1、传感器概述传感器概述第一章 传感器概述1-1 传感器与非电量测量一、非电量与非电量测量二、非电量电测系统转换电路物理信息化学信息生物信息电信号光信号敏感元件传感器1-2 传感器的定义传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。 定义包含的意思： 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化 学量、生物量等。 它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处 理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光 强等物理量，但主要是电物理量； 输出与输入之间有确定的对应关系，
2、且能达到一定的精 度。 输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。 敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。 基本转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。 敏感元件基本转换电路转换元件被测量中间量输出电量1-3 传感器的分类 非电学量传感器电学量 角度位移速度压力温度湿度声强光照磁场 传感器电压电流电阻电容1按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角
3、,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;声: 声压,噪声.磁: 磁通,磁场.温度: 温度,热量,比热.光： 亮度，色彩磁电式，热电式，机械式，电气式，光学式，流体式等。2按工作原理分类:切削力测量应变片 动圈式磁电传感器 能量转换型和能量控制型.3按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.4按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实
4、现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.5按输出电信号类型分类 根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为 ： 模拟量传感器 数字量传感器 开关量传感器。如：接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器。1-4 传感器的应用领域一、传感器技术发展的重要性二、传感器的应用领域现在我们的身边大量地使用着各种各样的传感器1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用超声波检测电容指纹识别2、传感器与家用电器透光率传感器温湿度传感器温度传感器感应水龙头电子门火灾报警器机械鼠标的内部结构3、汽车与传感器汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。 辅助泊车传感
5、器双声纳间隙检测声纳后声纳电源指示转向指示间隙警告ECU间隙检测声纳集成开关面板多功能信息显示多功能显示侦测栅定位、地理信息汽车行驶速度测量4、传感器在机器人上的应用l 触觉能力：n 主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。l 接近觉：n 主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。l 视觉：n 孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。l 压觉：n 主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。l 滑觉：n 主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。弧焊机器人弧焊机器人喷漆机器人装配机器人5、传感器在医疗及人体医
6、学上的应用l医用传感器，是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。l人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）6、传感器与环境保护7、传感器与航空及航天8、传感器与遥感技术1-5 传感器的发展方向 1. 努力实现传感器新特性 2. 确保传感器的可靠性，延长其使用寿命 3. 提高传感器集成化及功能化的程度 4. 传感器微型化 5. 新型功能材料的开发 1-6 传感器的静态特性和动态特性u 传感器的基本特性：传感器的基本特性：传感器的输入输出关系特
7、传感器的输入输出关系特 性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。u 输入信号分为：输入信号分为：稳态、动态稳态、动态p 对应传感器特性：静态特性、动态特性对应传感器特性：静态特性、动态特性u 对传感器的要求：对传感器的要求：高精度信号（或能量）无高精度信号（或能量）无失真转换反映被测量的原始特征失真转换反映被测量的原始特征一、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指在稳态条件下（传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确定的输入输出关系。这种关系可依不同情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格来表示。 表征传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞
8、、重复性等。 1. 线性度 传感器的理想输入输出特性应是线性的。 线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，其不一致的最大偏差与理论满量程输出值的百分比来进行计算： max100%YLFSL 式中：YFSymaxymin 满量程输出电压 对于非理想直线特性的传感器，需要进行非线性校正，常采用以下方法。 （1） 端点法 实际特性上分别对应于测量下限xmin和测量上限xmax的点A和B的连线称端点拟合直线。 特点：方法简单，但由于数据依据不充分，且计算的线性度值往往偏大，因此不能充分发挥传感器的精度潜力。 AB（2） 平均选点法 把传感器全量程内的所有校准数据，前后分成两组，分别求出两组的点
9、系中心，这两上点系中心的连线，就是平均选点法的拟合直线。 特点：拟合精度较高，试验点在拟合直线两侧分布，数据 处理不复杂。 前半部点系中心坐标为 21121122niiniixxnyyn后半部点系中心坐标为 21221222ninininixxnyyn11( ,)x y22(,)xy2121yykxx11aykx22aykx因此通过两个点系中心和的直线斜率为 直线在y轴上的截距为 或 把斜率和截距代入 y = a + kx 中即得到平均选点法拟合直线方程。 （3） 最小二乘法 把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟合的直线y=a+kx，其校准点与对应的拟合直线的点之间的残差平方和为最小
10、。 22112221122()()()()nniiiinniyakxyakxyakxyakx校准点拟合直线222()()iiiiiix yxyxaxinx22()iiiiiixynx ykxnx 特点：拟合精度高，计算复杂。 2迟滞 迟滞特性说明传感器加载（输入量增大）和卸载（输入量减小）输入输出特性曲线不重合的程度。max=100%2HHFSyv 产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等3重复性 重复性是指传感器输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。 maxFS100%YRR 4灵敏度 yx/kyx 传感器输出变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为静态灵
11、敏度。 （拟合直线即为斜率） 5分辨力 分辨力是指传感器可能检测出被测信号的最小增量。 二、传感器的动态特性1. 概述 传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。 2. 频率特性及其与动态品质之间的关系 ()H j( )A( ) 线性系统在正弦输入作用下的输出幅值与输入幅值的比值称为系统的幅频特性，以或两者统称为频率特性。 表示。 表示；输出与输入之间随频率而变的相位特性称为相频特性，以 在研究传感器时域动态特性时，为表征传感器的动态特性常用上升时间trs、响应时间tst、过调量c等参数来综合描述。 上升时间trs 输出指示值从最终稳定值的5或10变到最终稳定值的95或90所
12、需的时间；响应时间tst 从输入量开始起作用到输出指示值进入稳定值所规定的范围内所需要的时间。最终稳定值的允许范围常取所允许的测量误差值zr，如tst=5S(2%)；过调量c 输出第一次达到稳定值后又超出稳定值而出现的最大偏差。 3. 传感器的动态时域特征 4. 传感器的动态频域特征 p特性关系式：p拉氏变换：p变形：p传递函数：xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111)()(01110111bsbsbsbsXasasasasYmmmmnnnn11101110( )( )mmmmnnnnb sbsbsbY sX sa sa
13、sa sa)()()()()(sXsYtxLtyLsH 5. 一阶传感器 具有简单能量变换的传感器，其动态性能多数可用一阶微分方程来描述。 00( )( )( )idy taa y tb x tdt一阶传感器的微分方程的通式: 可以改写为: 0100( )( )( )ba dy ty tx tadta； 10/aa具有时间的量纲，称为传感器的时间常数，记为:00/ba是传感器的灵敏度Sn，具有输出/输入的量纲。 可得到典型一阶传感器的频率特性 :21()1()( )()AH jtg 幅频特性相频特性一阶传感器的特征参数为 。c1/cc结论：一阶频率特性具有最简单的形式，其特征参数用3dB频率
14、表示，且 ，为传感器的时间常数；越小，则3dB频率时间常数越高，具有较宽的工作频域，具有较好的动态响应；()/(1)H jAj传递函数6. 二阶传感器 典型二阶传感器的微分方程通式为： 221002( )( )( )( )d y tdy taaa y ta x tdtdt其频率特性： 21()12nnH jj幅频特性 ：2221()12nnH j相频特性： 22()1nnarctg 式中： 02/naa，传感器的固有角频率 1/202aa a，传感器的阻尼比 n结论： 为减小动态误差和扩大频响范围，一般是提高传感器的固有频率 ；（一般是通过减小传感运动部分质量和增加弹性敏感元件的刚度来达到）0.707时 在确定的固有频率下，当（临界阻尼状态），具有最宽的幅频特性平坦区。
