传感器原理及其应用 第1章 传感器的.ppt

武汉理工大学机电工程学院WuhanUniversityofTechnology“电五官”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）工业检测中涉及的物理量分类
（4）传感器的输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度；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。1-弹簧管;2-电位器;3－电刷；4－齿条、齿轮副当被测压力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。弹簧管压力传感器的外形及内部结构
1.1.3传感器的物理定律1.2传感器的基本特性
1.2.1传感器的静态特性(1)线性度(Linearity)
指传感器输出与输入之间的线性程度。传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差(LinearityError)或线性度(Linearity:theclosenessbetweenthecalibrationcurveandaspecifiedstrightline.)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。0即得到k和b的表达式:(2)迟滞(Hysteresis)(3)重复性(Repeatability)es=(Δk/k)×100%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。1.2.2传感器的动态特性(DynamicCharacteristics)频域：频率响应法(Periodicinputs)
输入信号：正弦周期信号(sinusoidalsignal)
指标：频带宽度1.传感器的动态数学模型：常系数线性微分方程当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数为一复数，它可用代数形式及指数形式表示，即1.2.3传感器的无失真测试条件所以传感器的无失真测试条件为：1.2.4典型传感器动态特性分析2.一阶传感器——频率响应函数及特性分析时间常数τ越小，系统的频率特性越好2.一阶传感器——单位阶跃响应3.二阶传感器——频率响应函数及特性分析不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。当ξ→0时，在ω/ωn=1处
趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，谐振现象逐渐不明显。根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：
1）0＜ξ＜1(欠阻尼under-damped)：欠阻尼情况下曲线如图，这是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越慢。4）ξ>1（过阻尼over-damped）：二阶系统的阶跃响应的曲线二阶系统的动态指标2.差动技术
差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。5.屏蔽、隔离与干扰抑制
传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：6．补偿与修正技术
补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：
★针对传感器本身特性
★针对传感器的工作条件或外界环境
对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。
针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。1.4传感器技术的发展动向传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。2．集成化、微型化、多功能化例如：瑞士Sensirion公司的SHT11/15型高精度、自校准、多功能式智能传感器。能同时测量相对湿度、温度和露点等参数；兼有数字湿度计、温度计和露点计这3种仪表的功能；可广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备等领域。3.仿生传感器4.智能传感器（