第1章_传感器的基本知识

电压、电流、频率、电阻、电容、电感…… 这些量在电工、 电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。
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（3）传感器的输出量是某种物理量，一般为便于传输、 转换、处理、显示的电量（电压、电流、电阻、电 感…）； （4）传感器的输出输入有对应关系，且应有一定的精确 程度；
2.传感器的组成
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敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被 测量有确定关系、更易于转换的非电量。
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(2)迟滞(Hysteresis)
传感器在正(输入量增大)反（输入
y yFS
⊿Hmax
量减小）行程中输出输入曲线不重
合称为迟滞。迟滞特性如图所示，
它一般是由实验方法测得。迟滞误
差一般以满量程输出的百分数表示, 0
x
即
迟滞特性
eH
=
∆H max yF iS
×100%
式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。 迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表 示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号， 传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。
数据层 数据处理及数据库管理系统
综合数据库 管理软件
信息层 信息处理及应用系统
应用层
安全营运及预警报告系统软件 维护决策支持系统软件 健康状况评估专家系统软件
信息 统计 远程 状态 养护 费用 预警 灾害 查询 分析 管理 评估 决策 分析 预报 处理
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1.1 传感器的基本概念
1.1.1 传感器的定义与组成
输出为模拟量
输出为数字量
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1.1.3 传感器的物理定律 （1）守恒定律（能量、动量、电荷量等守恒定律） （2）场的定律（运动场的运动定律，电磁场的感应 定律等） （3）物质定律（如虎克定律、欧姆定律等） （4）统计法则
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1.2 传感器的基本特性
传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。
当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静 态特性；
0
xI
x
最小二乘拟合法
Δi=yi-(kxi+b)
最小二乘法拟合直线的原理就是使∑ ∆2i为最小值，即
n
n
2
∑
∆
2 i
=
∑
[y i
−
(kx i
+
b )]
= min
i =1
i =1
∑ ∆2i 对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式 22
∂ ∂k
∑ ∆2i
=
2∑ (yi
−
kxi
−
b)(−
xi
)
=
0
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研究传感器动态特性的方法及其指标
¾时域：瞬态响应法（Transient inputs） 输入信号：阶跃函数(step signal)、斜坡函数 (ramp signal)、脉冲函数(impulse signal) 指标：时间常数、上升时间、响应时间、超调量…
¾频域：频率响应法(Periodic inputs) 输入信号：正弦周期信号(sinusoidal signal)
1.定义：传感器(Transducer/Sensor)是能够感受规 定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号 的器件或装置。（国标GB7665—2005）
传感器定义有下述含义： （1）传感器是测量装置，能完成检测任务； （2）传感器的输入量是某一被测量; （3）传感器的输出信号是可用的;
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工业检测中涉及的物理量分类
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（4）灵敏度(Sensitivity)
传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量 x之比即 为其静态灵敏度，其表达式为
K=Δy/Δx
可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传 感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输 入量大小无关。
由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度 误差用相对误差表示，即
y = a0 + a1x + a2 x2 + a3 x3 + + an xn
式中，y——输出量；x——输入量； a0——零位输出；a1——传感器的线性灵敏度，常用K或S表示； a2，a3，…，an——非线性项的待定常数。
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(1)线性度(Linearity)
指传感器输出与输入之间的线性程度。 具有线性输出—输入关系的优点：
可大大简化传感器的理论分析和设计计算； 传感器的标定、数据处理很方便； 仪表刻度盘可均匀刻度，制作、安装、调试
容易；
避免了非线性补偿环节。
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传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。
理想的线性特性： y= a1x
静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以 说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希 望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或 软件补偿，进行线性化处理。
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当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮
转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。 弹簧管实物图
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弹簧管压力传感器的外形及内部结构
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1.1.2 传感器的分类
分类方法
传感器的种类
按输入量分类 按工作原理分类
按物理现象分类
位移传感器、温度传感 器、压力传感器、、、 应变式、电容式、电感 式、压电式、热电式、 结构型传感器
主讲：谭保华 Tel：136 0712 7131 Mail：tan_bh@
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第1章 传感器的基本知识
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人体与自动化测控系统的对应关系
“电五官”
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长江二桥现场 物理层 传感器及数据采集传输系统
环境载荷检测 车辆载荷检测 结构响应检测
数据采集及 通信软件
温度、风速风向、雨量等 车速、交通量、视频、称重等 张力、应变、线型、位移等
(6)漂移(Drift)
漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量 无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。
零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移(时漂)和温度漂移(温 漂)。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变 化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。
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1.2.2传感器的动态特性(Dynamic Characteristics)
通常用相对误差eL表示：
eL
=
±
∆ max yFS
×100%
Δmax一最大非线性误差； yFS—满量程输出。
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非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。 拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要 出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否 方便，计算是否简便。
对随时间变化的动态信号测量时，要求传感器能迅速准确地测 出信号幅值的大小和无失真地再现被测信号随时间变化的波形。 传感器的动态特性指传感器对随时间变化的输入信号的响应特性。 【例】将处于环境温度中（0℃） 的水银温度计快速地置于恒定30℃ 的水中时，观测水银柱的变化可 知，水银柱不是立即达到输入信号 的量值，而是经过了一定的时间延 迟t0。
外界影响 传感器 误差因素
温度 供电
输出
各种干扰稳定性 温漂 稳定性(零漂) 分辨力
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1.2.1传感器的静态特性
在输入量（被测量）处于稳定状态（常量，或变化极慢的量） 时传感器的输入/输出关系称为静态特性。静态特性的数学描述 就是传感器的静态模型。 在不考虑迟滞、蠕变和摩擦等外部因素的情况下，传感器的输 出与输入静特性可用多项式代数方程来表示：
∂ ∂b
∑
∆2i
=
2∑
(yi
−
kxi
−
b)(−1)
=
0
即得到k和b的表达式:
( ) ∑ ∑ ∑ n
k=
xi yi −
∑ ∑ n
x
2 i
−
xi yi xi 2
∑ ∑∑ ∑(∑ ∑) b =
xi2 yi − xi xi yi
n
x
2 i
−
xi 2
将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后
求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。
指标： 频带宽度
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1.传感器的动态数学模型：常系数线性微分方程
an
dn y(t) dt n
+
an−1
dn−1 y(t) dt n−1
+
+
a1
dy(t) dt
+a0y(t) Nhomakorabea=
bm
dm x(t) dt m
+
bm−1
d m −1 x(t ) dt m−1
+
+
b1
dx(t) dt
+
b0
x(t)
y——输出量； x——输入量； t——时间。
物性型传感器
按能量关系分类
能量转换型传感器 能量控制型传感器
按输出信号分类 模拟式传感器 数字式传感器
说明 传感器以被测物理量命名
传感器以工作原理命名
传感器依赖其结构参数变化 实现信息转换
传感器依赖其敏感元件物理 特性的变化实现信息转换
传感器直接将被测量的能量 转换为输出量的能量
由外部供给传感器能量，而 由被测量来控制输出的能量
es=(Δk/k)×100%
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(5)分辨力(Resolution)与阈值(threshold)
分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当 输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的 每个“阶梯”所代表的输入量的大小。
分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。 在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。