第1章

傳感器概述1傳感器的組成與分類傳感器的一般特性傳感器的標定傳感器的發展動向1.1

傳感器的組成與分類21.1.1

傳感器的組成1.傳感器的定義:傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。1.1

傳感器的組成與分類32.傳感器的組成

通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。

其中,

敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分;轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。1.1

傳感器的組成與分類4說明:由于傳感器的輸出信號一般都很微弱,因此需要有信號調理與轉換電路對其進行放大、

運算調制等。隨著半導體器件與集成技術在傳感

器中的應用,傳感器的信號調理與轉換電路可能

安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外,信號調理轉換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源,因此,信號調理轉換電路以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。1.1

傳感器的組成與分類圖1-1

傳感器的組成框圖51.1

傳感器的組成與分類61.1.2

傳感器的分類1．按被測物理量分類這種方法是根據被測物理量的性質進行分類的，如被測物理量為溫度、壓力、流量、位移、速度等，則相應的傳感器分別稱為溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器、速度傳感器等。優點:比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據其用途選用。1.1

傳感器的組成與分類72.按工作原理分類傳感器的工作原理主要是基于物理、化學和生物等學科的原理、規律和效應。據此可將傳感器分為電阻式、電感式、電容式、熱電式、壓電式、光電式等類別。優點:對于傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業工作者對傳感器進行深入研究分析。本書的傳感器就是按工作原理分類進行編

寫的。1.1

傳感器的組成與分類83.按能量的關系分類根據能量觀點分類，可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。前者將非電能量轉換為電能量，稱之為能量轉換型傳感器，也稱為換能器，通常配合有電壓測量電路和放大器，如壓電式、熱電式、磁電式等。無源傳感器又稱為能量控制型傳感器，它本身不是一個換能器，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調節作用，所以，它們必須具有輔助能源，這類傳感器有電阻式、電容式和電感式等。1.1

傳感器的組成與分類9說明:不同的分類角度對于能量傳感器有兩種理解.一是:

本教材的理解;二是:

從結構組成的角度看傳感器本身是否為換能器，是則不加輔助電源，稱為無源傳感器，否則為有源傳感器.1.1

傳感器的組成與分類104.按輸出信號的性質分類根據傳感器輸出信號的性質，可將其分為模擬傳感器和數字傳感器兩大類。前者輸出模擬信號，后者輸出數字信號，當然輸出的模擬信號或數字信號都與被測非電量成一定關系。數字傳感器便于與計算機聯用，且抗干擾性較強，例如盤式角度數字傳感器、光柵傳感器等。1.2

傳感器的一般特性111.2.1

傳感器的靜態特性定義:傳感器在穩態信號作用下，其輸出—輸入關系為靜態特性。衡量傳感器靜態特性的主要性能指標是線性度、靈敏度、遲滯和重復性。1.2

傳感器的一般特性1.線性度傳感器的線性度又稱非線性誤差，是指傳感器輸出與輸入之間的線性程度。線性度可用下式表示:γL──線性度（非線性誤差）；Δmax──最大非線性絕對誤差；ym──輸出滿量程值121.2

傳感器的一般特性2．靈敏度傳感器的靈敏度是指在穩態下輸出變化量dy與引起此變化的輸入變化量dx之比值，用K表示，即:131.2

傳感器的一般特性143.遲滯遲滯（或稱遲環）特性是用來說明傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間輸出—輸入特性曲線不重合的程度。產生原因：主要是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料的內摩擦、積塵等。1.2

傳感器的一般特性表示方法：遲滯大小一般要由試驗方法確定，其值用正反行程輸出值間最大差值Δmax對滿量程輸出ym的百分比表示：151.2

傳感器的一般特性遲滯特性如圖1-2：161.2

傳感器的一般特性174.重復性重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線的不一致性程度.產生原因:與產生遲滯現象的原因相同.屬于隨機誤差性質.1.2

傳感器的一般特性重復性的表示方法:標準偏差 前的系數取2時，誤差完全依從正態分布，置信概率為95%；取3時，置信概率為99.73%。根據均方根公式，可以計算，即:式中

yi

──測量值；──測量值的算術平均值；n──測量次數。181.2

傳感器的一般特性重復性示意圖如圖1-3191.2

傳感器的一般特性201.2.2

傳感器的動態特性定義:傳感器的動態特性是指傳感器對激勵（輸入）的響應（輸出）特性。說明:一個動態特性好的傳感器，隨時間變化的輸出曲線能同時再現隨時間變化的輸入曲線，即輸出—輸入具有相同類型的時間函數。1.2

傳感器的一般特性1．一階傳感器數學模型:211.2

傳感器的一般特性設初始條件

:

t=0，y=0,當單位階躍信號X從0到1時，輸出響應為：K=b0/a0──傳感器的靜態靈敏度；=a1/a0──傳感器的時間常數221.2

傳感器的一般特性單位階躍響應如圖1-4所示231.2

傳感器的一般特性24由圖1-4看出：只有當t→∞時，y才能達到其穩態值K。實際工作中，一般根據y達到其穩態值的63.2%所用的時間，來衡量一個傳感器動態響應的速度。值越大，動態響應越慢，動態誤差越大，且存在時間越長。因此，時間常數是一階傳感器的主要動態性能指標，一般希望它越小越好。1.2

傳感器的一般特性2．二階傳感器數學模型：251.2

傳感器的一般特性假設初始條件t=0，y=0，當輸入x從0躍變到1時：二階傳感器的輸出響應分為3種情況：（1）0＜ ＜1（欠阻尼）時──傳感器的靜態靈敏度──傳感器無阻尼時的固有頻率──傳感器的阻尼比261.2

傳感器的一般特性（2）

=1（臨界阻尼）時（3） ＞1（過阻尼）時271.2

傳感器的一般特性圖1-5為二階單位階躍響應281.2

傳感器的一般特性說明：由圖分析知一般取

=0.6~0.8，即欠阻尼狀態

。下面就欠阻尼時的單位階躍響應，討論二階傳感器的典型動態性能指標，如圖1-6所示。291.2

傳感器的一般特性30上升時間tr輸出從穩態值的10%到第一次達到其穩態值的90%所用的時間。峰值時間tp響應曲線到第一個峰值所用的時間。響應時間ts響應曲線衰減到與穩態值之差不超過±5%或±2%時所需要的時間，有時稱過渡過程時間。最大超調量M最大超調量就是響應曲線偏離穩態值的最大值。顯然，tr、tp、ts和M數值越小，則傳感器的動態性能越好。1.3

傳感器標定311.3.1

靜態標定靜態標定目的:確定靜態技術指標.靜態標準條件傳感器的靜態特性是在靜態標準條件下進行標定的。所謂靜態標準是指沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數本身就是被測物理量），環境溫度一般為室溫（20±5℃），相對濕度不大于85%，大氣壓力為101±7KPa時的情況。1.3

傳感器標定323．靜態特性標定的方法對傳感器進行靜態特性標定，首先要創造一個靜態標準條件，其次是選擇與被標定傳感器的精度要求相適應的一定等級的標定用儀器設備，然后才能開始對傳感器進行靜態特性標定。標定過程步驟如下：將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點；根據傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點地輸入標準值，并記錄下與各輸入值相對應的輸出值；將輸入值由大到小一點一點地減少下來，同時記錄下與各輸入值相對應的輸出值；按（2），（3）所述過程，對傳感器進行正、反行程往復循環多次測試，將得到的一組輸出—輸入測試數據用表格列出或繪成曲線；對測試數據進行必要的處理，根據處理結果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、遲滯和重復性等靜態特性指標。1.3

傳感器標定331.3.2

傳感器的動態特性標定動態標定目的:傳感器的動態標定主要是研究傳感器的動態響應。與動態響應有關的參數，一階傳感器只有一個時間常數，二階傳感器則有固有頻率和阻尼比兩個參數。動態標定方法:測量傳感器的階躍響應，可以確定傳感器的時間常數，固有頻率和阻尼比。1.4

傳感器的發展動向34新材料的開發、應用新工藝、新技術的應用利用新的效應開發新型傳感器傳感器的集成化傳感器的多維化傳感器的多功能化傳感器的智能化小結351．傳感器是指能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成電學量輸出的測量裝置。一般由敏感元件、轉換元件、測量電路和輔助電源四部分組成。2．傳感器的分類方法很多，一般可按被測物理量、工作原理、能量關系和輸出信號性質來分類。3．傳感器的輸出—輸入關系特性是傳感器的基本特性，有靜態特性和動態特性之分。所謂靜態特性，是指傳感器在穩態信號作用下，輸出—輸入之間的

關系特性；而傳感器的動態特性是指傳感器在測量動態信號時，對激勵（輸入）的響應（輸出）特性。衡量傳感器靜態特性的主要性能指標是線性度、

靈敏度、遲滯和重復性。一個動態特性好的傳感器總是希望隨時間變化的輸

出曲線能同時再現隨時間變化的輸入曲線，常通過階躍響應來研究傳感器的

動態特性。一階傳感器的階躍響應最重要的動態特性指標是時間常數，一般

希望它越小越好；二階傳感器的階躍響應典型的動態性能指標包括上升時間、峰值時間、響應時間和最大超調量等，一般也希望它們的數值越小越好。4．傳感器的標定分為靜態標定和動態標