傳感檢測技術

及其應用鄭州大學機械工程學院機電一體化研究所劉武發

2/2/2023本課程的主要內容1.傳感檢測技術基礎2.常用傳感器原理3.傳感器信號處理電路4.典型傳感器應用2/2/20232第1－3章傳感檢測技術基礎一、傳感器測技術概念1.傳感檢測技術作用（意義、重要性）

在自然界、社會生活、生產實踐、科學實驗等活動中，存在各種各樣的量，需要知道他們的存在和大小。有些量大到能夠被人們感知，有些量較小，不能被人們感知。要測出人們感興趣量的大小，就要用到對這些量敏感的傳感器，信號處理（調理）電路，檢測技術等…2/2/202332.傳感器的概念＊傳感器是人體五官—耳、眼、鼻、舌、皮膚的工程模擬物。＊傳感器廣義概念是一種以一定的精確度將被測量轉換為與之有確定對應關系的、易于精確處理和測量的某種物理量的測量部件或裝置。＊傳感器狹義概念是能把外界非電信號轉換為電信號輸出的器件或裝置。＊隨著科學技術的進步，傳感器的“可用信號”內涵也會隨之改變，如人們跨入光子時代，光信號將成為更便于快速、高效處理與傳輸的“可用信號”了。2/2/202343.傳感器的組成敏感元件被測量轉換元件基本轉換電路電量電路參數物理量例如：懸臂梁機速度傳感器2/2/20235敏感元件：懸臂梁把加速度轉化為懸臂梁的應變。轉換元件：電阻應變片把應變轉換為電阻變化?；巨D換電路：電橋把電阻變化轉化為電壓輸出。dV2/2/20236二、傳感器的工作機理和分類1.傳感器工作機理傳感器的工作機理是基于各種物理、化學和生物效應等，并受相應的定律和法則支配。了解這些定律和法則有助于對傳感器本質的理解和對新效應傳感器的開發。＊守恒定律：包括能量、動量、電荷量等守恒定律。＊場的定律：如重力場、靜電場、磁場等。遵守場定律的傳感器可稱為“結構型傳感器”＊物質定律：表示物質本身內在性質的定律。遵守物質定律的傳感器稱為“物性型傳感器”2/2/20237＊統計法則：把微觀系統與宏觀系統聯系起來的法則。2.傳感器的分類＊按被測量分類

該分類法明確了傳感器的用途，便于使用者選擇傳感器，如位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、速度傳感器等。＊按工作原理分類該分類法清楚地表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設計和應用，如電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式傳感器等。

2/2/20238＊按工作機理分類

▽物性型：依靠敏感元件本身的物理化學性質的變化實現信號變換。如壓阻式傳感器、壓電式傳感器等。

▽結構型：依靠傳感器結構參量的變化實現信號轉換。如電容式、電感式傳感器等。＊按基本效應分類▽物理型：利用某些變換元件的物理性質或某些功能材料的特殊性能制成的傳感器。如PN溫度傳感器。

2/2/20239▽化學型：利用電化學反應原理把有機和無機的化學物質的成分、濃度等轉換成電信號的傳感器。如接觸燃燒氣敏傳感器等。▽生物型：利用生物功能物質作識別器件制成的傳感器。如酸度計傳感器等。＊按能量轉換關系分類▽能量轉換型（無源型、發電型或主動型傳感器）不需要外加電源而將被測量轉化為電量輸出，但其負載能力有限，應用時需要注意。如熱電偶、壓電式傳感器等。

▽能量控制型（有源型、被動型傳感器）2/2/202310

需要外加電源才能將被測信號轉化為電量，能量控制型傳感器本身參數的改變（如電阻、電容、電感）不起換能作用。＊按輸出信號的形式分類

▽模擬式：傳感器輸出模擬信號。大多傳感器如此▽數字式：傳感器輸出數字信號。如編碼器式傳感器。

工程習慣上常根據工作原理和被測量命名傳感器，電感式位移傳感器，電容式加速度傳感器等。2/2/202311三、傳感器數學模型（描述方法）

傳感器作為感受被測量信息的器件，總希望它能按照一定的規律輸出有用信號，因此，需要研究其輸出-輸入關系及特性。最有效的描述方法是傳感器的數學模型。由于傳感器可以測量時不變信號和時變信號，所以應該以帶隨機變量的非線性微分方程作為數學模型。這樣在數學上有困難，所以，實際上把傳感器的靜態特性和動態特性分開考慮，從而有靜態模型和動態模型。2/2/2023121.靜態數學模型指在靜態信號作用下（即輸入量對時間t的各階導數等于0）得到的數學模型。其靜態數學模型為2/2/202313(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)表示輸出與輸入量之間的關系曲線稱為特性曲線2/2/2023142.動態數學模型傳感器的動態數學模型是指傳感器在受到時變輸入量作用時，其輸出－輸入之間的關系，通常稱為響應特性。有些傳感器雖然有良好的靜態特性，但由于傳感器總存在著彈性、慣性、阻尼等因素，使傳感器的輸出量不僅與輸入量有關，而且還與輸入量的變化速度等有關，所以將導致嚴重的動態誤差，這就必須認真研究傳感器的動態響應特性，為此建立的數學模型稱為動態模型。常用的動態方程有：微分方程、傳遞函數、頻率響應函數。2/2/202315（1）微分方程（時域內）優點：通過解微分方程易于分清暫態響應和穩態響應。通解僅與傳感器本身特性及初始條件有關；特解不僅與傳感器的特性有關，而且還與輸入量有關。缺點：求解麻煩，尤其是通過增減環節來改善傳感器的特性時顯得更不方便。2/2/202316（2）傳遞函數（復數域內）在數學上，如果運用拉普拉斯變換將時域的數學模型轉換成復數域的數學模型，就得到傳遞函數。上述微分方程在初始條件為零時，輸出y(t)拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)之比，即為傳遞函數G(S)。其中傳遞函數G(S)用于描述系統本身固有的特性，而與輸入量無關。2/2/202317（3）頻率響應函數（頻域內）對于傳感器或系統，其頻率響應函數為：初始條件為零時，輸出的傅立葉變換和輸入的傅里葉變換之比，即如將G(jω)的實部和虛部分開，則有G(jω)=P(ω)+jQ(ω)其中，P(ω)和Q(ω)都是ω的實函數，以頻率ω為橫坐標，以P(ω)和Q(ω)為縱坐標所繪的圖形分別稱為系統的實頻特性圖與虛頻特性圖。又若將G(jω)寫成G(jω)=A(ω)ejφ(ω)

其中2/2/202318分別稱為幅頻特性和相頻特性。四、傳感器的特性分析傳感器的特性主要是指其輸出與輸入之間的關系，有靜特性和動特性之分。1.傳感器的靜特性靜特性是指傳感器在輸入量的各個值處于穩定狀態時的輸出與輸入關系，即當輸入量是常量或變化極慢時，輸出與輸入的關系。2/2/202319衡量傳感器靜態特性的主要技術指標有線性度、重復性、遲滯、靈敏度、分辨力、閾值、穩定性、漂移、精確度等。（1）線性度標定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。若在標稱（全量程）輸出范圍A內，標定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B，則定義非線性度為線性度=(B/A)×100%

線性度圖擬合直線（理論直線法、端點平移法、端點線法、最小二乘法），該如何確定，目前國內外尚無統一的標準。較常用的是最小二乘法。2/2/202320（2）遲滯

傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出輸入曲線不重合程度稱為遲滯。遲滯誤差一般以正反行程中輸出的最大偏差量與滿量程輸出之比的百分數表示，即

遲滯特性遲滯特性一般由實驗方法確定。2/2/202321（3）重復性指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續多次變動時所得的特性曲線不一致的程度。重復性誤差常用滿量程輸出的百分數表示。

正行程的最大重復性偏差為△Rmax1，反行程的最大重復性偏差為△Rmax2

。重復性誤差取這兩個最大偏差之中較大者為△Rmax，與滿量程輸出之比的百分數表示，即

2/2/202322（4）靈敏度傳感器輸出的變化量與引起此變化量的輸入變化量之比即為其靈敏度。靈敏度表示傳感器對被測變化量的反應能力。線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即非線性傳感器的靈敏度不是常數，可表示為2/2/202323（5）分辨力與閾值

分辨力是指傳感器在規定測量范圍內所能檢測出被測輸入量的最小變化值。有時對該值用相對滿量程輸入值之百分數表示，則稱為分辨率。

閾值是使傳感器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。有些傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂“死區”，則將該“死區”的大小作為閾值。2/2/202324（6）穩定性

穩定性又稱長期穩定性，即傳感器在長時間內保持其原性能的能力。穩定性一般以室溫條件下經過規定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標定的有效期來表示。（7）漂移

漂移是指在一定時間間隔內，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移。

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零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時漂是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間有緩慢的變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點或靈敏度的變化。（8）靜態誤差(精確度)靜態誤差是指傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。是系統誤差與隨機誤差綜合影響程度的評價指標。靜態誤差的求取方法如下：把全部校準數據與擬合直線上對應值的殘差，看成是隨機分布，求出其標準偏差，即2/2/202326取2σ或3σ值即為傳感器的靜態誤差。靜態誤差是一項綜合性指標，它基本上包含了前述的非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差等。所以也可以把這幾個單項誤差綜合而得，即2.傳感器的動態特性動態特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。傳感器的動態特性取決于傳感器本身及輸入信號的形式。2/2/202327

因此，工程上常采用正弦函數和單位階躍函數作為“標準”信號函數，對傳感器的動態特性進行分析，從而確定評價傳感器動態特性的指標。（1）頻率響應特性

傳感器的頻率響應函數為對系統輸入正弦激勵信號x(x)=Asin(2πft)，在系統達到穩態后，測量輸出和輸入的幅值比和相位差。這樣可以得到頻率f下系統的傳輸特性。從系統的最低測量頻率fmin到系統的最高測量頻率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激勵信號頻率f，記錄各頻率對應的幅值比和相位差，繪制在圖上就可以得到系統的幅頻和相頻特性曲線。

2/2/202328（2）階躍響應特性對一階系統來說，對系統輸入階躍信號，測得系統的響應信號。取系統輸出值達到最終穩態值的63%所經過的時間作為時間常數

。

對二階系統來說，對系統輸入階躍信號，測得系統的響應信號。從而可以測出系統的動態特性參數。（3）傳感器不是真條件傳感器不失真檢測條件為2/2/202329即：幅頻特性應當是常數(即水平直線)；相頻特性應該是線性關系。五、傳感器的標定與校準1.傳感器的標定傳感器系統設計好后，其輸出與輸入的關系并不知道，只有通過標定才能獲得。利用標準設備產生已知的非電量（標準），或用基準量來確定傳感器電輸出與非電量輸入關系的過程，稱為標定。（1）標定設備標準信號發生器、輸出信號測試儀器。2/2/202330（2）靜態標定輸入已知標準非電量，測出傳感器的輸出，給出標定曲線、標定方程和標定常數，計算出傳感器（系統）的靜態特性。（3）動態標定用于確定傳感器的動態性能指標。2.傳感器的校準傳感器需要定期檢測其基本性能參數，以判定其是否可以繼續使用。若能繼續使用，則應對其變化的主要指標進行修正。確定傳感器的測量精度的過程，稱之為傳感器的校準。2/2/202331六、改善傳感器性能的主要技術途徑1.差動技術2.平均技術3.穩定性技術4.屏蔽、隔離與干擾抑制技術5.補償校正技術6.集成化與智能化