传感器的基本知识.ppt

2020/5/31,1,第一章传感器的基本知识,2020/5/31,2,学习要点,掌握传感器的概念及组成熟悉传感器的分类方法了解传感器的命名方法掌握传感器的一般特性,2020/5/31,3,1.1传感器的作用与地位1.2传感器的应用与发展1.3传感器的定义与组成1.4传感器的分类1.5传感器的命名及代号1.6传感器的基本特性本章小结复习思考题,主要内容,返回主目录,2020/5/31,4,例：曹冲称象,方法：利用水的浮力称重，是力学量检测的一种方法。,装置：船、石头、小秤；,检查、测量，从而得到：,定性、定量的结果。,课题引入,曹冲生五六岁，智意所及，有若成人之智。时孙权曾致巨象，太祖欲知其斤重，访之群下，咸莫能出其理。冲曰：“置象于船上，刻其水痕所至。称物以载之，则校可知矣。”太祖悦，即施行焉。,2020/5/31,5,现代生产实践中采用的是测力传感器。例如在钢铁工业中，大型轧钢机上装有测力传感器，可以测定轧制力和提供进轧与自动控制钢板厚度的信号；在起重运输行业中，如在滑车和大型吊车上安装测力传感器，一方面可以实现自称重，另一方面可以在超重时发出警报信号，自动避免事故。,课题引入,2020/5/31,6,1.1传感器的作用与地位,表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。,2020/5/31,7,2020/5/31,8,2020/5/31,9,一、传感器的作用,人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行控制，实现这种转换技术的器件就是传感器。,2020/5/31,10,二、传感器的应用与发展,传感器几乎渗透到所有的技术领域。如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。在机器人的技术发展中，传感器采用与否及采用数量的多少是衡量机器人是否具有智能的标志，现代智能机器人因为采用了大量的、性能更好的、功能更强的、集成度更高的传感器，才使得其具有自我诊断、自我补偿、自我学习等能力，机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。传感器被称为机器人的“电五官”。在现代工程装备中，检测环节的成本约占50%-70%,2020/5/31,11,在航空、航天技术领域，仅阿波罗10号飞船就使用了数千个传感器对3295个测量参数进行监测。,2020/5/31,12,2020/5/31,13,检测技术在海啸预报中的应用,海浪振动检测系统,浮标,深海地沟,2020/5/31,14,在民用工业生产中，传感器也起着至关重要的作用。如一座大型炼钢厂就需要2万多台传感器和检测仪表,炼铁高炉监控与传动系统,2020/5/31,15,大型的石油化工厂需要6千台传感器和检测仪表,2020/5/31,16,一部现代化汽车需要90多只传感器,一台复印机需要20多只传感器,2020/5/31,17,日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用电器都安装了传感器；,2020/5/31,18,在医学上，人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等的准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。,2020/5/31,19,最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和传感元件组成”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。,1.3传感器的定义与作用,1.3.1传感器的定义,一感二传,2020/5/31,20,1.3.2传感器的组成,图：传感器系统的组成,显示机构,执行机构,2020/5/31,21,被测非电量,电量,敏感元件,传感元件,转换电路,它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量的元件。,将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号,把传感元件输出的电信号变为具有一定传输和驱动能力的信号，以推动后级的显示电路、数据处理装置及执行机构。,并不是所有的传感器必须包括敏感元件和传感元件。如果传感元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，它就同时兼为敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏感电阻及光电器件等。敏感元件与传感元件两者合二为一的传感器是很多的。,返回本章目录,2020/5/31,22,电子秤的工作原理显示：电子秤的外形及应变片的粘贴位置如图。称重时红色应变片受拉变长，绿色应变片受压变短，经桥路转换之后输出电压，数字显示器显示重量。,2020/5/31,23,2020/5/31,24,2020/5/31,25,2020/5/31,26,2020/5/31,27,1.4传感器的分类,常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分另一种是按传感器的工作原理来分,2020/5/31,28,1.4.1按被测物理量分类,根据被测量的性质进行分类，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器及转距传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量和派生被测量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。,2020/5/31,29,表1-1基本被测量和派生被测量,2020/5/31,30,1.4.2按传感器工作原理分类,这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。优点：对传感器的工作原理表达的比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。缺点：不便于使用者根据用途选用。,2020/5/31,31,1.电学式传感器,电学式传感器常用的有:电阻式传感器利用变阻器将被测非电量转换成电阻信号的原理制成。电容式传感器利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化电感式传感器利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应的原理制成。磁电式传感器利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量而制成。电涡流式传感器利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理而制成。,2020/5/31,32,例：应变式力传感器制成的电子秤工作示意图,2020/5/31,33,应变片测量电路,2020/5/31,34,2.磁电式传感器,磁学式传感器的是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的。磁学式传感器的主要用于位移、转矩、温度、磁通量、电流、速度、光通量及热辐射等参数的测量。,2020/5/31,35,例：霍尔效应演示,金属薄片置于磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。,c,d,a,b,2020/5/31,36,例：霍尔传感器测量汽车速度,2020/5/31,37,n,=,60,f,4,(r/min),软铁分流翼片,开关型霍尔IC,T,例：霍尔传感器测量转度演示,2020/5/31,38,霍尔式无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,2020/5/31,39,3.光电式传感器,光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成。光电式传感器主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。,2020/5/31,40,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,2020/5/31,41,家用电视机的遥控器,2020/5/31,42,5.电荷型传感器,电荷型传感器是利用压电效应原理而制成。主要用于力及加速度的测量。（动态力测量）,2020/5/31,43,6.半导体型传感器,半导体型传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、电磁效应及半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。半导体型传感器主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。,2020/5/31,44,7.谐振式传感器,谐振式传感器是利用改变电或机械固有参数来改变谐振频率的原理而制成。主要用来测量压力。,2020/5/31,45,8.电化学式传感器,电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成。根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱（极化）式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位参数的测量。,2020/5/31,46,其他分类方法,按能量分类有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类模拟式和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如盘式角度数字传感器，光栅传感器等。本书主要是按被测量分类编写的，适当加以工作原理的分析，重点讲述各种传感器的用途，使读者学会使用传感器，进一步去开发新型传感器。,返回本章目录,2020/5/31,47,1.5传感器的命名及代号,2020/5/31,48,1.5传感器的命名及代号,1.5.1传感器命名法的构成传感器产品的名称，应由主题词及四级修饰语构成。（1）主题词传感器。（2）第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。（3）第二级修饰语转换原理，一般可后续以“式”字。（4）第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以“型”字。（5）第四级修饰语主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合使用。例1传感器，绝对压力，应变式，放大型，13500kPa；例2传感器，加速度，压电式，20g。在技术文件、产品样书、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序。例113500kPa放大型应变式绝对压力传感器；(中华人民共和国国家),Pa-帕斯卡,压强的单位;1M帕表示1平方厘米上的压力是10公斤,2020/5/31,49,2020/5/31,50,1.5.2传感器代号的标记方法,一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。传感器完整代号应包括以下四个部分：（1）主称（传感器）；（2）被测量；（3）转换原理；（4）序号。四部分代号格式为：在被测量、转换原理、序号三部分代号之间有连字符“-”连接。例1：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10；例2：光纤压力传感器，代号为：CY-GX-1；例3：温度传感器，代号为：CW-01A；例4：电容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。,返回本章目录,2020/5/31,51,CWY-YB-10,2020/5/31,52,2020/5/31,53,1.6传感器的基本特性,传感器的基本特性，即输入输出特性,动态特性-被测量随时间快速变化时传感器输入与输出间的关系。,静态特性-被测量不随时间变化或随时间变化缓慢时输入与输出间的关系。,传感器的基本特性,北京百科融创,2020/5/31,54,静态测量,2020/5/31,55,2020/5/31,56,2020/5/31,57,1.6.1传感器的静态特性,1.传感器的静态数学模型-静态的数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量之间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可用次多项式来表示为,(1-1),输入量，即被测量,传感器的理论输出量,零输入时的输出,也叫零位输出,传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示,非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定,2020/5/31,58,传感器静态数学模型4种特殊形式,理想的线性特性-能准确无误地反映被测的真值,线性传感器的特性-不过原点的直线,仅有偶次非线性项-线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为相应曲线的斜率,仅有奇次非线性项-线性范围较宽，且特性曲线相对坐标原点对称，具有这种特性的传感器使用时应采取线性补偿措施,图1-2传感器典型静态特性曲线,n=0,1,2,2020/5/31,59,2.传感器的静态性能指标,传感器的静态特性主要由性能指标来描述,量程范围,线性度,灵敏度,重复性,迟滞,分辨力和阈值,稳定性,漂移,2020/5/31,60,1.线性度,线性度-传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离理论拟合直线的程度，又称非线性误差。线性度可用下式表示为,(1-6),实际曲线与拟合直线之间的最大偏差,满量程输出平均值,最大输出平均值,最小输出平均值,2020/5/31,61,作图法求线性度演示,1拟合曲线：将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线,2实际特性曲线,2020/5/31,62,2.灵敏度,灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-4a所示.,图1-4传感器的灵敏度,非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-4b所示.,2020/5/31,63,切点,传感器特性曲线,作图法求灵敏度过程,2020/5/31,64,3.重复性,重复性-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，如图1-5所示。,1）次测试的曲线越重合，其重复性越好。2）不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘、电路老化、工作点漂移等原因产生。,输出最大不重复误差,满量程输出平均值,y,x,0,Rmax2,Rmax1,Rmax1正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差。,2020/5/31,65,4.迟滞现象,迟滞-传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间，输出输入特性曲线不一致，称为迟滞，又称为回程误差。如图16所示。,（1-12）,迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。,最大滞环误差,图1-6迟滞特性,2020/5/31,66,图1-7分辨力和阈值,5.分辨力和阈值,传感器的分辩力-实际测量时，传感器的输入输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始变化，但输出量并不立刻随之变化，而是输入量变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变化。实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑，而是呈阶梯形变化的，如图1-7所示。在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量Xmin（有量纲）。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示（分辨率-无量纲）。阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区，是输入量由零变化到使输出量开始发生可观变化的输入量的值，图中的值。,2020/5/31,67,对于数字仪表而言，指示数字的最后一位数字所代表的值就是它的分辨力。当被测量的变化小于分辨力时，仪表的最后一位数字保持不变。分辨力是一个可反映传感器能否精密测量的性能指标，即可用输入量来表示，也可用输出量来表示。造成传感器具有有限分辨力的因素很多，如机械运动造成的干摩擦和卡塞等。,2020/5/31,68,6.稳定性,稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性表示，它是指在室温条件下,经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征其输出的稳定度。,2020/5/31,69,7.漂移,传感器的漂移-外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。,零点漂移,灵敏度漂移,漂移,时间漂移-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-环境温度变而引起的零点或灵敏度的变化,温度漂移,时间漂移,2020/5/31,70,8.测量范围和量程,传感器所能测量的最大被测量（输入量）的数值称为测量上限，最小被测量称为测量下限，上限与下限之间的区间，则称为测量范围。量程-测量上限与下限的代数差。例如：测量范围为0+10N，量程为10N；测量范围为-20+20，量程为40；测量范围为-5+10g，量程为15g；测量范围为1001000Pa，量程为900Pa；通过测量范围，可以知道传感器的测量上限与下限，以便正确使用传感器；通过量程，可以知道传感器的满量程输入值，而其对应的满量程输出值，乃是决定传感器性能的一个重要数据。,2020/5/31,71,2020/5/31,72,2020/5/31,73,2020/5/31,74,本章小结,传感器的定义“能感受（或响应）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”传感器的组成敏感元件、转换元件、转换电路、电源,按传感器工作原理分类,传感器的分类,传感器代号的标记方法,按被测物理量分类,传感器命名法的构成,由主题词及四级修饰语构成：（1）主题词传感器。（2）第一级修饰语被测量（3）第二级修饰语转换原理（4）第三级修饰语特征描述（5）第四级修饰语主要技术指标,2020/5/31,75,本章小结,传感器的静态特性在静态信号作用下，传感器输出与输入量之间的一种函数关系。,传感器的静态特性主要由：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力和阈值、稳定性、漂移及量程范围等几种性能指标来描述。,返回本章目录,2020/5/31,76,复习思考题,1.简述传感器的概念、作用及组成。2.传感器的分类有哪几种？各有什么优缺点？3.传感器是如何命名的？其代号包括哪几部分？在各种文件中如何应用？4.传感器的静态性能指标有哪些？其含义是什么？5.传感器的动态特性主要从哪两方面来描述？采用什么样的激励信号？其含义是什么？,返回本章目录,2020/5/31,77,作业,1.成立项目研究小组2.通过网络调查下列自动化设备中用到了哪些传感器，搜集并整理这些传感器在该设备中的作用，并完成项目研究任务书。（1）现代化汽车（2）复印机（3）电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用电器,2020/5/31,78,2020/5/31,79,休息一下,Smelltheflowers,返回主目录,2020/5/31,80,