换电路转换电路转换电路电电 量量敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。传感元件：传感元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。直接转换成电量的器件。44 1.2.2 1.2.2 传感器的组成传感器的组成敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件辅助电路辅助电路辅助电路辅助电路传感元件传感元件传感元件传感元件 被测非电量被测非电量 有用非电量有用非电量有用电有用电 量量信号调节信号调节信号调节信号调节转
3、换电路转换电路转换电路转换电路电电 量量信号调节与转换电路：信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。辅助电路通常包括电源等。辅助电路通常包括电源等。5敏感元件敏感元件传感元件传感元件应变式压力传感器应变式压力传感器 1.2.2 1.2.2 传感器的组成传感器的组成661.2.3 1.2.3 传感器的分类传感器的分类1按工作机理分类：根据物理和化学等学科的按工作机理分类：根据物理和化学等学科的 原理、规律和效应进行分类原理、规律和效应进行分类2按被测量分类：根据
4、输入物理量的性质进按被测量分类：根据输入物理量的性质进 行分类。行分类。3按敏感材料分类：根据制造传感器所使用按敏感材料分类：根据制造传感器所使用 的材料进行分类。可分为半导体传感器、的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。陶瓷传感器等。71.2.3 1.2.3 传感器的分类传感器的分类84.按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将 传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电能量转换
5、型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器。压测量电路和放大器。如如:压电式、热电式、电磁式等。压电式、热电式、电磁式等。1.2.3 1.2.3 传感器的分类传感器的分类9无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源必须具有辅助能源(电能电能)。如如:电阻式、电容式和电感式等。电阻式、电容式和电感式等。5.其他：按用途、学科、功能和输出信号的性其他：按用途、学科、功能和输出信号的性 质等进行分类。质等进行分类。1.2.3 1.2.3 传感器的分类
6、传感器的分类101.3.1 静态模型静态模型 静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。如果不考虑如果不考虑蠕动效应和迟滞特性蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：模型一般可用多项式来表示：1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述11 1.3.2 动态模型动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号或动态动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关
7、系。关系。动态模型通常采用动态模型通常采用微分方程和传递函数微分方程和传递函数描述。描述。1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述12 1 1.微分方程微分方程 大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。系统的一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数微分方程来描述输出量微分方程来描述输出量y y和输入量和输入量x x的关系。的关系。1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述13 其通式如下：其通式如下：an,an-1a0和和bm,bm
8、-1b0 为传感器的结构为传感器的结构参数。除参数。除b0 0外，一般取外，一般取b1,b2bm为零为零.1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述142.2.传递函数传递函数如果如果y(t)在在t0时，时，y(t)=0，则，则y(t)的拉氏变的拉氏变换可定义为换可定义为 式中式中S=+j，0。对微分方程两边取拉氏变换，则得对微分方程两边取拉氏变换，则得1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述15定义输出定义输出y(t)的拉氏变换的拉氏变换Y(S)和输入和输入x(t)的拉氏变换的拉氏变换X(S)的比为该系统的传递函数的比为该系统的传递函数H(S)，则，则对对y y
9、(t t)进进行行拉拉氏氏变变换换的的初初始始条条件件是是t t00时时，y y(t t)=0)=0。对对于于传传感感器器被被激激励励之之前前所所有有的的储储能能元元件件如如质质量量块块、弹性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。弹性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述1616对对于于多多环环节节串串、并并联联组组成成的的传传感感器器，若若各各环环节节阻阻抗抗匹匹配配适适当当，可可忽忽略略相相互互间间的的影影响响，传传感感器器的的等等效传递函数可按代数方式求得。效传递函数可按代数方式求得。显显然然H H(S S)与与输输入入量量x x(
10、t t)无无关关，只只与与系系统统结结构构参参数数有有关关。因因而而H H(S S)可可以以简简单单而而恰恰当当地地描描述述传传感感器器输输出出与输入的关系。与输入的关系。1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述若传感器由若传感器由r个环节串联而成个环节串联而成 对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。系统的串联与并联。1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述若传感器由若传感器由p个环节并联而成个环节并联而成1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述1.4 1.4 传感器的基本特
11、性传感器的基本特性1.4.1 1.4.1 静态特性静态特性 1 1线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏 离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示:maxmax输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差的最大偏差y yFSFS输出满量程值输出满量程值20传感器的静态模型有三种有用的特殊传感器的静态模型有三种有用的特殊 形式：形式：（1 1）理想的线性特性理想的线性特性（2 2）仅有偶次非线性项仅有偶次非线性项（3 3）仅有奇次非线性项仅有奇次非线性项1.4 1.4
12、传感器的基本特性传感器的基本特性21（1）（2）（3）三种形式所呈现的非线性程度三种形式所呈现的非线性程度 图图1-2 1-2 传感器的线性度表示传感器的线性度表示1.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性222.2.灵敏度：灵敏度：在稳态下输出变化量与输入变化量的在稳态下输出变化量与输入变化量的在稳态下输出变化量与输入变化量的在稳态下输出变化量与输入变化量的比值：比值：比值：比值：对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。在某一
13、工作点的灵敏度。1.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性233.3.重复性：重复性：输入量按同一方向输入量按同一方向作全程多次测试时，所得作全程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。特性曲线不一致的程度。图图图图1-3 1-3 1-3 1-3 重复性重复性重复性重复性yx0Rmax2Rmax11.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性24H0 x yyFSxFS图图1-4 1-4 迟滞特性迟滞特性4.4.迟滞（回差滞环）现象：迟滞（回差滞环）现象：表明传感器在正向行程表明传感器在正向行程和反向行程期间，和反向行程期间，输出输出-输入特性曲线不重输入特性曲线不重合。合。1.4 1.
14、4 传感器的基本特性传感器的基本特性正正反反行行程程输输出出量量之之间间的的最最大大值值用用 H Hmaxmax表表示示，它它与与满满量程输出值的比值称迟滞误差：量程输出值的比值称迟滞误差：255 5分辨率与阈值分辨率与阈值 ：分分辨辨力力：传传感感器器在在规规定定的的范范围围所所能能检检测测出出被被测测输输入量的最小变化量。入量的最小变化量。阈阈值值：是是使使传传感感器器的的输输出出端端产产生生可可测测变变化化量量的的最最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。小被测输入量值，即零点附近的分辨力。6 6稳稳定定性性：在在室室温温条条件件下下，经经过过相相当当长长的的时时间间间间隔隔，传传感感器器
15、的的输输出出与与起起始始标标定定时时的的输输出出之之间间的的差差异。异。1.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性267 7漂漂移移：在在外外界界的的干干扰扰下下，输输出出量量发发生生与与输输入入量量无关的、不需要的变化。无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 。零零点点漂漂移移和和灵灵敏敏度度漂漂移移又又可可分分为为时时间间漂漂移移和和温温度度漂移。漂移。时间漂移时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。间的缓慢变化。温温度度漂漂移移为为环环境境温温度度变变化化而而引引起起的的零零点点或或灵灵敏
16、敏度度漂移。漂移。1.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性278 8静态误差（精度）静态误差（精度）静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。其理论输出值的偏离程度。求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其标准偏差差看成是随机分布，求出其标准偏差，取，取2 2 或或3 3 值即值即为传感器的静态误差。或用相对误差表示：为传感器的静态误差。或用相对误差表示：也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项误差综合而得，即单项误差综合而得，即