傳感器原理及應用課件：《傳感器原理及應用》PPT課件

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1、傳感器原理及應用,一、傳感器的概念 傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲等非電學量，并能把它們按照一定的規律轉換為電壓、電流等電學量，或轉換為電路的通斷把非電學量轉換為電學量以后，就可以很方便地進行測量、傳輸、處理和控制了,二、常用傳感器元器件工作原理 1光敏電阻：光敏電阻的材料是一種半導體，無光照時，載流子少，導電性能差；隨著光照的增強，載流子增多，導電性變 好. 光敏電阻能夠把 光照強弱 這個非電學量轉換為電阻這個電學量,2熱敏電阻和金屬熱電阻： 熱敏電阻分為負溫度系數(NTC)(電阻率隨溫度升高而減小) 和正溫度系數(PTC)(電阻率隨溫度升高而 增大) 兩種類型. 常

2、常用于溫控或報警裝置,金屬熱電阻的電阻率隨溫度的升高而增大， 用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻. 與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差常常用于制作溫度計,熱敏電阻或金屬熱電阻能夠把溫度這個熱學量轉換為電阻這個電學量,3霍爾元件：霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量,霍爾系數k=,d：沿磁場方向長度（常常被稱作霍耳材料厚度）,4應變式力傳感器：應變式力傳感器是由金屬梁和應變片組成的應變片是一種敏感元件彈簧鋼制成的梁形元件一端固定，在梁的上下表面各貼一個應變片，在梁的自由端施加向下的力F，則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻

3、變大，下表面的電阻變小.F越大，彎曲形變越大，應變片的電阻變化就越大如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上面應變片兩端的電壓變大，下面應變片兩端的電壓變小.傳感器把這兩個電壓的差值輸出力F越大，輸出的電壓差值也就越大. 應變片能夠把物體形變這個力學量轉換為電壓這個電學量,5干簧管：普通干簧管有兩個簧片，是用有彈性的軟磁性材料制成的，它們密封在玻璃管中，成為一組常開型觸點管中充入惰性氣體來防止觸點被氧化當磁體靠近(按一定方位)干簧管時，兩個簧片被磁化而接通 干簧管將磁場的變化轉換成電路的通斷.,6雙金屬片：雙金屬片巧妙地利用了不同金屬熱膨脹的差異把膨脹系數不同的兩種金屬片黏合在一起，常溫下是直

4、的，當加熱時，由于兩種金屬的膨脹程度不同，雙金屬片就會向膨脹程度小的金屬片那一側彎曲,7感溫鐵氧體：電飯鍋應用了一種特殊材料感溫鐵氧體是用氧化錳、氧化鋅和氧化鐵粉末混合燒結而成的，它的特點是：常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引，但是溫度上升到約103時，就失去了鐵磁性，不能被磁體吸引了這個溫度在物理學中稱為該材料的“居里溫度”或“居里點”,三、傳感器的分類 傳感器可以根據其利用的元器件進行分類，如電容式傳感器、電阻式傳感器、電感式傳感器等也可以按其轉換的信號來分類，一般可以分為：力電傳感器、熱電傳感器、聲電傳感器、光電傳感器等,1.聲傳感器應用話筒 如圖所示的是動圈式話筒的構造，是利用電磁感應現

5、象制成的,其工作原理是：當聲波使金屬膜片振動時，連接在膜片上的線圈(叫音圈)隨著一起振動音圈在永磁鐵的磁場中振動，其中就產生感應電流，感應電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化由聲波決定，這就將聲信號轉換成電信號，這個電信號經擴音器放大后傳給揚聲器，從揚聲器中就發出放大聲音,電容式話筒的工作原理如圖所示Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，被直流電源充電當聲波使膜片振動時，電容發生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規律相同的電壓,熱傳感器的應用電熨斗的結構和工作原理 電熨斗是利用雙金屬片溫度傳感器來控制電路的通斷的圖中雙金屬片上層金屬的膨脹系數大于下層

6、金屬常溫下，電熨斗的上下觸點應當是接觸的，當溫度達到設定溫度時，雙金屬片向下彎曲到一定程度，從而使觸點分離，使電熱絲停止加熱如果需要設定較高的溫度，應調節調溫旋鈕，使升降螺絲下降一些，可使在更高的溫度時，觸點再分離,光傳感器應用機械式鼠標,當鼠標器在桌面上移動時，滾球的運動通過滾軸帶動兩個碼盤轉動，紅外接收管就收到斷續的紅外線脈沖，輸出相應的電脈沖信號，計算機分別統計x ，y兩個方向的脈沖信號，處理后就使屏幕上的光標產生相應的位移。,電阻式加速度傳感器,1.(單選)關于傳感器，下列說法正確的是( ) A所有傳感器都是由半導體材料做成的 B金屬材料也可以制成傳感器 C干簧管是一種能夠感知電場的傳

7、感器 D傳感器一定是通過感知電壓的變化來傳遞信號的,練習題,解析：有些傳感器是利用半導體材料做成的，但有些不是，比如雙金屬片、電容式傳感器等等，A項錯誤；金屬導體的電阻隨溫度的升高而增加，利用這個特性可以制成溫度傳感器，B項正確；干簧管是能夠感知磁場的傳感器，C項錯誤；傳感器是將非電學量轉化為電學量的器件，不一定要感知電壓，D項錯誤,答案： B,2.(多選)有定值電阻、熱敏電阻、光敏電阻三只元件，將這三只元件分別接入如圖1034所示電路中的A、B兩點后，用黑紙包住元件或者把元件置入熱水中，觀察歐姆表的示數，下列說法中正確的是( ),圖1034,A置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數變化較大

8、，這只元件一定是熱敏電阻 B置入熱水中與不置入熱水中相比，歐姆表示數不變化，這只元件一定是定值電阻 C用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數變化較大，這只元件一定是光敏電阻 D用黑紙包住元件與不用黑紙包住元件相比，歐姆表示數相同，這只元件一定是定值電阻,答案：AC,解析：本題考查了熱敏電阻、光敏電阻、定值電阻的特性熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化，定值電阻和光敏電阻的阻值隨溫度變化不明顯；光敏電阻的阻值隨光照變化而變化，定值電阻和熱敏電阻的阻值不隨之變化,3.(單選)用遙控器調換電視機頻道的過程，實際上就是傳感器把光信號轉化為電信號的過程下列屬于這類傳感器的是( ) A紅外報警裝置 B

9、走廊照明燈的聲控開關 C自動洗衣機中的壓力傳感裝置 D電飯煲中控制加熱和保溫的溫控器,解析：紅外報警裝置正是把光信號轉化為電信號的器件,A,4：唱卡拉OK用的話筒，內有傳感器其中有一種是動圈式的，它的工作原理是在彈性膜片后面粘接一個輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場中，當聲波使膜片前后振動時，就將聲音信號轉變為電信號下列說法正確的是() A該傳感器是根據電流的磁效應工作的 B該傳感器是根據電磁感應原理工作的 C膜片振動時，穿過金屬線圈的磁通量不變 D膜片振動時，金屬線圈中不會產生感應電動勢,解析：由話筒的工作原理可知話筒的傳感器是根據電磁感應原理工作的，故B正確,答案：B,點評：聽筒與話筒的工作原理是不同的，要注意區分,例2：如圖是電熨斗的結構圖，下列說法正確的是(),A雙金屬片上層金屬的膨脹系數小于下層金屬 B常溫下，上下觸點接觸；溫度過高時，雙金屬片發生彎曲使上下觸點分離 C需要較高溫度熨燙時，要調節調溫旋鈕，使升降螺絲下移并推動彈性銅片下移 D雙金屬片溫度傳感器的作用是控制電路的通斷,解析：根據電熨斗的工作原理可知，A項錯誤，B項正確；溫度較高時，雙金屬片是向下移動的，所以需要較高溫度熨燙時，要調節調溫旋鈕，使升降螺絲下移并推動彈性銅片下移，C項正確；雙金屬片的作用是通過控制電路的通斷來控制溫度，D項正確綜述BCD項正確 答案：BCD,

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本課件為十二五職業教育國家規劃教材《傳感器原理及應用》（書號：ISBN 978-7-121--7  楊少春主編）的配套教學資源，我們制作了多媒體課件，并在本書的最后制作了傳感器綜合應用的一段視頻，由于時間緊迫，制作者水平有限，課件中難免有不足之處，懇請廣大讀者批評指正。
;傳感器原理及應用;目    錄;模塊一  傳感器的基本知識 ;認識傳感器;傳感器實物圖;自動門和自動水龍頭外形圖;一、傳感器的作用;安檢門演示;二、傳感技術的特點;3.可與計算機相連，進行數據的自動運算、分析和處理
 傳感器將非電物理量轉換成電信號后，通過接口電路變成計算機能夠處理的信號，進行自動運算、分析和處理。;三、傳感器的發展趨勢;3．向小型化、集成化方向發展
由于航空技術的發展，以及醫療器件和一些特殊場合的需要，傳感器必須向小型化、微型化方向發展，以便減小體積和質量。 ;6．傳感器的網絡化
 將傳感器和計算機與網絡技術有機結合，使傳感器成 為網 絡中的智能節點。這種努力使多個傳感器組成網絡直接通信，實現數據的實施發布、共享，以及網絡控制器對節點的控制操作。另外，通過Internet網，傳感器與用戶之間可異地交換信息，廠商能直接與異地用戶交流，能及時完成傳感器故障診斷，指導用戶維修或交換新儀器改進的數據，軟件升級等工作。另外，在微機電技術、自組織網絡技術、低功耗射頻通信技術及低功耗微型計算機技術的共同促進下，傳感器朝微型化和網絡化的方向迅速發展，產生了無線傳感器網絡。;四、傳感器需求與開發的重點方向;五、傳感器的定義與組成;根據以上定義可畫出傳感器的組成框圖，如圖1-1所示。;六、傳感器的分類與特點 ;2．按傳感器工作原理劃分
  這一種分類方法是以工作原理來劃分，將物理、化學、生物等學科的原理、規律和效應作為分類的依據，據此可將傳感器分為電阻式、電感式、電容式、阻抗式、磁電式、熱電式、壓電式、光電式、超聲式、微波式等類別。這種分類方法有利于傳感器的專業工作者從原理與設計上作歸納性的分析研究。 ;七、傳感器的基本特性;   常用的靜態性能指標包括靈敏度、精確度、測量范圍、量程、線性度及誤差等。;（2）線性度
  線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差，如圖1-2所示，即為在垂直方向上最大偏差|Δymax|與最大輸出ymax的百分比，圖中a0稱為零位輸出，即被測量為零時傳感器的指示值。;圖1-2  傳感器的線性度誤差 ;（3）重復性
重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續多次變動時所得到的特性曲線的不一致程度，如圖1-3所示，用公式表示為;（4）遲滯現象;（5）精確度
 傳感器的精確度是指傳感器的輸出指示值與被測量約定真值的一致程度，反映了傳感器測量結果的可靠程度。在工程應用中，為了簡單表示測量結果的可靠性程度，引入精確度這個等級概念，用A表示，它表示允許的最大絕對誤差與滿度量程的比值的百分數，即;（6）分辨力
傳感器的分辨力是在規定測量范圍內所能檢測的輸入量的最小變化量的能力。通常是以最小量程單位值表示。當被測量的變化值小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應。;（8）漂移
傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫度漂移為環境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。;2．傳感器的動態特性;     在動態測量中，當被測量作周期性變化時，傳感器的輸出值隨著周期性變化，其頻率與前者相同，但輸出幅值和相位隨頻率的變化而變化，這種關系稱為頻率特性。輸出信號的幅值隨頻率變化而改變的特性稱為幅頻特性；輸出信號的相位隨頻率的變化而改變的特性稱為相頻特性，幅值下降到穩定幅值的0.707倍時所對應的頻率稱為截止頻率。 ;     本模塊主要建立傳感器的基本概念，了解傳感器的組成框圖，首先對傳感器產生一個清醒的認識。對傳感器將非電量轉換成電信號的原理要弄懂，有些是直接將非電量轉換成電信號，而有的是經過中間的環節，對這些基本原理要了解，會分析傳感器組成的基本測量電路的特點。
接下來對傳感器按物理量來分類，主要是同學們在日常生活中經常接觸的物理量。另外，傳感器也可按工作原理來分類，各有所長。傳感器靜態特性是輸入信號不隨時間變化時的輸出與輸入之間的關系。傳感器的動態特性是輸入信號隨時間變化時的輸出與輸入之間的關系。同學們要重點理解靜態特性指標：靈敏度、線性度、重復性、遲滯現象、精確度、分辨力、穩定性和漂移。;模塊二  力敏傳感器及其應用 ;一、力敏傳感

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1、第1章 傳感器的特性,1.1 傳感器的組成及分類 1.2 傳感器的基本特性 思考題與習題 ,1.1 傳感器的組成及分類,1.1.1 傳感器的組成 傳感器的作用主要是感受和響應規定的被測量， 并按一定規律將其轉換成有用輸出， 特別是完成非電量到電量的轉換。傳感器的組成， 并無嚴格的規定。一般說來， 可以把傳感器看作由敏感元件（有時又稱為預變換器）和變換元件（有時又稱為變換器）兩部分組成， 見圖1.1。,圖1.1 傳感器的一般組成,1. 敏感元件 在具體實現非電量到電量間的變換時， 并非所有的非電量都能利用現有的技術手段直接變換為電量， 而必須進行預變換， 即先將待測的非電量變為易于轉換成電量的另

2、一種非電量。這種能完成預變換的器件稱之為敏感元件。 2. 變換器 能將感受到的非電量變換為電量的器件稱為變換器。例如，可以將位移量直接變換為電容、 電阻及電感的電容變換器、 電阻及電感變換器； 能直接把溫度變換為電勢的熱電偶變換器。顯然，變換器是傳感器不可缺少的重要組成部分。,在實際情況中,由于有一些敏感元件直接就可以輸出變換后的電信號,而一些傳感器又不包括敏感元件在內,故常常無法將敏感元件與變換器嚴格加以區別。 如果把傳感器看作一個二端口網絡,則其輸入信號主要是被測的物理量（如長度、力）等時,必然還會有一些難以避免的干擾信號（如溫度、電磁信號）等混入。嚴格地說,傳感器的輸出信號可能為上述各種

3、輸入信號的復雜函數。就傳感器設計來說,希望盡可能做到輸出信號僅僅是（或分別是）某一被測信號的確定性單值函數,且最好呈線性關系。對使用者來說,則要選擇合適的傳感器及相應的電路,保證整個測量設備的輸出信號能惟一、正確地反映某一被測量的大小,而對其它干擾信號能加以抑制或對不良影響能設法加以修正。,傳感器可以做得很簡單,也可以做得很復雜；可以是無源的網絡,也可以是有源的系統；可以是帶反饋的閉環系統,也可以是不帶反饋的開環系統；一般情況下只具有變換的功能,但也可能包含變換后信號的處理及傳輸電路甚至包括微處理器CPU。因此,傳感器的組成將隨不同情況而異。 1.1.2 傳感器的分類 傳感器的分類方法很多,國

4、內外尚無統一的分類方法。一般按如下幾種方法進行分類。 1. 按輸入被測量分類 這種方法是根據輸入物理量的性質進行分類。表1.1給出了傳感器輸入的基本被測量和由此派生的其它量。,表1.1 傳感器輸入被測量,2. 按工作原理分類 這種分類方法以傳感器的工作原理作為分類依據,見表1.2。,表1.2 傳感器按工作原理的分類,3. 按輸出信號形式分類 這種分類方法是根據傳感器輸出信號的不同來進行分類,見表1.3。,表1.3 傳感器按輸出信號形式的分類,1.2 傳感器的基本特性,1.2.1 靜態特性 指當被測量的各個值處于穩定狀態(靜態測量)時，傳感器的輸 出值與輸入值之間關系的數學表達式、曲線或數表。借

5、助實驗 的方法確定傳感器靜態特性的過程稱為靜態校準。校準得到的 靜態特性稱為校準特性。在校準使用了規范的程序和儀器后,工 程上常將獲得的校準曲線看作該傳感器的實際特性。 1.線性度 人們為了標定和數據處理的方便, 總是希望傳感器的輸出與輸 入關系呈線性,并能準確無誤地反映被測量的真值,但實際上這往 往是不可能的。 假設傳感器沒有遲滯和蠕變效應,其靜態特性可用下列多項式 來描述：,式中： x輸入量； y輸出量； a0零位輸出； a1傳感器的靈敏度,常用k表示； a2,a3,an非線性項的待定常數。 式(1.1)即為傳感器靜態特性的數學模型。該多項式可能有四種情況,如圖1.2所示。,(1.1),圖

6、1.2 傳感器靜態特性曲線,設ai0, a00。 1) 理想線性 這種情況見圖1.2(a)。此時 a0=a2=a3==an=0 于是 y=a1x (1.2) 因為直線上任何點的斜率都相等,所以傳感器的靈敏度為 a1==k=常數（1.3）,2) 輸出-輸入特性曲線關于原點對稱 這種情況見圖1.2（b）。此時,在原點附近相當范圍內曲線基本成線性,式（1.1）只存在奇次項： y=a1x+a3 x3 +a5x5+ (1.4) 3) 輸出-輸入特性曲線不對稱 這時,式（1.1）中非線性項只是偶次項,即 y=a1x+a2x2 +a4x4 + (1.5) 對應曲線如圖1.2（c）所示。,4） 普遍情況

7、普遍情況下的表達式就是式（1.1）,對應的曲線如圖1.2(d)所示。 當傳感器特性出現如圖1.2中(b)、（c）、（d）所示的非線性情況時,就必須采取線性化補償措施。 實際運用時,傳感器數學模型的建立究竟應取幾階多項式,是一個數據處理問題。建立數學模型的古典方法是分析法。該法太復雜,有時甚至難以進行。利用校準數據來建立數學模型,是目前普遍采用的一種方法,它很受人們重視,并得到了發展。,傳感器的靜態特性就是在靜態標準條件下,利用校準數據確立的。 靜態標準條件是指沒有加速度、振動和沖擊(除非這些參數本身就是被測物理量),環境溫度一般為室溫205, 相對溫度不大于85%,大氣壓力為0.1 MPa的情

8、況。在這樣的標準工作狀態下,利用一定等級的校準設備,對傳感器進行往復循環測試,得到的輸出-輸入數據一般用表格列出或畫成曲線。 通常,測出的輸出-輸入校準曲線與某一選定擬合直線不吻合的程度,稱之為傳感器的“非線性誤差”,或稱為“線性度”.用相對誤差表示其大小,即傳感器的正、反行程平均校準曲線與擬合直線之間的最大偏差絕對值對滿量程（F.S.）輸出之比（%）： |（yL）max L=100% yF.S,式中： L非線性誤差（線性度）； |（yL）max|輸出平均值與擬合直線間的最大偏差絕對值； yF.S 滿量程輸出。F.S.是英文full scale（滿量程）的縮寫。 滿量程輸出用測量上限標稱值

9、yH與測量下限標稱值yL之差的絕對值表示,即 yF.S.=|yH-yL| 顯而易見,非線性誤差的大小是以一定的擬合直線作為基準直線而算出來的。基準直線不同,得出的線性度也不同。傳感器在實際校準時所得的校準數據,總包括各種誤差在內。所以,一般并不要求擬合直線必須通過所有的測試點,而只要找到一條能反映校準數據的趨勢同時又使誤差絕對值為最小的直線就行。,需要注意的是,由于采用的擬合直線即理論直線不同,線性度的結果就有差異。因此,即使在同一條件下對同一傳感器作校準實驗時,得出的非線性誤差L也就不一樣,因而在給出線性度時,必須說明其所依據的擬合直線。 一般而言,這些擬合直線包括理論直線、端點連線、最小二

10、乘擬合直線、最佳直線等。與之對應的有理論線性度、端點連線線性度、最小二乘線性度、獨立線性度等。（1）理論直線。如圖1.3(a)所示,理論直線以傳感器的理論特性直線（圖示對角線）作為擬合直線,它與實際測試值無關。其優點是簡單、方便,但通常（yL）max很大。,圖1.3 幾種不同的擬合直線 （a） 理論直線；(b) 端點連線；,（2）端點連線。如圖1.3(b)所示,它是以傳感器校準曲線兩端點間的連線作為擬合直線。其方程式為 y=b+kx 式中b和k分別為截距和斜率。這種方法方便、直觀,但（yL）max也很大。 （3）最小二乘擬合直線。這種方法按最小二乘原理求取擬合直線,該直線能保證傳感器校準數據的

11、殘差平方和最小。如圖1.3(c)所示,若用y=kx+b表示最小二乘擬合直線,式中的系數b和k可根據下述分析求得。 設實際校準測試點有n個,則第i個校準數據yi與擬合直線上相應值之間的殘差為 i=yi-(b+kxi),圖1.3 幾種不同的擬合直線 (c) 最小二乘擬合直線；(d) “最佳直線”,按最小二乘法原理,應使 最小。故由 ,分別對k和b求一階偏導數并令其等于零，即可求得k和b：,式中:,在獲得了k和b之值以后代入y=kx+b,即可得擬合直線,然后按i=yi-(kx+b)求出殘差的最大值（yL）max,就求出了非線性誤差。 注：最小二乘法的擬合精度很高,但校準曲線相對擬合直線的最大偏差絕對

12、值并不一定最小,最大正、負偏差的絕對值也不一定相等。 （4）“最佳直線”。這種方法以“最佳直線”作為擬合直線,該直線能保證傳感器正、反行程校準曲線對它的正、負偏差相等并且最小,如圖1.3(d)所示。由此所得的線性度稱為“獨立線性度”。顯然,這種方法的擬合精度最高。通常情況下,“最佳直線”只能用圖解法或通過計算機解算來獲得。,2. 重復性 重復性表示傳感器在同一工作條件下,被測輸入量按同一方向做全程連續多次重復測量時,所得輸出值（所得校準曲線）的一致程度。它是反映傳感器精密度的一個指標。 通常用下式計算重復性： 式中,YF.S. 為理論滿量程輸出值,其計算式為,（1.7）,式中： x1對應于測量

13、下限的輸入值； xm對應于測量上限的輸入值； k理論特性直線的斜率。 式（1.7）中稱置信系數，通常取2或3。子樣標準偏差S可通過貝塞爾公式或極差公式估算，即 ,而,式中： m測量范圍內不考慮重復測量的測試點數； j=1, 2, , m; n 重復測量次數； yji的含義是,若輸入值x=xj,則在相同條件下進行n次重復試驗,獲得n個輸出值yj1yjn； i 重復測量序數； 算術平均值。 或 (子樣標準偏差) (1.9),式中： Wn極差,是指某一測量點校準數據的最大值與最小值之差； dn極差系數。 極差系數可根據所用數據的數目n由表1.4查得。理論與實踐證明,n不能太大,如n大于12,則計算精

14、度變差,這時要修正dn 。 表1.4 極差系數與測量次數的對應關系,3. 遲滯 遲滯表明傳感器在正（輸入量增大）、反（輸入量減小）行程期間,輸出-輸入曲線不重合的程度。也就是說,對應于同一大小的輸入信號,傳感器正、反行程的輸出信號大小不相等。遲滯是傳感器的一個性能指標,它反映了傳感器的機械部分和結構材料方面不可避免的弱點,如軸承摩擦、灰塵積塞、間隙不適當,元件磨蝕、碎裂等。遲滯的大小一般由實驗確定：,(1.10),式中： （yH）max輸出值在正、反行程間的最大差值； YF.S.理論滿量程輸出值。 4. 精度（精確度） 精度是反映系統誤差和隨機誤差的綜合誤差指標。 一般用方和根法或代數和法計算

15、精度。用重復性、線性度、遲滯三項的方和根或簡單代數和表示（但方和根用得較多）的精度計算式如下： (1.11a) 或=L+R+H (1.11b),當一個傳感器或傳感器測量系統設計完成,并進行實際定標以后,人們有時又以工業上儀表精度的定義給出其精度。它是以測量范圍中最大的絕對誤差（測量值與真實值的差和該儀表的測量范圍之比）來測量,這種比值稱為相對（于滿量程的）百分誤差。例如,某溫度傳感器的刻度為0100,即其測量范圍為100。若在這個測量范圍內,最大測量誤差不超過0.5,則其相對百分誤差為=0.5/100=0.5% 去掉上式中相對百分誤差的“%”,稱為儀表的精確度。它劃分成若干等級,如0.1級

16、,0.2級,0.5級,1.0級,等等.例中的溫度傳感器的精度即為0.5級。,5. 靈敏度 靈敏度是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比,用k來表示。 線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率,即 k=(y/x) 非線性傳感器的靈敏度不是常數,其表示式為 靈敏度用輸出、輸入量之比表示。例如,某位移傳感器在位移變化1mm時,輸出電壓變化有300mV,則其靈敏度為300 mVmm。,有些情況下,靈敏度有另一種含義,因為有許多傳感器的輸出電壓與其電源電壓有關,在同樣輸入量情況下,輸出電壓是不同的,這時,靈敏度計算中還要考慮單位電源的作用。如若電源電壓為10 V,上例位移傳感器的靈敏度應為30 mV(mm

17、V)。 6. 閾值、分辨力 當一個傳感器的輸入從零開始極緩慢地增加時,只有在達到了某一最小值后才測得出輸出變化,這個最小值就稱為傳感器的閾值。在規定閾值時,最先可測得的那個輸出變化往往難以確定。因此,為了改進閾值數據測定的重復性,最好給輸出變化規定一個確定的數值,在該輸出變化值下的相應輸入就稱為閾值。,分辨力是指當一個傳感器的輸入從非零的任意值緩慢地增加時,只有在超過某一輸入增量后輸出才顯示有變化,這個輸入增量稱為傳感器的分辨力。有時用該值相對滿量程輸入值百分數表示,則稱為分辨率。 注：閾值說明了傳感器的最小可測出的輸入量。 分辨力說明了傳感器的最小可測出的輸入變量。,7. 時間漂移、零點和靈

18、敏度溫度漂移 漂移量的大小是表征傳感器穩定性的重要性能指標。傳感器的漂移有時會致使整個測量或控制系統處于癱瘓。圖1.4示出了零點和靈敏度兩種漂移的疊加。時間漂移通常是指傳感器零位隨時間變化的大小。 國內外對漂移指標尚無統一規定,一般常用的計算公式如下。 時間漂移：,(1.12),圖1.4 零點與靈敏度漂移,式中：y0穩定t小時后的傳感器的零位輸出值 （注意,穩定時間可規定為大于t小時的任意值）； y0傳感器原先的零位輸出值； yF.S.滿量程輸出值。 零點溫度漂移： 靈敏度溫度漂移：,（1.13）,（1.14）,1.2.2 動態特性 1. 時域性能指標 某傳感器的幅頻特性曲線如圖1.5所示,當

19、被測信號變化的頻率小于1時，該傳感器的輸出不受被測信號的影響,能正確地反映被測信號。 通常在階躍函數作用下測定傳感器動態性能的時域指標。一般認為,階躍輸入對一個傳感器來說是最嚴峻的工作狀態。如果在階躍函數的作用下,傳感器能滿足動態性能指標,那么,在其它函數作用下,其動態性能指標也必定會令人滿意。在理想情況下,階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲線形狀是沒有影響的。但在實際做過渡過程實驗時,應保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內。圖1.6所示即為單位階躍作用下傳感器的動態特性。,圖1.5 幅頻特性曲線,圖1.6 單位階躍作用下傳感器的動態特性,一個正式的傳感器產品在出廠時要標定它的指標。在標

20、定壓力傳感器的時域性能指標時,常用激波管與瞬態示波器（或記錄儀）作動態壓力標定設備。 通常用下述四個指標來表示傳感器的動態性能： 時間常數T： 輸出值上升到穩定值y()的63%所需的時間。 上升時間tr： 輸出值從穩態值y()的10%上升到90%所需的時間。 響應時間t5、t2： 輸出值達到穩態值的95%或98%所需的時間。, 超調量：在過渡過程中,若輸出量的最大值y(tp)y(),則響應無超調；若y(tp)y(),則有超調,且 輸出量y(t)跟隨輸入量的時間快慢,是標定傳感器動態性能的重要指標。確定這些性能指標的分析表達式以及技術指標的計算方法,因不同階次（如一階、二階或高階次）傳感器的動態

21、數學模型而異。具體計算方法可參閱自動控制原理方面的有關書籍。,2. 頻域性能指標 通常在正弦函數作用下測定傳感器動態性能的頻域指標。在標定壓力傳感器的頻域性能指標時,常采用正弦波壓力信號發生器。如圖1.7中所示,頻域常有如下指標： 通頻帶b： 對數幅頻特性曲線上幅值衰減3 dB時所對應的頻率范圍。 工作頻帶g1或g2：幅值誤差為5%或10%時所對應的頻率范圍。 相位誤差： 在工作頻帶范圍內相角應小于5或10,即為相位誤差的大小。,圖1.7 正弦壓力作用于傳感器的頻域特性,思考題與習題,1. 傳感器的輸出-輸入校準曲線是在什么條件下得到和建立的? 2. 傳感器的靜態、動態特性區別何在？衡量傳感器的靜態、動態特性的主要指標有哪些？簡述其含義。,

傳感器原理及應用課件：傳感器原理及應用電子課件ppt

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《傳感器原理、設計與應用》（第三版）
　劉迎春　葉湘濱　編箸
　國防科技大學出版社
《傳感器原理與應用技術》
  劉愛華，滿寶元編著
 人民郵電出版社,2006年

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