传感器与检测技术第二讲.ppt

第二章传感器的基本概念 传感器的定义和组成传感器的分类传感器的一般要求传感器的基本特征传感器的正确选用传感器的应用领域及其发展 传感器的基本概念 传感器 以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的 便于应用的某种物理量的测量装置 定义含义 传感器是测量装置传感器的输入量是某一被测量传感器的输出量应是便于转换的物理量传感器的输入与输出之间有一定精确程度的对应关系 一 传感器的定义和组成 传感器的功用是一感二传 即感受被测信息 并传送出去 传感器的组成 敏感元件 转换元件 基本转换电路 敏感元件 转换元件 基本转换电路 被测量 输出量 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 敏感元件的输出就是它的输入 它把输入抟换成电路参量 基本转换电路 上述电路参数接入基本转换电路 简称转换电路 便可转换成电量输出 1 壳体2 膜盒 敏感元件 3 电感线圈 转换元件 4 磁芯5 转换电路 传感器只完成被测参数至电量的基本转换 然后输入到测控电路 进行放大 运算 处理等进一步转换 以获得被测值或进行过程控制 二 传感器的分类 按传感器的工作机理 可分为物理型 化学型 生物型等 本课程主要讲授物理型传感器 在物理型传感器中 作为传感器工作物理基础的基本定律有场的定律 物质定律 守恒定律和统计定律等 按传感器的构成原理 可分为结构型与物性型两大类 传感器是知识密集 技术密集的行业 它与许多学科有关 它的种类十分繁多 为了很好地掌握它 应用它 需要有一个科学的分类方法 结构型传感器 物性型传感器 结构型传感器结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的 包括动力场的运动定律 电磁场的电磁定律等 物理学中的定律一般是以方程式给出的 对于传感器来说 这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型 物性型传感器是利用某些材料本身的物理性质随被测量变化的特性而实现参数的直接转换 这种类型的传感器具有灵敏度高 响应速度快 结构简单 便于集成等特点 是传感器的发展方向之一 根据传感器的能量转换情况 可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器 按照物理原理分类 可分为 电参量式传感器 磁电式传感器 压电式传感器 光电式传感器 气电式传感器 热电式传感器 波式传感器 射线式传感器 半导体式传感器 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式 如不少半导体式传感器 也可看成电参量式传感器 按照传感器的用途来分类 例如位移传感器 压力传感器 振动传感器 温度传感器等 根据传感器输出是模拟信号还是数字信号 可分为模拟传感器和数字传感器 根据转换过程可逆与否 可分为双向传感器和单向传感器等 三 传感器的一般要求 可靠性 通用性 静态精度 轮廓尺寸 动态性能 成本 量程 能耗 抗干扰能力 对被测对象的影响 传感器的工作可靠性 静态精度和动态性能是最基本的要求 四 传感器的基本特性 静态特性 被测量不随时间变化或变化很慢时 检测系统的输入和输出量都与时间无关 动态特性 输入量和输出量都随时间变化较快 是一个含有时间变量的微分方程式 检测系统对快速变化的被测量的响应特性称为动态特性 传感器的输出输入作用图 传感器 外界影响 冲振 电磁场 输入 线性 滞后 灵敏度 误差因素 分辨力 稳定性 零漂 温漂 各种干扰稳定性 输出 供电 温度 重复性 静态特性 灵敏度分辨率线性度重复性迟滞稳定性漂移 1 线性度 线性度是用实测系统输入 输出特性曲线与其拟合直线之间的最大偏差 又称为非线性误差 通常用相对误差来表示 即 a 理论拟合 b 过零拟合 c 端点连线拟合 d 端点连线平移拟合 常用拟合方法 2 灵敏度 灵敏度 是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化 y和引起此变化的输入的变化量 x的比值 由多个环节组成的检测系统其灵敏度等于各环节的灵敏度之积 3 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时 所得特性曲线不一致性的程度 或 4 分辨率 分辨率 传感器的分辨率是指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量 有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示 5 稳定性 传感器的稳定性一般是指长期稳定性指在室温条件下 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 抗干扰稳定性 包括 温度稳定性 6 漂移 传感器的漂移是指在外界的干扰下 输出量发生与输入量无关的变化 包括零点漂移和灵敏度漂移等 零点漂移 灵敏度漂移 时间漂移 温度漂移 7 迟滞 回差滞环 现象 传感器在正向 输入量增大 和反向 输入量减小 行程期间 输入 输出特性曲线的不一致的程度 其大小是以满量程输出YFS的百分数表示 即 是正 反行程输出值间的最大差值 动态特性 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性 传感器的动态特性取决于 传感器本身被测量的变化形式 在动态的输入信号情况下 输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数 这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差 通常采用阶跃响应法和频率响应法分析传感器的动态误差 阶跃响应法从时域方面来分析传感器的瞬态响应特性 如 超调量 上升时间 响应时间 延滞时间等 阶跃响应特性 频率响应法 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性 传感器对正弦输入信号的响应特性 称为频率响应特性 频率响应法从频域方面采用正弦输入信号来分析传感器的频率响应特性 通常是先建立传感器的数学模型 通过拉氏变换找出传递函数表达式 再根据输入条件得到相应的频率特性 1 频带 传感器增益保持在一定值内的频率范围称为传感器的频带或通频带 对应有上 下截止频率 2 时间常数 用时间常数 来表征一阶传感器的动态特性 越小 频带越宽 3 固有频率 n 二阶传感器的固有频率 n表征了其动态特性 传感器频率响应特性指标 传感器的技术指标 基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标 传感器的正确选用 一 与测量条件有关的因素 二 与传感器有关的技术指标 三 与使用环境条件有关的因素 四 与购买和维修有关的因素 传感器的应用领域及其发展 一 应用领域 生产过程的测量与控制安全报警与环境保护自动化设备和机器人交通运输和资源探测医疗卫生和家用电器在航空航天 航海 二 发展方向 微型化智能化多功能化