1、传感器原理与应用,美新半导体（无锡）世界领先水平加速度传感器芯片和凌空网络专业嵌入式软件平台技术的创新结合.,第2章 传 感 器 概 述,2.1 传感器的组成和分类2.2 传感器的基本特性,2.1 传感器的组成和分类,1.2 传感器的定义（the definition of sensor）,能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件构成。国家标准GB766587,1.传感器是测量装置，能完成检测任务,2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，化学量、生物量等,3.输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量
2、，但主要是电量。,4.输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。,传感器的组成(The composing of sensor),1.敏感元件（Sensitive element）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。2.转换元件（Transduction element）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。3.转换电路（Transduction circuit）：,传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：,1.3 传感器的分类（The category of sensor）,1.掌握各类传感器的工作原理、主要性能及其特点、应用；2.能够合理地选择和使用
3、传感器；3.了解常用传感器的工程设计方法并掌握常用传感器的试验研究方法；4.了解传感器的发展方向等。,内容（目的）：,（使用对象较明确）,（采用原理较清楚）,传感器的一般要求（Request）,a.足够的容量 工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。b.灵敏度高，精度适当 输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性）且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。c.响应速度快，工作稳定，可靠性好。d.使用性和适应性强 体积小，重量轻，对被测对象的状态影响小；内部噪声小；输出采用通用或标准形式，以便与系统对接。e.使用经济 成本低，寿命长，便于使用、维修和校准。,学习方法：对于初学
4、者应先从工作原理出发，了解各种各样传感器，而对工程上的被测参数，应着重于如何合理选择和使用传感器。,2.2 传感器的基本特性,2.2.1 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。如果被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性，这时传感器的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中不含有时间变量。,式中：a0输入量x为零时的输出量；a1，a2，an 非线性项系数。,各项系数决定了特性曲线的具体形式。传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。,对静态特性而言，传感器的输入量x
5、与输出量y之间的关系为：,y=a0+a1x+a2x2+anxn,1.灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。用S表示灵敏度，即,它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。,图2-2 传感器的灵敏度,2.线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节
6、，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。,传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用L表示，即,式中：Lmax最大非线性绝对误差；YFS满量程输出值。,(2-3),图2-3 几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合,图2-4 线性度,3.迟滞 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞(如图2-5所示)。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感
7、器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用H表示，即,原因：由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。,图2-5 迟滞特性,4.重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度（见图2-6）。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算，即,（2-5）,或,（2-6）,图2-6 重复性,5.漂移 在输入量不变的情
8、况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。原因：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化。,式中：t工作环境温度t偏离标准环境温度t20之差，即t=t-t20；yt传感器在环境温度t时的输出；y20传感器在环境温度t20时的输出。,温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20）时的输出值的变化量与温度变化量之比()来表示，即,2.2.2 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，处于动态
9、过渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。,1.传感器的基本动态特性方程 传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述：,（2-8）,式中，a0、a1、,an,b0、b1、.,bm是与传感器的结构特性有关的常系数。,1）零阶系统 在方程式（2-8）中的系数除了a0、b0之外，其它的系数均为零，则微分方程就变成简单的代数方程，即,a0y(t)=b0 x(t),通常将该代数方程写成,y(t)=kx(t),式中，k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数。传感
10、器的动态特性用方程式（2-9）来描述的就称为零阶系统。,（2-9）,零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其输出在时间上也无任何滞后，所以零阶系统又称为比例系统。在工程应用中，电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统。,2）一阶系统 若在方程式（2-8）中的系数除了a0、a1与b0之外，其它的系数均为零，则微分方程为,上式通常改写成为,式中：传感器的时间常数，=a1/a0；k传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0。,时间常数具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小，静态灵敏度则说明其静态特性
11、。用方程式（2-10）描述其动态特性的传感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。系统举例：如不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器等均可看作为一阶系统。,3）二阶系统二阶系统的微分方程为,二阶系统的微分方程通常改写为,式中：k传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0；传感器的阻尼系数，n传感器的固有频率，,根据二阶微分方程特征方程根的性质不同，二阶系统又可分为：二阶惯性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根，它相当于两个一阶系统串联。二阶振荡系统：其特点是特征方程的根为一对带负实部的共轭复根。带有套管的热电偶、电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路等均可看作为二阶系统。,2.传感器的
12、动态响应特性 传感器的动态特性不仅与传感器的“固有因素”有关，还与传感器输入量的变化形式有关。1）瞬态响应特性 传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析，这种分析方法称为时域分析法。传感器在进行时域分析时，用得比较多的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号，传感器的输出瞬态响应分别称为阶跃响应和脉冲响应。,(1)一阶传感器的单位阶跃响应 一阶传感器的微分方程为,设传感器的静态灵敏度k=1，写出它的传递函数为,对初始状态为零的传感器，若输入一个单位阶跃信号，即,输入信号x(t)的拉氏变换为,一阶传感器的单位阶跃响应拉氏变换式为,(2-13)
13、,对式(2-13)进行拉氏反变换，可得一阶传感器的单位阶跃响应信号为,(2-14),图2-8 一阶传感器单位阶跃响应,可见，传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。所以，一阶传感器的时间常数越小，响应越快，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，即动态误差小。,(2）二阶传感器的单位阶跃响应 二阶传感器的微分方程为,设传感器的静态灵敏度k=1，其二阶传感器的传递函数为,(2-15),传感器输出的拉氏变换为,(2-16),图2-9 二阶传感器单位阶跃响应,阶跃响应取决于阻尼比和固有角频率n：=0时，特征根为一对虚根，无阻尼状态；1时，特征根为两个不同的负
14、实根，过阻尼状态；=1 时，特征根为两个相同的负实根，临界阻尼状态；01时，特征根为一对共轭复根，欠阻尼状态。,(3）传感器的时域动态性能指标 时间常数：一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间,称为时间常数。延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。峰值时间tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。超调量：二阶传感器输出超过稳态值的最大值。衰减比d：衰减振荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。,图2-10 一阶传感器的时域动态性能指标,图2-11 二阶传感器的时域动态性能指标,2）频率响应特
15、性 传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。(1）一阶传感器的频率响应 将一阶传感器传递函数式（2-12）中的s用j代替后，即可得如下的频率特性表达式：,(2-17),幅频特性:,(2-18),相频特性：,(2-19),时间常数越小，频率响应特性越好。当1时，A（）1，（）0，表明传感器输出与输入成线性关系，且相位差也很小，输出y(t)比较真实地反映了输入x(t)的变化规律。因此减小可改善传感器的频率特性。,图2-12 一阶传感器频率响应特性(a)幅频特性；(b)相频特性,(2）二阶传感器的频率响应 由二阶传感器的传递函数式（2-15）可写出二阶传感器的频率特性表达式，
16、即,(2-20),其幅频特性、相频特性分别为,(2-21),(2-22),相位角负值表示相位滞后。,图2-13 二阶传感器频率响应特性曲线(a)幅频特性；(b)相频特性,(3）频率响应特性指标 通频带0.707：传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3 dB时所对应的频率范围。工作频带0.95（或0.90）：当传感器的幅值误差为5%（或10%）时其增益保持在一定值内的频率范围。时间常数：用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽。固有频率n：二阶传感器的固有频率n表征其动态特性。相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值，即为相位误差。跟随角0.707:当=0.707时，对应于相频特性上的相角，即为跟随角。,图2-14 传感器的频域动态性能指标,谢谢！,
