电子测量 教学课件 作者 杜志勇　王鲜芳 第10章.ppt

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1、第10章传感器概述10.1概述10.2常见传感器10.3传感器的选择原则10.1概述10.1.1传感器传感器（Sensor或Transducer）是一种装置或器件。国家标准GB7665—87给传感器的定义是：“能够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，通常由敏感元件和转换元件组成。”应当指出，这里所说的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的信号。传感器狭义的定义为：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件。目前，传感和检测技术已经成为一些发达国家的最重要的热门技术之一。一般来说，可以把传感器看作敏感元件（有时又称为预变换

2、器）和变换元件（有时又称为变换器）两部分组成，见图10.1。变换器敏感元件图10.1传感器的组成非电量非电量传感器电量10.1.2传感器的静态特性传感器的静态特性就是在静态标准条件下，利用校准数据确立的指标。静态标准条件是指没有加速度、振动和冲击（除非这些参数本身就是被测物理量），环境温度一般为室温20±５℃，相对湿度不大于85％，大气压力为0.1MPa的情况。（１）线性度在这样的标准条件下，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——输入曲线一般用表格列出或绘出曲线。静态特性通常由下面几个指标来衡量。人们为了标定和数据处理的方便，总

3、是希望传感器的输出与输入关系呈线性关系，并能准确无误的反映被测量的真值，但实际上这是不可能的。假设传感器没有迟滞和蠕变效应，其静态特性可用下列多项式来描述。(10.1)式中：ｘ—输入量；ｙ—输出量；a0—零位移输出；a1—传感器的灵敏度，常用ｋ表示；a2，a3，…，an—非线性项的待定常数。式（10-1）即为传感器静态特性的数学模型。该多项式可能有四种情况，如图10.2所示。图10.2传感器静态特性曲线（２）重复性重复性表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向作全程连续多次重复测量时，所得输出值（所得校准曲线）的一致程度。它是反映传感器精密度的一

4、个指标。通常用下式计算其重复性：(10.2)式中，YF.S.表示理论满量程输出值；λ表示置信区间（通常取２或３）；Ｓ表示子样标准偏差。（3）迟滞迟滞表明传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程期间，输出--输入曲线不重合的程度。也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等。它反映了传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点，如轴承的摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、元件磨蚀、碎裂等。迟滞大小一般由实验确定，可近似用下式表示：(10.3)式中：表示输出在正、反行程间的最大差值；表示理论满量程输出值。（４）精度（精确度）精度是反

5、映系统误差和随机误差的综合误差指标。一般用方和根法或代数和法计算精度。用重复性、线性度、迟滞三项的方和根或简单的代数和表示的精度计算式如下：(10.4)或(10.5)（５）灵敏度灵敏度是传感器输出增量与被测输入量之比，用ｋ来表示。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即ｋ＝(10.6)非线性传感器的灵敏度不是常数，其表示式为ｋ＝(10.7)灵敏度用输出、输入量之比表示。例如，某移位传感器在位移变化1mm时，输出电压变化有300mV，则其灵敏度为300mV／mm。（６）阈值、分辨力当一个传感器的输入从零开始极缓慢的增加时，只有在达到了某一最小值后才测的出输

6、出变化，这个最小值就称为传感器的阈值。在规定阈值时，最先可测得的那个输出变化往往难以确定。因此，为了改进阈值数据测定的重复性，最好给输出变化规定一个确定的数值，在该输出变化值下的相应输入就称为阈值。分辨力是指当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢增加时，只有在超过某一输入增量后输出才显示有变化，这个输入增量称为传感器的分辨力。有时用该值相对满量程输入值百分数表示，则称为分辨率。阈值说明了传感器的最小可测出的输入量。分辨力说明了传感器的最小可测出输入变量。（７）时间漂移、零点和灵敏度温度漂移漂移量的大小是表征传感器稳定性的重要性能指标。传感器的漂移有时会致使

7、整个测量或控制系统处于瘫痪。图10.3示出了零点和灵敏度两种漂移的叠加。时间漂移通常是指传感器零位随时间变化的大小。图10.3零点与灵敏度漂移10.1.3动态特性动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。实际被测量随时间变化的形式可能是多种多样的，在研究动态特性时通常根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。标准输入有两种：正弦变化和阶跃变化的输入。传感器的动态特性分析和动态标定都以这两种标准输入状态为依据。1.动态特性的数学模型线性系统的动态响应，最广泛使用的数学模型是普通线性常系数微分方程。只要对微分方程求解，就可以得到动态性能指标。对于任

8、意的线性系统，下列数学模型——高阶常系数线性微分方程都是成立的。(10.8)式中