传感器0
第三章 传感器的静态特性和动态特性讲解
例1：一阶传感器的频率响应，系统输入量(压力) F 为F(t)= b0 x(t )，输出 量为位移y( t )，不考虑运动。
解：①列出微分方程
a1
dy dt
a0
y
b0
x
②作拉普-拉斯变换
Y (S )(a1S a0 ) b0 X (S )
③令H(S )中的S =jω,即σ= 0
H ( j ) Y (S ) b0 X (S ) ja1 a0
ΔLj=(b+kxj)-yj
均方差函数为： 取其极小值，有：
4）总精度 系统的总精度由其量程范围内的基本误差与满度值Y(FS)之
比的百分数表示。基本误差由系统误差与随机误差两部分组成， 迟滞与线性度所表示的误差为系统误差，重复性所表示的误差 为随机误差。
总精度一般可用方和根来表示，有时也可用代数和表示。
统示值范围上、下限之差的模。当输入量在量程范围以内 时，系统正常工作并保证预定的性能。
对于4-20mA标准信号，零位值 yo＝so＝4mA，上限值 yfs＝20mA，量 程 y(FS)＝16mA。
3）灵敏度 S 输出增量与输入增量的比值。即
① 纯线性传感器灵敏度为常数：S=a1。
② 非线性传感器灵敏度S与x有关。
4）分辨率
在规定的测量范围内，传感器所能检测出输入量 的最小变化值。有时用相对与输入的满量程的相对 值表示。即
2、静态特性的性能指标
1） 迟滞现象（回差EH ）
回差EH 反映了传感器的输 入量在正向行程和反向行程全 量程多次测试时，所得到的特 性曲线的不重合程度。
2） 重复性 Ex （不重复性） 重复性 Ex 反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全
测力传感器输出信号
Forsentek Co., Limited 福森泰科傳感測控有限公司
测力传感器输出信号
考虑到灵敏度一般在1.0~2.0mV/V，供电电压在3~15V，传感器的输出信号范围在0~30mV之间，在误差范围内，输出信号与所受的力成正比。
通过内置或外接放大器，传感器可以输出-5~5V，0~3.3V，0~5V，0~10V，0~20Ma，4~20mA等标准信号。
传感器放大器FAM
灵敏度系数（额定输出）
定义----传感器在满量程负载时的输出，一般表示为mV/V
灵敏度范围----一般灵敏度都是以范围标注的，如1.0±10%mV/V或2.0±10%mV/V。
这是因为即使两只相同型号且相同量程的传感器灵敏度也是不同的，如
0.9887mV/V，0.9902mV/V，1.0026mV/V。
这里可以理解为“不存在两个完全相同的东西”。
因为灵敏度的差异，即使同款传感器之间的更换也是需要重新标定的
不同量程的同一款传感器灵敏度是相近的，比如传感器FC10-5kg和FC10-10kg，其灵敏度系数都是1.0±10%mV/V，结合上面的传感器输出信号公式，在供电电压，和力相同的情况下，5kg传感器的输出信号是10kg传感器的（差不多）2倍；同样测量5kg的力，FC10-5kg精度要比FC10-10kg号。
拉力机校正
拉力机校准打开TM2101拉力机软件，点设置→联机→COM1，再点设置→校准→输入密码rixine 进入校准，点击菜单“设置” “校准”，或者按住组合键Ctrl+Shift+C（3.5快捷键一览），即可进入校准密码输入界面，如图5所示：输入正确的密码后，即可进入校准界面，如图6所示：图5图6校准界面有力传感器、行程传感器、橡胶伸长计、金属引伸计和系统设置五个选项卡，选择各个选项卡分别进行对应传感器的校准或设置。
1、校准力传感器选择力传感器选项卡，如图6所示。
左侧显示的力传感器通道共有四个：“50kg”、“0.0kg”、“0.0kg”、“0.0kg”。
校准过程如下：1. 插上欲校准的力传感器，如量程为50kg的力传感器，在左侧选中一个力传感器通道；2. 在“量程”输入框输入传感器的量程，如“50”kg；3. 在“零值”输入框输入传感器的零值力，一般输入“0”；4. 点击“清空”按钮将校准表清空；5. 校准第1点：将传感器空载，并在“标准砝码值”右侧的输入框输入“0”kg，再点击“取点”按钮，则第1点的AD值和标准砝码值被取入校准表；6. 校准第2点：将传感器加载一定值的负荷，如挂上5kg的砝码，并在“标准砝码值”右侧的输入框输入负荷值“5”kg，再点击“取点”按钮，则第2点的AD值和标准砝码值被取入校准表；7. 校准第3点：方法同第2点，如果继续校准第3点，则“AD值”和“标准砝码值”均只能比第2点更大，否则校准会不准确；8. 校准第4点：方法同第2点，如果继续校准第4点，则“AD值”和“标准砝码值”均只能比第3点更大，否则校准会不准确；9. 校准第5点：方法同第2点，如果继续校准第5点，则“AD值”和“标准砝码值”均只能比第4点更大，否则校准会不准确；10. 校准第6点：方法同第2点，如果继续校准第6点，则“AD值”和“标准砝码值”均只能比第5点更大，否则校准会不准确；11.点击“将校准数据写入采集卡”按钮，如果提示“写入成功”，则完成一个力传感器的校准，如果提示“写入失败”，请再重试几次。
1 传感器的基础知识-半导体传感器原理与应用-李新-清华大学出版社
线性模型： y=a0+a1x或y=ax ➢ 动态模型（输入信号随时间变化）： 微分方程
and n y / dtn a1dy / dt a0 y bmd mx / dtm b1dx / dt b0x c
当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，可得
1、传感器的基础知识
取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制， 有时也可以对外界条件加以限制。
冲振
外界影响
温度
电磁场
电源
输入
输出
Sensor
线性 迟滞 重复性
温漂 稳定性（零漂） 灵敏度
衡量传感器特性的主要技术指标
传感器的输入-输出关系
1、传感器的基本特性
➢ 传感器的数学模型 指传感器的输入输出关系。 ➢ 传感器的静态模型（输入信号不随时间变化）：
➢最小二乘法线性度
设拟合直线方程： y=kx+b
y
yi
若实际校准测试点有n个，则第i个校准
数据与拟合直线上响应值之间的残差为 0
Δi=yi-(kxi+b)
y=kx+b
xI
x
最小二乘拟合法
最小二乘法拟合直线的原理就是使 2i 为最小值，即
n
n
2
2i yi kxi b min
i 1
i 1
2i 对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式
规定工作条件下，环境温度每变化1℃，零点输出变化（灵敏度变化） 与满量程输出（灵敏度）之比，称为零点温漂（灵敏度温漂）。
➢ 精度 表征测试系统的测量结果与被测量真值的符合程度。
方和根表示法：
工业传感器精确度等级计算
工业传感器精确度等级计算
1.级别0：级别0的传感器精确度最高，误差范围通常在0.1%以内。
这种传感器通常采用最先进的测量原理和制造工艺，用于对测量结果要求
非常高的应用领域，如科学研究、精密制造等。
2.级别1：级别1的传感器精确度较高，误差范围通常在0.1%-0.5%
之间。
这种传感器通常采用较先进的测量原理和制造工艺，适用于大多数
工业应用领域。
3.级别2：级别2的传感器精确度较低，误差范围通常在0.5%-1%之间。
这种传感器通常采用较简单的测量原理和制造工艺，适用于对测量结
果要求不是很高的应用领域。
在确定一个传感器的精确度等级时，需要考虑多种因素。
首先是测量
原理，不同的测量原理对传感器的精确度会有不同的影响。
其次是传感器
的结构和制造工艺，制造工艺越精良，对传感器的精确度要求越高。
此外，环境因素如温度、湿度、振动等也会对传感器的精确度产生影响。
为了保证传感器的精确度，需要进行严格的质量检验和校准。
质量检
验通常包括外观检查、性能测试等，校准则是通过与已知标准进行比较，
调整传感器的输出结果以使其更接近真实值。
总之，工业传感器的精确度等级是评估传感器测量结果准确性的重要
指标。
选择合适的精确度等级可以满足不同应用领域对测量精度的要求，
并提高生产过程的可靠性和效率。
国IV故障代码表
108
大气压力传感器信号过低
P2227
15
2
108
大气压力不可信
P0607
3
11
520204
CPU故障；看门狗IC故障
P0073
16
3
171
大气温度传感器信号过高
P0072
16
4
171
大气温度传感器信号过低
P1378
26
/
/
系统电压过低
P1379
26
/
/
系统电压过高
P0643
26
3
520244
ECU内部5V电源模块1输出电压过高
14
4
174
燃油温度传感器信号过低
冷却液温度传感器
P0118
11
3
110
冷却液温度传感器信号过高
P0117
11
4
110
冷却液温度传感器信号过低
P0217
6
15
110
冷却液温度超上限
P0116
11
2
110
冷却液温度信号不可信
P2560
6
/
/
冷却强度过低
怠速开关
P1143
44
/
/
怠速开关信号过高
P1142
44
/
/
怠速开关信号过低
油水分离传感器
P2269
18
11
520264
油水分离传感器失效
加热继电器
P0659
/
3
520196
加热继电器0对电源短路
P2671
/
3
520259
加热继电器1对电源短路
传感器及基本特性
H max H max 100%或者 H 100% YF .S 2YF .S
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24
重复性 是指在同一工作条件下，输入量按同一方向连续变动多 次所得特性曲线的不一致性。
Rmax R 100% YF .S
△Rmax—同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的 极差。
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一阶传递函数的频率特性
35
n n1 m m1
(an D an1D a1D a0 )Y (t) (bm D bm1D b1D b0 ) X (t)
利用拉氏变换得到
(an S n an1S n1 a1S a0 )Y (S ) (bm S m bm1S m1 b1S b0 ) X (S )
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30
二阶传感器的数学模型
d 2Y (t ) dY (t ) a2 a a 0Y (t ) b0 X (t ) 1 2 dt dt 用算子D来表示为： ( D2
0
2
2
0
D 1)Y(t) KX(t )
b0 K－－静态灵敏系数， K ； a0
0－－无阻尼系统固有频 率， 0 －－阻尼比，
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10
分压比电路的计算公式如下：
直滑电位器式传感器的 输出电压 Uo与滑动触点 C的位 移量x成正比：
x Uo Ui L
对圆盘式电位器来说，Uo 与滑动臂的旋转角度成正比：
Uo
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360
Ui
11
2、传感器分类
传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常 用的分类方法有： １）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转 速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等 传感器。 2 ）按测量原理分类：主要基于电磁原理和固体 物理学原理，如基于变电阻原理，相应的有电位 器式、应变式传感器；基于变磁阻的原理，相应 的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器； 根据半导体的有关理论，相应的有半导体力敏、 热敏、光敏等固态传感器。 本教材采用第二种分 类法。
传感器PPT.
1.2.1
1.2.2
传感器的定义
传感器的组成
1.2.3
传感器的分类
1
1.2.1 传感器的定义
将被测非电量信号转换为与之 有确定对应关系电量输出的器件或 装置叫做传感器，也叫变换器、换 能器或探测器。
2
1.2.2
被测非电量
传感器的组成
有用非电量 有用电 量
敏感元件
传感元件
4
4
1.2.2
传感元件
传感器的组成
敏感元件
应变片电阻改变
膜片形变（应变）
压 力 作 用
应变式压力传感器
5
1.2.3
传感器的分类
1．按工作机理分类：根据物理和化学等学科的 原理、规律和效应进行分类
2．按被测量分类：根据输入物理量的性质进 行分类。 3．按敏感材料分类：根据制造传感器所使用 的材料进行分类。可分为半导体传感器、
若传感器由p个环节并联而成
x
H1 S
H 2 S
y
Hp S
则：H S H1 S H2 S H p S
（ 1 6）
1.4 1.4.1
传感器的基本特性
7
1.2.3
传感器的分类
4. 按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将
传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。
有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为
能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电
压测量电路和放大器。
如:压电式、热电式、电磁式等。
8
1.2.3
传感器的分类
无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电 量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以 必须具有辅助能源(电能)。
温度传感器探头(pt100,pt1000)
不同直径保护管的热响应时间（材质为不锈钢，水流速度为1m/s,测试数据为参考值）
表6
保护管直径 mm
热响应时间 s （τ0.5）
保护管直径 mm
热响应时间s （τ0.5）
2
≤2
6
≤15
3
≤3
8
≤30
4
≤5
10
≤30
5
≤8
12
≤30
绝缘电阻 常温绝缘电阻的试验电压可取直流10～100V任意值，环境温度在15～35℃范围内，相对湿度应不大于80%，
螺纹规格
指定
S□ 1=SUS321 4=SUS304 6=SUS316 指定
螺纹部分材质
Y□ 1=1000 2=2000 指定
引线长度(mm)
E□ 2=两线 3=三线 4=四线
引线线制
1=聚氯乙烯 PVC（-20～80℃）
引线材质
F□
2=聚氨酯 TPU （-50～100℃） 3=特氟龙 （-50～250℃）
型号
技
术参数
外 形 结 构 示意图
1. 铂电阻：Pt100、Pt500、Pt1000
测温范围：（-80～500）℃
WZP-R
2. 常用精度： A 级：±（0.15+0.002|t|）℃ B 级：±（0.30+0.005|t|）℃
|t|---实测温度的绝对值
3. 常压，对于存在压力的工况，请注明压力大小
铂热电阻型号 传感器类型 温度范围(℃) 传感器精度 保护管长度(mm) 保护管直径(mm) 保护管材质 引线长度(mm) 引线线制
引线材质 括号内为引线常用温 度范围
指定
H□
0=均无,可不填 1=均有
Pt100温度传感器详解
Pt100就是说它的阻值在0度时为100欧姆，PT100温度传感器。
是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT)Pt100温度传感器的主要技术参数如下：测量范围：-200℃～+850℃；允许偏差值△℃：A级±（0.15＋0.002│t│），B 级±（0.30＋0.005│t│）；热响应时间<30s；最小置入深度：热电阻的最小置入深度≥200mm；允通电流≤5mA。
另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
PT100温度传感器三根芯线的接法：PT100铂电阻传感器有三条引线,可用A、B、C（或黑、红、黄）来代表三根线,三根线之间有如下规律：A与B或C之间的阻值常温下在110欧左右,B与C之间为0欧,B与C在内部是直通的,原则上B与C没什么区别。
仪表上接传感器的固定端子有三个：A线接在仪表上接传感器的一个固定的端子.B和C接在仪表上的另外两个固定端子，B和C线的位置可以互换,但都得接上。
如果中间接有加长线,三条导线的规格和长度要相同。
热电阻的3线和4线接法：是采用2线、3线、4线，主要由使（选）用的二次仪表来决定。
一般显示仪表提供三线接法，PT100一端出一颗线，另一端出两颗线，都接仪表，仪表内部通过桥抵消导线电阻。
一般PLC为四线，每端出两颗线，两颗接PLC输出恒流源，PLC通过另两颗测量PT100上的电压，也是为了抵消导线电阻，四线精确度最高，三线也可以，两线最低，具体用法要考虑精度要求和成本。
PT100温度传感器产品特征：1、不锈钢套管封装，经久耐用；2、活动螺丝固定，使用方便；3、按照国际IEC751国际标准制造，即插即用；4、多种探头尺寸可选、适应面广；5、高精度、高稳定、高灵敏；6、外形小巧，经济实用。
特性指标：●测温范围:-200-400℃●探头长度:5cm/10cm/15cm/20cm●探头直径:Φ5mm●电阻变化:0.3851Ω/℃●安装方式:活动螺丝固定●螺丝规格:M8*1.0●引线长度:一般2米，可订制长度（专用引线）●引线接法:三线式●接线方式:接线叉●套管材质:不锈钢●传感器件:PT（铂）PT100温度传感器采用三线式接法的原因：PT100温度传感器0℃时电阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。
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判断题
1 热电阻式传感器是热敏传感器的一种。
2 光栅传感器系统中不含有光栅副。
3 超声波是人耳听不到的一种机械波其频率在20KHZ以下。
4 信号放大电路是传感器信号调理最常用电路。
5 在检测系统中，噪声不分内部噪声和外部噪声。
6 弹性力传感器不能用于压力测量。
7 编码器是传感器的一种。
8 传感器信号调理电路是传感器与A/D,D/A之间的桥梁。
9 测量仪器由信号检出器构成。
10 传感器的线性是指其输入量与输出量之间的静态曲线偏离直线的程度。
11 电阻应变式传感器不能测量位移，力。
加速度等参数。
12 电磁式传感器是利用被测量变化引起线圈自感或互感系数变化来实现测量的。
13 压电式传感器是一种发电型传感器。
14 传感器处于研究对象与检测系统的接位置。
15 粗大误差的主要原因不是人为因素造成的。
16 在检测系统中噪声不分内部噪声和外部噪声。
17 霍尔式传感器不是一种磁敏传感器。
18 噪声引起的干扰必须通过一定的耦合通道实现。
19 信息技术包括通信技术，检测技术，计算机技术和自动控制技术。
20 霍尔传感器是一种四编型器传。
简答：
1.简述霍尔效应的物理本质？霍尔元件可测量哪些物理量？
在置于磁场中的导体或半导体里通入电流，若电流与磁场垂直，则在与电流与磁场都垂直的方向上回出现一个电势差，这种现象称为霍尔效应。
检测磁场磁感应强度，物体运动速度，调节工作磁场，检测铁磁物体，检测工件缺口，直流无刷电机。
1.什么是仿生传感器？仿生传感器主要有哪些/
利用仿生技术开发出来的传感器叫做仿生传感器
酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器等。
2.简述检测系统的干扰元素？
3.码盘式编码器主要有几种？各有哪些特点？
接触式编码器，光电式编码器，电磁式编码器
1接触式编码器的分辨率受电刷的限制，不可能很高
2光电式编码器的测量精度和分辨率达到很高水平，另外，它是非接触测量，允许高速转动，有较高的寿命和可靠性。
3主要优点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差，但不易受尘埃和结露影响，同时结构简单紧凑，可高速运转响应速度快，成本低，还有绝对信号输出功能。
4.感应同步传感器主要有几种？各有哪些特点？
直线式感应同步器：标准型:精度高。
窄型：窄一点，精度比较低。
带型：用于安装面不容易加工时采用，与标准型基本相似。
旋转式感应同步器：用于测量角位移和直线位移，直径越大越容易做得准确，精度也越高。
5.简述压电式传感器原理和应用领域？
压电式传感器是一种自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面产生电荷，从而实现非电量电测得目的。
由于压电材料的不同，石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度高，机械强度稍低，多用作测力和振动传感器；而高分子压电材料多用作定性测量。
6.什么是被测量的绝对误差？相对误差？
绝对误差是指测量值Ax与被测量值A0之间的差值，
相对误差是指绝对误差与被测量真值X0的百分比。
7.什么是传感器的静态特性？他们有哪些性能指标？
是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入的关系。
线性度，灵敏度，迟滞，重复性，分辨率和漂移等。
8.简述电感式传感器的原理及构成？
电感式传感器是利用金属导体和交变电磁场的互感原理。
位于传感器前端的检测线圈产生高频磁场，当金属物体接近该磁场，金属物体内部产生涡电流，导致磁场能量衰减，当金属物体不断靠近传感器感应面，能量的被吸收而导致衰减，当衰减达到一定程度时，触发传感器开关输出信号，从而达到非接触式之检测目的。
线圈，铁芯。
衔铁
9.简述传感器的发展和应用领域？
发展：微型化、智能化、多功能化。
领域：1）生产过程的测量与控制、2）安全报警与环境保护、3）自动化设备和机器人、4）交通运输和资源探测、5）医疗卫生和家用电器。
10.简述标准电极定律？
如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知，这个定律就称为标准电极定律。
11.简述中间导体定律？
在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路总的热电动势不变
12.简述匀质导体定律？
由一种匀质导体组成的闭合回路，不论导体的截面和长度如何，都不能产生热电势。
13.简述中间温度？
热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、t0和tn、t0时的相应热电动势的代数和，这个定律称为中间温度定律。
14.简述光栅传感器的辨向原理？
为了辨别主光栅的移动方向，仅有一条明暗交替的莫尔条纹是无法辨别的，因此，在原来的莫尔条纹上在加上一条莫尔条纹，使两个莫尔条纹信号相差π／2相位
15.简述电桥在测量电路中的意义？
1.在精度车床上使用刻线为5400线每周圆光栅进行长度测量时。
其检测精度为0.01mm，
问该车床丝杆的螺距是多少？
2.用镍镉---镉硅热电偶测其炉的炉温。
已知参考端的温度是30，测得热电动势为39.17mv，
求实际温度？
3.因为直流电桥，图中I=4V,R1=R2=R3=R4=130欧姆。
求R1的金属应变片，其余为外接
电阻，当R1的增量为△R1=1.3欧姆时，电桥的输出电压是多少？
4.用测量范围-50—100kpa的压力传感器测量150pa时，传感器测量的示值是142kpa，求
该示值的绝对误差，相对误差和引用误差。