传感器的基本概念.ppt
第一章 传感器的基本概念,学习本课程所需的预备知识 电路基础、电子测量技术、电子线路。教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指导 传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。从传感器的作用开始，逐一介绍了传感器的概念、组成以及分类，对传感器的基本特性作了详细阐述。,1.1 传感器的定义,关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义。不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。根据中华人民共和国国家标准（GB766587），传感器（Transducer/Sensor)的定义是：能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。,所谓传感器，是指那些能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，无法忍受的高温、高压、辐射等恶劣环境，还可以检测出人类“五官”不能感知的各种信息(如微弱的磁、电、离子、射线和的无色无味的气体等信息，以及远远超出人体“五官”感觉功能的高频、高能信息等)。,对于一个测量系统，它所测量的各种物理量，其形式是不一样的，可以是机械量、电磁量、热工量、光学量，但不论是哪种物理量，它们都可以分为模拟量和数字量两大类。传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出，如电压、电流、频率等信号。这一定义包含以下方面。(1)传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务；(2)它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量；(3)它的输出量是经转换后的电量信号，且有一定的对应关系和转换精度。,1.2 传感器的组成,传感器是由敏感元件、转换元件及信号调节电路三部分组成的。敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待测信息(非电量)的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。信号调节转换电路是能把转换元件输出的电信号转换为电压、电流或频率量便于显示、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，即交、直流供电系统。,被测对象,敏感元件,电源辅助电路,转换元件,基本转换电路,非电量 非电量 电参量 电量,传感器的组成,广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章,敏感元件与转换元件在结构上常装在一起。为了减小外界对转换电路的影响，也希望它们装在一起，但限于空间结构，转换电路常装入单箱内。在转换电路后面，往往还有信号的放大、处理、显示等后续电路，它们通常不包含在传感器的范围之内。但并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直 接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是 很多的。例如，压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。,举例：测量压力的应变式压力传感器,应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变(形变)；弹性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量，电阻应变片就是转换元件。弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,在下图中，弹簧管将压力转换为角位移,弹簧管放大图,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。即弹簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移。,其他各种弹性敏感元件,在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。,压力传感器的外形及内部结构,被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量,在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-电阻的变化（R）,360度圆盘形电位器,接地,测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。,分压比电路的计算公式如下：,直滑电位器式传感器的输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比：,对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：,1.3 传感器的分类,可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。传感器种类繁多 按被测量分类 按测量原理分类 按输出型式分类 按电源型式分类目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。,广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章,按被测量分类（p4）物理量传感器化学量传感器生物量传感器,按测量原理分类电容式传感器 谐振式传感器电位器式传感器 应变（计）式传感器电阻式传感器 压电式传感器电磁式传感器 压阻式传感器电感式传感器 磁阻式传感器电离式传感器 差动变压器式传感器电化学式传感器 霍耳式传感器光导式传感器 激光传感器光伏式传感器 辐射传感器光纤传感器 超声（波）传感器热电式传感器 声表面波传感器伺服式传感器,按输出型式分类 数字传感器 模拟传感器按电源型式分类 无源传感器 有源传感器,1.4 传感器的技术特点,传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。它已逐渐形成了一门相 对独立的专门学科。与其他学科相比，它具有如下技术特点：1.内容范围广且离散2.知识密集程度高、边缘学科色彩浓 3.制造技术复杂、工艺要求高4.功能优良、精度高、可靠性好 5.现代传感器品种繁多、应用广泛,广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章,1.5 传感器的数学模型概述,从系统角度来看，一种传感器就是一种系统。根据系统工程学理论，一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性，从而，用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的静态输入输出关系和动态输入输出关系两方面建立数学模型，但是准确地建立一个系统的数学模型是困难的。在工程上，总是采用一些近似方法建立起系统的初步模型，然后，经过反复模拟试验确立系统的最终数学模型，这种方法同样适用传感器数学模型的建立。下面介绍传感器静态和动态数学模型的一般描述方法。,广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章,1.系统概论,无论系统复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。,系统分析中的三类问题：,1)当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。(系统辨识),2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。(反求),3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。(预测),2.静态模型,静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化的量)情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：y=a0+a1x+a2x2+anxn(11)式中 x输入量；y输出量；a。零位输出；a1传感器线性灵敏度，常用K或S表示；a2，an非线性项的待定系数。传感器的静态模型有三种有用的特殊形式：ya1x(12)y=a1+a2X2+a4X4+(13)ya1X+a3x3+a5x5+(14)式(12)表示传感器的输出和输入量呈严格的线性关系，式(13)和(14)均为非线性关系。,3.动态模型,动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号(输入信号随时间而变化的量)作用下，描述其输出和输人信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。1).微分方程 绝大多数传感器都属模拟(连续变化)系列。描述模拟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，一般采用线性时不变系统理论描述传感器的动态特性，即用高阶线性常系数微分方程表示传感器输出量y和输入量x的关系。其通式如下：式中，y为输出量，x为输入量，ai,bi为常数。对于复杂的系统，其微分方程的建立求解都是很困难的；但是一旦求解出微分方程的解就能分清其暂态响应和稳定响应。为了求解的方便，常采用拉普拉斯变换(简称拉氏变换)将式(15)变为算子S的代数式或采用下面将要介绍的传递函数研究传感器动态特性。,2).传递函数,如果y(t)在t0时，y(t)0，则y(t)的拉氏变换可定义为 我们定义输出y(t)的拉氏变换y(S)和输入x(t)的拉氏变换X(S)的比为该系统的传递函数H(S)：对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t0，y(t)0。这对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均符合上述初始条件。从式(17)可知，它与输入量x(t)无关，只与系统结构参数ai，bi有关。因此，H(S)可以简单而恰当地描述其输出与输入关系。,只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意两者，第三者便可方便地求出。这时可见，无需 了解复杂系统的具体内容，只要给系统一个激励信号x(t)，便可得到系统的响应y(t)，系统特性就能被确定。它们可用图(a)框图表示。对于多环节串、并联组成的传感器，如果各个环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影。则传感器的等效传递函数可按下列代数方式求得：若传感器由r个环节串联而成，如图(b)所示，其等效传递函数为,1.6 传感器的基本特性,传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态和动态特性，才能使信号(或能量)按规律准确的转换。,广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章,检测技术的基本概念及方法,静态测量:如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。,对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。,最高、最低温度计,动态测量:如果测量时，测试装置的输入、输出信号是随时间变化的动态信号，则称为动态测量。,地震测量振动波形,便携式仪表,可以显示波形的便携式仪表,直接测量:在使用仪表或传感器进行测量时,对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测量方法称为直接测量。,电子卡尺,间接测量:,（阿基米德测量皇冠的比重）。,接触式测量,非接触式测量 例：雷达测速,车载电子警察,在线测量,在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。,1.静态特性,传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、分辨力、稳定度、电磁兼容性、可靠性等。,1).线性度:理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。,Y Y X X 线性 非线性,根据式(11)、(12)、(13)和(14)的静态模型，它们所呈现的非线性程度是不一样的，可用图13(a)、(b)、(c)和(d)表示。从图(d)可以看到，仅具有奇次方的多项式模型的传感器在相当大的输入范围内有较宽的准线性，图(b)为理想线性特性，几乎每一种传感器都不具备如此特性，即都存在非线性，因此在使用非线性传感器时，必须对传感器输出特性进行线性处理。常用的方法有理论直线法、端点线法、割线法和切线法、最小二乘法和计算程序法等。,2).灵敏度,灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化量y与输入变化量x之比，用K 来表示：K=y/x,d,K=,d,D,=粆,D,它表征传感器对输入量变化的反应能力。对于线性传感器，灵敏度就是其静态特性的斜率，即k=y/x且为常数。而非线性传感器的灵敏度为一变量，用k=dy/dx表示。,3).重复性,重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。若多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小。不重复性一般采用极限误差式表示:,5).分辨力：指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。,6).稳定性 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是,不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化。但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化,产生一种经时变化的现象。,浴盆曲线,“老化”试验：在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境 低温环境 高温环境反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低。,老化试验台,7).静态响应特性的其他描述,灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。漂移:传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而弓I起的零点或灵敏度的漂移。,1.7 系统动态响应特性,在对动态物理量进行测试时，测试装置的输出变化是否能真实地反映输入变化，则取决于测试装置的动态响应特性,广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章,2.阶跃响应,当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号 时，其输出特性称为阶跃响应特性。,衡量阶跃响应特性的几项指标如图所示。(1)最大超调量p:最大超调量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示。最大超调量能说明传感器的相对稳定性。(2)延滞时间td:是阶跃响应达到稳态值50所需要的时间。(3)上升时间tr,它有几种定义：响应曲线从稳态值的10一90；从稳态值的595；从零上升到第一次到达稳态值所 需的时间。对有振荡的传感器常用，对无振 荡的传感器常用描述。(4)峰值时间tp：响应曲线到第一个 峰值所需的时间。(5)响应时间ts：响应曲线衰减到稳 态值之差不超过土5或土2时所需要的时间，有时称为过渡过程时间。,为了说明传感器的动态特性,下面简要介绍动态测温的问题。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下,都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为T0环境中迅速插入一个温度为T的恒温水槽中（插入时间忽略不计）,这时热电偶测量的介质温度从T0突然上升到T,而热电偶反映出来的温度从T0变化到T 需要经历一段时间,即有一段过渡过程,如图 1-8 所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。,T0C,3频率响应特性,在对动态物理量进行测试时，测试装置的输出变化是否能真实地反映输入变化，则取决于测试装置的动态响应特性。,传感器对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动态特性的方法。1.传递函数 定义假设传感器在输入输出存在线性关系（即传感器是线性的,特性不随时间变化）的范围内使用,则它们之间的关系可用高阶常系数线性微分方程表示:,式中，y为输出量，x为输入量，ai,bi为常数。对上式进行拉普拉斯变换，得到拉氏形式的传递函数为,式中,X(s)是输入的拉氏变换,Y(s)是输出的拉氏变换,H(s)称为拉氏形式的传递函数,或简称传递函数。即输出的拉氏变换等于输入的拉氏变换乘以传递函数。,1).零阶传感器的频率特性当传递函数中,只有a0与b0不为零零阶传感器的传递函数为 H(s)=Y(s)/X(s)=k频率特性为 H(j)=k 由此可知，零阶传感器的输出和输入成正比，并且与信号频率无关。无幅值和相位失真问题，具有理想的动态特性。电位器式传感器是零阶系统的一个例子。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似的当做零阶系统处理。,图为一阶传感器的频率响应特性曲线,从幅频特性、相频特性为和频率响应特性曲线看出,时间常数越小,频率响应特性越好。当1时,A（）1,（）0,表明传感器输出与输入为线性关系,且相位差也很小,输出y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。因此,减小可改善传感器的频率特性。,2)传感器的频率响应分析举例,实验求传递函数的原理，简单明了。依次用不同频率fi的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差i。,从系统的最低测量频率fmin到系统的最高测量频率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线。,依据：频率保持性 若 x(t)=Acos(t+x)则 y(t)=Bcos(t+y),举例C.脉冲响应函数测量,实验求脉冲响应函数简单明了，产生一个冲击信号，再测量系统输出就可以了。,案例：桥梁固有频率测量,原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,举例D.阶跃响应函数测量,案例：桥梁固有频率测量,原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪断绳索，产生阶跃激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,3)系统不失真测量的条件,设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系 y(t)=A0 x(t-t0),该测试系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。,作业1.什么叫做传感器的定义？2.传感器由哪几部分组成？3.传感器有哪几种分类？4.传感器的静态特性是什么？由哪些主要性能指标描述？5.传感器的动态特性是什么？根据输入信号的不同通常用哪些方法进行分析其动态特性？6.为什么要把传感器的特性分为静态特性和动态特性?,广东技术师范学院 传感技术与信号处理 第1章,
