第二章 传感器技术基础

第二章传感器技术基础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。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。第一节传感器概论第一节传感器概论一、传感器的组成图1-4传感器组成框图敏感元件转换元件变换元件非电量电量电源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)、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它量。2）、转换元件则将上述非电量转换成电参量。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。1-弹簧管2-电位器举例：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参量-----电阻的变化（ΔR）二、传感器分类传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：１）按被测量（输入量）分类：位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。2）按测量原理分类：电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。3）按构成原理分4）按输出量分：模拟式、数字式5）按基本效应分6）按构成原理分二、传感器分类三、传感器的发展趋势•微型化•智能化•多功能化第二节传感器的特性•静态特性•动态特性1．测量范围和量程2．线性度（非线性误差）3．迟滞4．重复性5．灵敏度6．分辨力7．零漂和温漂传感器的静态特性1．测量范围和量程在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围。2．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。max100%LFSLey传感器的理想输入输出特性是线性的，优点：（1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；（2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出—输入特性上的两点（一般为零点和满度值）就可以确定其余各点；（3）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；（4）避免了非线性补偿环节。实际上许多传感器的输出—输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下列多项式表示输入输出特性。式中:y—输出量x—输入物理量a0—零位输出a1—传感器线性灵敏度a2、a3、an—待定系数在研究线性特性时，可不考虑零位输出。可能有三种特殊情况。传感器的灵敏度为nnxaxaxaay2210常数xyasn10320naaaaxay1（１）理想的线性特性。直线。在这种情况下，（2）仅有偶次非线性项、如图（b）所示，其输出—输入特性方程为：44221xaxaxay因为它没有对称性，所以其线性范围较窄。一般传感器设计很少采用这种特性。（３）仅有奇次非线性项，如图（c）所示，其输出—输入方程式为：55331xaxaxay具有这种特性的传感器，一般在输入量x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，所以它具有相当宽的近似线性范围。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，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：nnxaxaxay2211另一边反向输出为：nnnxaxaxaxay1332212总输出为二者之差：55331212xaxaxayyy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。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“线性化”。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（或线性度）的指标。%100maxSFlye传感器的输出——输入特性曲线（静态特性）是在静态标准条件下进行校准的。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物理量），环境温度为20±5ºC,相对湿度85%,气压为760±60毫米汞柱的情况.在这种标准工作状态下,利用一定等级的校准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的输出输入数据一般用表列出或画成曲线.3．迟滞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。max100%HFSHey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缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。maxSFy迟滞大小一般要由实验方法确定。用最大输出差值对满量程输出的百分比表示4．重复性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不一致性。max[(2~3)]100%RFSey传感器的静态特性5.灵敏度：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K来表示：dyyKdxx（2－18）对于线性传感器，灵敏度就是它的静态特性的斜率，即xySn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，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出—输入特性为直线。作图法求灵敏度过程x1ΔxΔyxy0切点传感器特性曲线xmaxyKx6．分辨力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。7．零漂和温漂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满量程的百分比为零漂。而温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。传感器的静态特性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应特性。•标准信号：正弦信号、阶跃信号（一）动态特性数学模型传感器的动态性能指标（二）传递函数–定义：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。–特点：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。–串联系统–并联系统（三）动态响应1.频率响应：频率不同而幅值相同的正弦信号下，输出正弦信号的幅值/相位与频率之间的关系。–幅频特性–相频特性2.阶跃响应–一阶响应–二阶响应传感器的动态性能指标一阶响应指标时间常数稳态误差二阶响应指标上升时间调节时间超调量震荡次数稳态误差传感器的动态性能指标传感器的动态性能指标（三）动态响应典型环节的动态响应零阶环节一阶环节二阶环节一、系统相似二、机电模拟建立在系统微分方程相似的基础上，多种方案：力——电压力——电流第三节系统相似与机电模拟三、机械阻抗1.定义：点机械阻抗传递机械阻抗三种表示方法：位移、速度、加速度2.基本元件的机械阻抗第三节系统相似与机电模拟三、机械阻抗机械系统的机械阻抗第三节系统相似与机电模拟