1、第二章第二章 传感器的基本知识传感器的基本知识 v传感器的基本概念传感器的基本概念 v测量误差测量误差 v传感器的静态特性和动态特性传感器的静态特性和动态特性 v传感器的发展传感器的发展 构成构成：敏感元件敏感元件完成任务完成任务；转换元件转换元件完成任务完成任务；测量电路测量电路完成任务完成任务。传感器的结构类型传感器的结构类型有有4种种 A A型型结构的传感器结构的传感器 敏感元件敏感元件 这种传感器的敏感元件、转换元件和测量电路这种传感器的敏感元件、转换元件和测量电路是合一的，把感应到的外界非电量的变化直接转换是合一的，把感应到的外界非电量的变化直接转换成电量（电荷、电势）输出。成电量（
2、电荷、电势）输出。如：如：热电偶、磁电式传感器、光电池和压电式热电偶、磁电式传感器、光电池和压电式传感器，传感器，其转换元件多是有源元件，被称为其转换元件多是有源元件，被称为电量传电量传感器感器。被测量被测量电量电量 B B型型结构的传感器结构的传感器 敏感元件敏感元件 +测量电路测量电路 这些传感器的敏感元件和转换元件是同一元件。这些传感器的敏感元件和转换元件是同一元件。如：热敏电阻式传感器、电容式传感器、感应同步如：热敏电阻式传感器、电容式传感器、感应同步器、角度编码器等器、角度编码器等 。被测量被测量电量电量 C C型型结构的传感器结构的传感器 敏感元件敏感元件+转换元件转换元件+测量电
3、路测量电路 这种传感器有电阻应变式传感器、电位器传感这种传感器有电阻应变式传感器、电位器传感器、电感式传感器、压磁式传感器。器、电感式传感器、压磁式传感器。B型和型和C型也被称为型也被称为电参数传感器电参数传感器。电量电量被测量被测量 D D型型结构的传感器结构的传感器 正向传感器正向传感器负向传感器负向传感器 将两个传感器构造成一个测量正增益变化将两个传感器构造成一个测量正增益变化（+X X），一个测量负增益变化（），一个测量负增益变化（-X X），它们的），它们的输出（输出（+y y和和-y y）经差动电路处理后再输出）经差动电路处理后再输出,这这就是就是D D型结构的传感器，也称为型结构
4、的传感器，也称为差动结构型传感器差动结构型传感器。差动电路差动电路被测量被测量电量电量+X-X+y-y 线圈线圈1 1、线圈、线圈2 2构成两个构成两个B B型传感器，当衔铁移动型传感器，当衔铁移动时一个线圈的电感增大，另一个线圈的电感减小时一个线圈的电感增大，另一个线圈的电感减小,变变压器电桥将两差动变化的感抗变换成电压输出。压器电桥将两差动变化的感抗变换成电压输出。线圈线圈：直接感应衔铁的移动并将其转换成电参数：直接感应衔铁的移动并将其转换成电参数（感抗）输出（感抗）输出它是敏感元件与转换元件合一的敏它是敏感元件与转换元件合一的敏感元件。感元件。变压器电桥变压器电桥：将电参数转换成电量：将
5、电参数转换成电量它是它是转换元件。转换元件。3.传感器的分类（三种方法传感器的分类（三种方法-1）按被测物理量性质（输入量）分类按被测物理量性质（输入量）分类如位移传感器、速度传感器、负荷传感器、压力传如位移传感器、速度传感器、负荷传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器感器、流量传感器、温度传感器适合于根据被测量选择相对应的传感器。适合于根据被测量选择相对应的传感器。3.传感器的分类（三种方法传感器的分类（三种方法-2）按工作原理（转换原理）分类按工作原理（转换原理）分类如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电传感器磁电式传
6、感器、压电传感器能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性。能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性。3.传感器的分类（三种方法传感器的分类（三种方法-3）按能量的传递方式分类按能量的传递方式分类 将非电量转换成电量的转换元件均可分为两类将非电量转换成电量的转换元件均可分为两类有源元件和无源元件。有源元件和无源元件。0Axx1）绝对误差绝对误差:x实际值，测量得到的结果；实际值，测量得到的结果；A A0 0真值，被测量本身所具有的真正值。真值，被测量本身所具有的真正值。Axx示值误差示值误差:A标准测量装置所测得值或无限次测量结果的标准测量装置所测得值或无限次测量结果的 算术平均值算术平均值。测测
7、量量 值值 xA AB B测量值测量值x真真 值值 A A误差误差xA A与与B B两个测量结果哪个更两个测量结果哪个更准确？准确？误差误差x实际相对误差：实际相对误差：%AxA100示值相对误差：示值相对误差：%xxx100满度（引用）相对误差：满度（引用）相对误差：%xxmm100 xm测量装置的满量程。测量装置的满量程。用相对误差来说明测量的质量用相对误差来说明测量的质量谁谁测量的更测量的更准确准确。2）相对误差相对误差:(a)(b)(c)（a a）有）有精密度精密度，无准确度。，无准确度。（b b）有）有准确度准确度，无精密度。，无精密度。（c c）有准确度，也有精密度）有准确度，也有
8、精密度有有精确度精确度。2.说明测量质量的三个术语：说明测量质量的三个术语：精密度精密度、准确度准确度、精确度精确度。3 误差的性质误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律根据测量数据中的误差所呈现的规律,将误差分为三种将误差分为三种,即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。数据处理。（1）系统误差对同一被测量进行多次重复测量时系统误差对同一被测量进行多次重复测量时,如果如果误差按照一定的规律出现误差按照一定的规律出现,则把这种误差称为系统误差。例如则把这种误差称为系统误差。例如,标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而
9、引起的误差。标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。（2）随机误差对同一被测量进行多次重复测量时随机误差对同一被测量进行多次重复测量时,绝对绝对值和符号不可预知地随机变化值和符号不可预知地随机变化,但就误差的总体而言但就误差的总体而言,具有一具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。定的统计规律性的误差称为随机误差。引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的微小因素微小因素,一般无法控制。对于随机误差不能用简单的修正一般无法控制。对于随机误差不能用简单的修正值来修正值来修正,只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能只能用概率和数理
10、统计的方法去计算它出现的可能性的大小。性的大小。（3）粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差,又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差的突然变化而引起的。对于粗大误差,首先应设法判断是否首先应设法判断是否存在存在,然后将其剔除。然后将其剔除。（1 1）灵敏度与灵敏度与SN（信噪比）（信噪比）dxdyk输入量的变化输出量的变化灵敏度：灵敏度：信噪比：传感器输出信号中的信号分量与信噪比：传感器输出信号中的信号分量与 噪声分量的平方平均值之比。噪声分量的平方平
11、均值之比。（2）线性度）线性度 线性关系：输入与输出量之间为线性比例关系。线性关系：输入与输出量之间为线性比例关系。当传感器的灵敏度为常数时，输出当传感器的灵敏度为常数时，输出输入关系为：输入关系为：kxay0式中式中k为灵敏度为灵敏度当传感器的输出为非线性时，输出当传感器的输出为非线性时，输出输入关系为：输入关系为：a0 0、k 确定了传感器的确定了传感器的所有输出所有输出输入关系输入关系。非线性传感器的输出非线性传感器的输出输入关系如何确定输入关系如何确定？nnxaxaxaxaay332210方法方法：用：用直线直线（称为拟合直线）（称为拟合直线）代替代替实际实际曲线曲线。问题问题：这种代
12、替将会产生多大误差？这种代替将会产生多大误差？直线的拟合方法是否会产生误差？直线的拟合方法是否会产生误差？描述拟合误差的大小用描述拟合误差的大小用线性度线性度来表示：来表示：%ymeSFf100线性度线性度式中式中 最大非线性误差；最大非线性误差；传感器的满量程输出值平均值。传感器的满量程输出值平均值。mSFy但是不同的拟合方法得到的线性度不同。但是不同的拟合方法得到的线性度不同。yxSFy01 1）理论线性度（绝对线性度）：）理论线性度（绝对线性度）：kxy 拟合直线：拟合直线：yxSFy02 2）端基线性度：）端基线性度：kxay0拟合直线：拟合直线：a0被测量为零时的传感器输出值。被测量
13、为零时的传感器输出值。3 3）平均选点线性度：）平均选点线性度：yxSFy0miixmx111miiymy111mniixmnx121mniiymny1211212xxyyk拟合直线：拟合直线：kxay04 4）独立线性度：）独立线性度：yxmaxmaxfe独立线性度此时线性度计算公式应改写为：此时线性度计算公式应改写为：%yeSFmaxmaxf1002独立线性度：独立线性度：5 5）分段线性化）分段线性化 yxV折线逼近法，折线逼近法，通常用精密折点电路实现，通常用精密折点电路实现，也可在具有也可在具有CPUCPU的测量装置中用软件实现。的测量装置中用软件实现。6 6）最小二乘法）最小二乘法
14、 实际值与拟合值差值的平方和最小原则。实际值与拟合值差值的平方和最小原则。（3 3）迟滞（滞环）迟滞（滞环）xyyF.Sm迟滞迟滞 ：%yeSFmt100被测量增大被测量增大 被测量减小被测量减小（4 4）重复性）重复性：按同一方向进行多次全量程实验时输出特性曲线的不一致程度。按同一方向进行多次全量程实验时输出特性曲线的不一致程度。yx01m2m%ySFm100%y)(eSFz10032112n)yy(nii式中：式中：yFS实验次数；实验次数；第第i次实验值；次实验值；实验值的算术平均值。实验值的算术平均值。niyy（5 5）分辨率与分辨力）分辨率与分辨力 yxSFyminxmaxxmaxx
15、 传感器能够测量传感器能够测量到的最小输入变化值到的最小输入变化值,称为称为分辨力分辨力代表代表了传感器的最小量程了传感器的最小量程 分辨率分辨率用来表用来表示分辨质量：示分辨质量：平均分辨率为平均分辨率为 ：%nR1001（满量程）（满量程）最大分辨率为：最大分辨率为：%xx)x(Rminmaxmax100（满量程）（满量程）2.动态特性传感器输出信号跟踪输入信号变化的特性就是传感器输出信号跟踪输入信号变化的特性就是响应特性响应特性，即为动态特性即为动态特性。动态特性问题较为复杂，为简化问题，通动态特性问题较为复杂，为简化问题，通过阶跃响应来研究动态特性。过阶跃响应来研究动态特性。阶跃响应阶
16、跃响应 给传感器输入一个单位阶跃函数信号给传感器输入一个单位阶跃函数信号)0(0)0(1)(tttx时，其输出特性称为阶跃响应特性。时，其输出特性称为阶跃响应特性。1)零阶传感器零阶传感器 这种传感器其输出量这种传感器其输出量 与输入量与输入量 之间的关系为之间的关系为：传感器的阶跃响应特性传感器的阶跃响应特性其输出特性曲线如图所示。其输出特性曲线如图所示。xbya00)0()(tKtyxyYTK0零阶传感器的单位阶跃响应零阶传感器的单位阶跃响应 2)一阶传感器一阶传感器 这种传感器其输出量这种传感器其输出量 与输入量与输入量 之间的之间的关系为：关系为：xbyadtdya001xy 解方程式
17、解方程式,根据初始条件根据初始条件T=0、=0，可得到输，可得到输出响应为：出响应为：)1()(TteKtyy式中式中 K-灵敏度，灵敏度，T-时间常数时间常数,设设 的稳定值为的稳定值为K,则达则达到稳定值的到稳定值的63.2%(即即0.632K)时所用的时间为时所用的时间为T。时间常数时间常数T值越小，则动态响应越快，则一阶传感器的值越小，则动态响应越快，则一阶传感器的动态性能越好。动态性能越好。y 3)二阶传感器二阶传感器 这种传感器其输出量这种传感器其输出量 与输入量与输入量 之间的关系为二之间的关系为二阶微分方程阶微分方程：xbyadtdyadtyda001222yx （1）上升时间
18、）上升时间 ：输出从稳定值的输出从稳定值的10%（即（即0.1K)到第一次到达稳定值的到第一次到达稳定值的90%(即即0,9K)所用的时间。所用的时间。（2）峰值时间）峰值时间 ：输出出现第一个峰值所用的时间。：输出出现第一个峰值所用的时间。（3）建立时间）建立时间 ：从输入信号阶跃变化开始从输入信号阶跃变化开始,到输出到输出值与稳定值之间的偏差不再超出规定的允许误差值与稳定值之间的偏差不再超出规定的允许误差(5%)所所用的最小时间。用的最小时间。（4）瞬时过冲）瞬时过冲 ：输出量的峰值与稳定值之间的偏：输出量的峰值与稳定值之间的偏差。差。tPtstPM 此方程为典型的振荡方程此方程为典型的振
19、荡方程,有欠阻尼、临界阻尼、过有欠阻尼、临界阻尼、过阻尼三种情况不同的解，我们以欠阻尼情况来看动态特阻尼三种情况不同的解，我们以欠阻尼情况来看动态特性的参数：性的参数：欠阻尼时的单位阶跃响应欠阻尼时的单位阶跃响应0.1K0.9Kyt0tPtstPMv 新材料的开发和应用新材料的开发和应用v 新工艺、新技术的应用新工艺、新技术的应用v 新的效应的应用新的效应的应用v 传感器的集成化传感器的集成化v 传感器的多维化传感器的多维化v 传感器的多功能化传感器的多功能化v 传感器的智能化传感器的智能化四、传感器的发展四、传感器的发展 1、新材料的开发和应用、新材料的开发和应用 如半导体材料的开发和应如半
20、导体材料的开发和应用、功能金属、功能陶瓷、非晶态材料、功能有机聚合用、功能金属、功能陶瓷、非晶态材料、功能有机聚合物等的开发和应用，为研制新型的传感器提供许多新的物等的开发和应用，为研制新型的传感器提供许多新的材料。材料。2、新工艺、新技术的应用、新工艺、新技术的应用 如精密加工技术、蒸镀技如精密加工技术、蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接技术等的应用，可研制出超小型化、高性能指标的新型技术等的应用，可研制出超小型化、高性能指标的新型传感器。传感器。3、新的效应的应用、新的效应的应用 如激光的应用、仿生学的应用、如激光的应用、
21、仿生学的应用、生物分子学的应用等，可研制出许多新型传感器。生物分子学的应用等，可研制出许多新型传感器。4、传感器的集成化、传感器的集成化 利用集成加工技术，将敏感元件、传感利用集成加工技术，将敏感元件、传感元件、测量电路等制作在很小的同一芯片上，从而研制出新型元件、测量电路等制作在很小的同一芯片上，从而研制出新型的体积小、质量轻、稳定性和可靠性高的传感器。的体积小、质量轻、稳定性和可靠性高的传感器。5、传感器的多维化、传感器的多维化 利用电子扫描等技术，把多个传感器单利用电子扫描等技术，把多个传感器单元做在一起，研制出多维的传感器，可以解决二维、三维、以元做在一起，研制出多维的传感器，可以解决
22、二维、三维、以致多维的测量和控制问题，致多维的测量和控制问题，6、传感器的多功能化、传感器的多功能化 多功能化就是多功能化就是 一个传感器具有可以检一个传感器具有可以检测多种参数的功能。测多种参数的功能。7、传感器的智能化、传感器的智能化 一般认为智能化传感器自身带有微型计一般认为智能化传感器自身带有微型计算机，具有存储、识别、处理、自诊断等智能化的功能。也有算机，具有存储、识别、处理、自诊断等智能化的功能。也有人认为智能化传感器是为了代替人和生物体的感觉器官并扩大人认为智能化传感器是为了代替人和生物体的感觉器官并扩大其功能而研制的一种新型传感器。其功能而研制的一种新型传感器。智能传感器智能传感器 将传统的传感器和微处理器及相关电路组成将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的结构就是智能传感器。一体化的结构就是智能传感器。智能传感器的功能：智能传感器的功能：自核准；自补偿；自诊断；数据处理；自核准；自补偿；自诊断；数据处理；双向通信；信息存储和记忆；数字信号输出双向通信；信息存储和记忆；数字信号输出
