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1、第1章 傳感器的定義與分類,1.1 傳感器的定義與分類 1.2 傳感器的基本特性 1.3 傳感器的基本誤差 1.4 傳感器中的彈性敏感元件,1.1傳感器的定義與分類,1.1.1 傳感器的定義 國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-1987對傳感器下的定義是:“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成?！?1.1.2 傳感器的分類 1.根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器兩大類 (1)物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。 (2)化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、

2、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為,下一頁,返回,1.1傳感器的定義與分類,因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。 2.按照其用途分類 壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。 3.以其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)分類 (1)模擬傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。 (2)數(shù)字傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。,上一頁,下一頁,返回,1.1傳感器的定義與分類,(3)膺數(shù)字傳感器將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出

3、(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。 (4)開關(guān)傳感器當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閡值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。 4.從所應(yīng)用的材料觀點出發(fā)分類 (1)按照其所用材料的類別分金屬聚合物陶瓷混合物 (2)按材料的物理性質(zhì)分導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體磁性材料 (3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分單晶多晶非晶材料 5.與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個方向 在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實際使用。,上一頁,下一頁,返回,1.1傳感器的定義與分類,探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進(jìn)傳感器技術(shù)。 在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新

4、效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實施。 6.按照其制造工藝分類 (1)集成傳感器用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。 (2)薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用棍合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。 (3)厚膜傳感器利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上,上一頁,下一頁,返回,1.1傳感器的定義與分類,制成的，基片通常是氧化鋁制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。 (4)陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠一凝膠等)生產(chǎn)。,上一頁,返回,1.2 傳感器的基本特性,1

5、.2.1 傳感器靜態(tài)特性 1.測量范圍和量程 傳感器所能測量的最大被測量的數(shù)值為測量上限，最小被測量稱為測量下限。測量上限和測量下限所構(gòu)成的區(qū)間稱為測量范圍。測量上限和測量下限的代數(shù)差稱為量程，即量程=測量上限-測量下限。 2.傳感器的線性度 理想情況下，如圖1-1所示，傳感器的靜態(tài)特性輸出是條直線;但通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線，如圖1-2所示。,下一頁,返回,1.2 傳感器的基本特性,3.傳感器的靈敏度 靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化Y對輸入量變化x的比值。 4.傳感器的

6、分辨力 分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化，當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當(dāng)輸入量的變化超分辨力時，其輸出才會發(fā)生變化。 5.遲滯 遲滯現(xiàn)象是指傳感器正向特險曲線(輸入量增大)和反向特性曲線(輸入量減小)的不一致程度。如圖1-3所示。,上一頁,下一頁,返回,1.2 傳感器的基本特性,6.傳感器的精度等級 傳感器的精度等級是為了簡單表示傳感器測量結(jié)果的可靠程度而引用的。常見的精度等級有0. 1級、0. 2級、0. 5級、1. 0級、1. 5級、2. 0級、2. 5級、

7、5.0級。數(shù)值越小，精度等級越高，測量越精確。 1.2.2 傳感器動態(tài)特性 所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因為傳感器對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實驗方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。,上一頁,下一頁,返回,1.2 傳感器的基本特性,最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。 1.階躍響應(yīng) 輸入為階躍信號時，傳感器的響應(yīng)被稱為階躍響應(yīng)。從階躍響應(yīng)中我們可以得到傳感器在時間域內(nèi)

8、的響應(yīng)特性。如圖1-4所示輸入信號是幅值為A的階躍信號，此時傳感器階躍響應(yīng)如圖1-5所示。 2.頻率響應(yīng) 將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號輸入到傳感器，傳感器的輸出正弦信號的幅值、相位與頻率之間的關(guān)系稱為頻率響應(yīng)特性。其中輸出信號的幅值與輸入信號的頻率的關(guān)系稱為幅頻響應(yīng);輸出信號的相位與輸入信號的頻率的關(guān)系稱為,上一頁,返回,下一頁,1.2 傳感器的基本特性,相頻特性。頻率響應(yīng)是通過研究穩(wěn)態(tài)過程來分析傳感器的動態(tài)特性的，它可以通過對傳感器在頻域響應(yīng)過程中的波形參數(shù)進(jìn)行計算，并對響應(yīng)特性曲線進(jìn)行分析;也可通過對頻率響應(yīng)性能指標(biāo)(如頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差、相位誤差等)的考核來完成。,返回,上一頁

9、,1.3 傳感器的基本誤差,1.3.1 傳感器的基本誤差 任何測量都不可能絕對準(zhǔn)確，都存在誤差，只要誤差在允許范圍內(nèi)即可認(rèn)為符合標(biāo)準(zhǔn)，傳感器也不例外。所謂傳感器的誤差，即傳感器的輸出值與理論輸出值的差值。因此要求設(shè)計與制造傳感器時，允許有誤差，但必須在規(guī)定誤差的范圍之內(nèi)。為了使傳感器能滿足一定的精度要求，我們要掌握誤差的種類及分析產(chǎn)生誤差的原因、克服與減少誤差的方法。 1.測量誤差的基本概念 由傳感器的定義得知，傳感器是將未知的物理量轉(zhuǎn)換成人們可知的電信號，實際上傳感器就是一種測量器具，所以傳感器的誤差也就是測量誤差。下面介紹有關(guān)測量的部分名詞。,下一頁,返回,1.3 傳感器的基本誤差,2.誤

10、差的分類 在測量中由不同因素產(chǎn)生的誤差是混合在一起同時出現(xiàn)的。為了便于分析研究誤差的性質(zhì)、特點和消除方.法，下面將對各種誤差進(jìn)行分類討論。 (1)按表示方法分類 絕對誤差指示值 與約定真值 的差值，即 量中常使用修正值 。只要得到修正值 示值 ，便可得知約定真值 。 相對誤差針對絕對誤差有時不足以反映示值偏離約定真值大小程度而設(shè)定的，在實際測量中相對誤差有下列表示形式:,上一頁,下一頁,返回,1.3 傳感器的基本誤差,(2)按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類 系統(tǒng)誤差指誤差的數(shù)值是一個常數(shù)或按一定規(guī)律變化的值。它又可分為恒值誤差和變值誤差。 隨機誤差由于偶然因素的影響而引起的，其數(shù)值大小和正負(fù)號不定，而且難

11、以估計。但是總體仍服從一定統(tǒng)計規(guī)律，它不能通過實驗方法加以消除，但能運用統(tǒng)計處理方法減少其影響。隨機誤差表現(xiàn)了測量結(jié)果的分散性。在誤差理論中常用精密度來表征隨機誤差的大小。隨機誤差愈小，精密度愈高。 粗大誤差指在一定的條件下測量結(jié)果顯著地偏離其實際值時所對應(yīng)的誤差。從性質(zhì)上看，粗大誤差并不是單獨的類別，它本身既具有系統(tǒng)誤差的性質(zhì)，也可能具有隨機誤差的性質(zhì)，只不過在一定測量條件下其絕對值特別大而已。,上一頁,下一頁,返回,1.3 傳感器的基本誤差,粗大誤差是由于測量方法不妥、各種隨機因素的影響以及測量人員粗心所造成的。 (3)按被測量隨時間變化的速度分類 靜態(tài)誤差指在測量過程中，被測量隨時間變化

12、很緩慢或基本不變時的測量誤差。 動態(tài)誤差在被測量隨時間變化時所測得的誤差。例如用筆式記錄儀測得的結(jié)果，由于記錄筆有慣性量，輸出量在時間上不能與被測量的變化一致，而造成的誤差就屬于動態(tài)誤差。動態(tài)誤差是在動態(tài)測量時產(chǎn)生的，動態(tài)測量的優(yōu)點是檢測效率高和環(huán)境影響小。 (4)按使用條件分類 基本誤差指檢測系統(tǒng)在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時所產(chǎn)生的誤差。,上一頁,返回,下一頁,1.3 傳感器的基本誤差,附加誤差當(dāng)使用條件偏離規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)條件時，除基本誤差外還會產(chǎn)生附加誤差，例如由于溫度超過標(biāo)準(zhǔn)引起的溫度附加誤差、電源附加誤差以及頻率附加誤差等。這些附加誤差在使用時會疊加到基本誤差上去。 1.3.2 儀表精度與測量精

13、度 1.儀表精度與測量精度的關(guān)系 儀表精度一般分為七個等級，實際上就是取最大滿度(引用)相對誤差，對于數(shù)字儀表和光學(xué)儀表等還具有更高精度的等級。一般而言，七個等級在工業(yè)儀表中是具有代表性的。而真正反映測量精度的是實際相對誤差。從最大滿度(引用)誤差和實際相對誤差的定義公式不難看出，被測量的大小愈接近量程，相對誤差就愈接近于最大滿度(引用)誤差，因此,下一頁,返回,上一頁,1.3 傳感器的基本誤差,對于同等級精度的儀表，選擇適當(dāng)?shù)牧砍蹋贡粶y量位于儀表量值的上限附近，將能充分利用儀表精度獲得較精確的測量結(jié)果。 2.附加誤差對實際測量精度的影響 在檢測儀表的技術(shù)說明書中，除了給出基本誤差外，還給出

14、了工作條件變化時可能產(chǎn)生的附加誤差。如果實際工作條件不是儀表規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，這時必須考慮到附加誤差的影響。,上一頁,返回,1.4 傳感器中的彈牲敏感元件,1.4.1 彈性敏感元件的基本特性 物體因外力作用而改變原來的尺寸或形狀稱為變形，如果在外力去掉后能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，那么這種變形稱為彈性變形，具有這類特性的物體稱為彈性元件。在傳感器中用于測量的彈性元件稱為彈性敏感元件。 1.剛度 剛度是使彈性敏感元件產(chǎn)生單位變形所需要的外部作用力(或壓力)，其表達(dá)式為 式中k為剛度; F為作用于彈性元件上的外力; x為彈性元件產(chǎn)生的變形。,下一頁,返回,1.4 傳感器中的彈牲敏感元件,2.靈敏度

15、 靈敏度是剛度的倒數(shù)，它表示彈性敏感元件在承受單位輸入量(力、壓力等)時所產(chǎn)生的變形大小，一般用K表示，即在非電量檢測中往往希望彈性靈敏度為常數(shù)，此時彈性敏感元件的彈性特性是線性的，即 1.4.2 彈性敏感元件的形式及應(yīng)用范圍 根據(jù)彈性敏感元件在傳感器中的作用，對它提出了一些要求，如具有好的彈性特性、足夠的精度、長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性等。因而對制作彈性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如彈性模量的溫度系數(shù)要小、線膨脹系數(shù)小且恒定、有良好的機械加工和熱處理性能等。我國通常使用合金鋼、碳鋼、銅合金和鋁合金等材料。,上一頁,下一頁,返回,1.4 傳感器中的彈牲敏感元件,1.彈性敏感元件的形式

16、傳感器中彈性敏感元件的輸入量通常是力(力矩)或流體壓力(統(tǒng)稱壓力)，即使其他非電被測量輸入給彈性敏感元件時，也是先將它們變換成力或壓力再輸入給彈性敏感元件。 2.變換力的彈性元件 (1)等截面軸等截面軸又稱柱式彈性敏感元件，可以是實心柱體或空心圓柱體，如圖1-7所示。實心等截面軸在力的作用下彈性敏感元件的位移很小，因此常用它的應(yīng)變作輸出量。其主要的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、測量范圍寬，可承受數(shù)萬牛頓的載荷，但其靈敏度小。,上一頁,下一頁,返回,1.4 傳感器中的彈牲敏感元件,(2)環(huán)狀彈性敏感元件環(huán)狀彈性敏感元件多做成等截面圓環(huán)，如圖1-8(a),(b)所示，圓環(huán)有較高的靈敏度，因而它多用于測量較小的力。圓環(huán)的缺點是加工困難，環(huán)的各個部位的應(yīng)變及應(yīng)力都不相等。 (3)懸臂梁懸臂梁是一端固定、另一端自由的彈性敏感元件。按截面形狀又可分為等截面矩形懸臂梁和變截面等強度懸臂梁，如圖1-9所示。懸臂梁的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，輸出位移(或應(yīng)變)大，靈敏度高，常用于較小力的測量。 (4)扭轉(zhuǎn)軸如圖1-10所示為扭轉(zhuǎn)軸式彈性敏感元件，當(dāng)自由端受到轉(zhuǎn)矩的作用時，扭轉(zhuǎn)軸的表面會產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變，在