02傳感器的基本知識

1、第二章 傳感器的基本知識 傳感器的基本概念 測量誤差 傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 傳感器的發(fā)展1一、傳感器的基本概念 傳感器的概念作用結(jié)構(gòu)類型分類 21. 傳感器的概念 廣義： 傳感器就是能感受外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的裝置。狹義： 傳感器就是能將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。 32傳感器的作用 l ）信息的收集 2）信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 3）控制信息的采集 4任務(wù) ：將被測量轉(zhuǎn)換為特定的非電量 （如應(yīng)變、位移等）； 將非電量轉(zhuǎn)換為電參數(shù) （電阻、電感、電容、電勢等）； 將電參數(shù)變換為電量 （電壓或電流）。 構(gòu)成：敏感元件完成任務(wù) ； 轉(zhuǎn)換元件完成任務(wù) ； 測量電路完成任務(wù) 。3

2、. 傳感器的結(jié)構(gòu)類型 傳感器的結(jié)構(gòu)類型有4種 5 A型結(jié)構(gòu)的傳感器 敏感元件 這種傳感器的敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路是合一的，把感應(yīng)到的外界非電量的變化直接轉(zhuǎn)換成電量（電荷、電勢）輸出。 如：熱電偶、磁電式傳感器、光電池和壓電式傳感器，其轉(zhuǎn)換元件多是有源元件，被稱為電量傳感器。 被測量電量6 B型結(jié)構(gòu)的傳感器 敏感元件 + 測量電路 這些傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是同一元件。如：熱敏電阻式傳感器、電容式傳感器、感應(yīng)同步器、角度編碼器等 。被測量電量7 C型結(jié)構(gòu)的傳感器 敏感元件 + 轉(zhuǎn)換元件 + 測量電路 這種傳感器有電阻應(yīng)變式傳感器、電位器傳感器、電感式傳感器、壓磁式傳感器。 B型和C型也

3、被稱為電參數(shù)傳感器。電量被測量8 D型結(jié)構(gòu)的傳感器 正向傳感器負向傳感器 將兩個傳感器構(gòu)造成一個測量正增益變化（+X），一個測量負增益變化（-X），它們的輸出（+y和-y）經(jīng)差動電路處理后再輸出,這就是D型結(jié)構(gòu)的傳感器，也稱為差動結(jié)構(gòu)型傳感器。 差動電路被測量電量+X-X+y-y9 線圈1、線圈2構(gòu)成兩個B型傳感器，當銜鐵移動時一個線圈的電感增大，另一個線圈的電感減小,變壓器電橋?qū)刹顒幼兓母锌棺儞Q成電壓輸出。 線圈：直接感應(yīng)銜鐵的移動并將其轉(zhuǎn)換成電參數(shù)（感抗）輸出它是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合一的敏感元件。變壓器電橋：將電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量它是轉(zhuǎn)換元件。103. 傳感器的分類（三種方法-1） 按被測

4、物理量性質(zhì)（輸入量）分類如位移傳感器、速度傳感器、負荷傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器適合于根據(jù)被測量選擇相對應(yīng)的傳感器。 113. 傳感器的分類（三種方法-2） 按工作原理（轉(zhuǎn)換原理）分類如電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器、壓電傳感器能夠從基本原理上歸納傳感器的共性和特性。 123. 傳感器的分類（三種方法-3）按能量的傳遞方式分類 將非電量轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件均可分為兩類有源元件和無源元件。13二、測量誤差 1 誤差: 絕對誤差；相對誤差 1） 絕對誤差:x實際值，測量得到的結(jié)果；A0真值，被測量本身所具有的真正值。 示值誤差:A標準測量裝置所測得值或無限次

5、測量結(jié)果的 算術(shù)平均值。 14測 量 值 xAB測量值x真 值 A誤差xA與B兩個測量結(jié)果哪個更準確？誤差x15實際相對誤差：示值相對誤差：滿度（引用）相對誤差：xm測量裝置的滿量程。用相對誤差來說明測量的質(zhì)量誰測量的更準確。2） 相對誤差:16（a）有精密度，無準確度。（b）有準確度，無精密度。（c）有準確度，也有精密度有精確度。2. 說明測量質(zhì)量的三個術(shù)語： 精密度、準確度、精確度。173 誤差的性質(zhì) 根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律, 將誤差分為三種, 即系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。這種分類方法便于測量數(shù)據(jù)處理。 （1） 系統(tǒng)誤差對同一被測量進行多次重復測量時, 如果誤差按照一定的規(guī)律

6、出現(xiàn), 則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。例如, 標準量值的不準確及儀表刻度的不準確而引起的誤差。 （2） 隨機誤差對同一被測量進行多次重復測量時, 絕對值和符號不可預(yù)知地隨機變化, 但就誤差的總體而言, 具有一定的統(tǒng)計規(guī)律性的誤差稱為隨機誤差。 18 引起隨機誤差的原因是很多難以掌握或暫時未能掌握的微小因素, 一般無法控制。對于隨機誤差不能用簡單的修正值來修正,只能用概率和數(shù)理統(tǒng)計的方法去計算它出現(xiàn)的可能性的大小。 （3） 粗大誤差明顯偏離測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差, 又稱疏忽誤差。這類誤差是由于測量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。對于粗大誤差, 首先應(yīng)設(shè)法判斷是否存在, 然后將其剔除。 1

7、9三、傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性 1. 靜態(tài)特性 （1）靈敏度與SN（信噪比） 靈敏度：信噪比：傳感器輸出信號中的信號分量與 噪聲分量的平方平均值之比。 20（2）線性度 線性關(guān)系：輸入與輸出量之間為線性比例關(guān)系。 當傳感器的靈敏度為常數(shù)時，輸出輸入關(guān)系為：式中k為靈敏度當傳感器的輸出為非線性時，輸出輸入關(guān)系為：a0、k 確定了傳感器的所有輸出輸入關(guān)系。非線性傳感器的輸出輸入關(guān)系如何確定？21方法：用直線（稱為擬合直線）代替實際曲線。問題：這種代替將會產(chǎn)生多大誤差？ 直線的擬合方法是否會產(chǎn)生誤差？描述擬合誤差的大小用線性度來表示：線性度式中 最大非線性誤差； 傳感器的滿量程輸出值平均值。 但是

8、不同的擬合方法得到的線性度不同。221）理論線性度（絕對線性度）：擬合直線：232）端基線性度：擬合直線：a0被測量為零時的傳感器輸出值。243）平均選點線性度：擬合直線：254）獨立線性度：此時線性度計算公式應(yīng)改寫為：獨立線性度：265）分段線性化 折線逼近法，通常用精密折點電路實現(xiàn)，也可在具有CPU的測量裝置中用軟件實現(xiàn)。6）最小二乘法 實際值與擬合值差值的平方和最小原則。 27（3）遲滯（滯環(huán)） 遲滯 ：被測量增大 被測量減小 28（4）重復性：按同一方向進行多次全量程實驗時輸出特性曲線的不一致程度。 式中：yFS實驗次數(shù)；第i次實驗值；實驗值的算術(shù)平均值。29（5）分辨率與分辨力 傳感

9、器能夠測量到的最小輸入變化值,稱為分辨力代表了傳感器的最小量程 分辨率用來表示分辨質(zhì)量： 平均分辨率為 ：（滿量程） 最大分辨率為：（滿量程） 302. 動態(tài)特性傳感器輸出信號跟蹤輸入信號變化的特性就是響應(yīng)特性，即為動態(tài)特性。 動態(tài)特性問題較為復雜，為簡化問題，通過階躍響應(yīng)來研究動態(tài)特性。31 階躍響應(yīng) 給傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號時，其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。32 1) 零階傳感器 這種傳感器其輸出量 與輸入量 之間的關(guān)系為：傳感器的階躍響應(yīng)特性其輸出特性曲線如圖所示。 33YTK0零階傳感器的單位階躍響應(yīng)34 2) 一階傳感器 這種傳感器其輸出量 與輸入量 之間的關(guān)系為： 解方程式,

10、根據(jù)初始條件T=0、 =0，可得到輸出響應(yīng)為：式中 K-靈敏度，T-時間常數(shù),設(shè) 的穩(wěn)定值為K,則達到穩(wěn)定值的63.2%(即0.632K)時所用的時間為T。時間常數(shù)T值越小，則動態(tài)響應(yīng)越快，則一階傳感器的動態(tài)性能越好。35 3) 二階傳感器 這種傳感器其輸出量 與輸入量 之間的關(guān)系為二階微分方程：36 （1）上升時間 ： 輸出從穩(wěn)定值的10%（即0.1K)到第一次到達穩(wěn)定值的90%(即0,9K)所用的時間。 （2）峰值時間 ：輸出出現(xiàn)第一個峰值所用的時間。 （3）建立時間 ： 從輸入信號階躍變化開始,到輸出值與穩(wěn)定值之間的偏差不再超出規(guī)定的允許誤差(5%) 所用的最小時間。 （4）瞬時過沖 ：

11、輸出量的峰值與穩(wěn)定值之間的偏差。 此方程為典型的振蕩方程,有欠阻尼、臨界阻尼、過阻尼三種情況不同的解，我們以欠阻尼情況來看動態(tài)特性的參數(shù)：37欠阻尼時的單位階躍響應(yīng)0.1K0.9Kyt038 新材料的開發(fā)和應(yīng)用 新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 新的效應(yīng)的應(yīng)用 傳感器的集成化 傳感器的多維化 傳感器的多功能化 傳感器的智能化四、傳感器的發(fā)展 39 1、新材料的開發(fā)和應(yīng)用 如半導體材料的開發(fā)和應(yīng)用、功能金屬、功能陶瓷、非晶態(tài)材料、功能有機聚合物等的開發(fā)和應(yīng)用，為研制新型的傳感器提供許多新的材料。 2、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 如精密加工技術(shù)、蒸鍍技術(shù)、擴散技術(shù)、光刻技術(shù)、靜電封接技術(shù)、全固態(tài)封接技術(shù)等的應(yīng)用，可研制出超小型化、高性能指標的新型傳感器。 3、新的效應(yīng)的應(yīng)用 如激光的應(yīng)用、仿生學的應(yīng)用、生物分子學的應(yīng)用等，可研制出許多新型傳感器。40 4、傳感器的集成化 利用集成加工技術(shù)，將敏感元件、傳感元件、測量電路等制作在很小的同一芯片上，從而研制出新型的體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性和可靠性高的傳感器。 5、傳感器的多維化 利用電子掃描等技術(shù)，把多個傳感器單元做在一起，研制出多維的傳感器，可以解決二維、三維、以致多維的測量和控制問題， 6、傳感器的多功能化 多功能化就是 一個傳感器具有可以檢測多種參數(shù)的功能。