非电量检测技术第三章

核心：敏感原件。它是研究、设计、制作传感器的关键， 更是我们学习的重点。
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传感器的分类
一、按工作原理分类 结构型 电容式压力传感器 物理型
传 感 器
物性型 压电式压力传感器 化学型 生物型 离子敏传感器 荧光生物传感器
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传感器的分类
二、按被测量分类 温度 压力 流量 位移
传 感 器
……
速度 湿度
Lmax rL 100% YFS
式中: ΔLmax——最大非线性绝对误差; YFS ——满量程输出。
（2-2）
从图 2 - 2 中可见, 即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性 度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的 拟合直线的拟合精度最高。 2． 灵敏度 灵敏度S是指传感器的输出量增量 Δy 与引起输出量增量Δy 的输入量增量Δx的比值, 即 S=Δy/Δx （2 - 3）
温水槽中（插入时间忽略不计） , 这时热电偶测量的介质温度从
t0℃突然上升到t, 而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t ℃需要经 历一段时间, 即有一段过渡过程, 如图 2 - 6 所示。热电偶反映出来 的温度与介质温度的差值就称为动态误差。
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造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为温度传 感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻, 使 得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。 如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。 这种热惯性是 热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生 动态误差。 影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有, 只不过它们的表现形 式和作用程度不同而已。
第三章
非电量检测技术
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3.1 传感器的基础知识 3.2 温度的测量 3.3 压力的测量 3.4 流量的测量 3.5 物位的测量 3.6 位移与位置的测量 3.7 转速的测量 3.8 其他非电量的测量
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地位、作用 基本概念 定义 组成 工作原理 分类 基本特性 被测量
传感器的基础知识
静态 动态 其他非电量测量 湿度测量
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1. 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, 即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的 传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞和蠕变等因素, 传感器的输出 与输入关系可用一个多项式表示： y=a0+a1x+a2x2+…+anxn (2 - 1)
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对于线性传感器, 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率, 即S=Δy/Δx为常 数, 而非线性传感器的灵敏度为一变量, 用S=dy/dx表示。传感器的灵敏度 如图2 - 3 所示。
灵敏度越高，测 量范围也越小， 稳定性越差。
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3. 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期 间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞, 如图 2 - 4 所示。 也就是说, 对于同一大小的输入信号, 传 感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主 要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部 件的缺陷所造成的 , 例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动 部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。
式中: a0——输入量x为零时的输出量;
a1, a2, …, an——非线性项系数。
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各项系数不同, 决定了特性曲线的具体形式各不相同。
静态特性曲线可通过实际测试获得。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。 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
计算机技术 通 信技术
大脑 神经
传感器技术
感官
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传感器的基本概念
一、传感器的地位和作用 传感器是科学仪器等测量系统、自动控制系统 中信息获取的首要环节和关键技术。
传感器的作用就是测量。
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传感器的基本概念
二、传感器的定义 传感器是指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。
Rmax rR 100% YFS
（2-5）
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1 Rmax rR 100% 2 YFS
（2-6）
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• 5.分辨率
• 分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量. • 有些传感器，如电位器式传感器，当输入量
• 连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨 率就是输出量的每’一个“阶梯”所代表的 输入量的大小。 • 分辨率可用绝对值表示，也可用与满量程的 百分比表示
迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差γH可由下式计算:
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1 max r 100% 2 YFS
（2-4）
式中: ΔHmax——正反行程输出值间的最大差值。
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4. 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, 如图 2 - 5 所 示。 重复性误差属于随机误差, 可用正反行程中的最大偏 差表示(或标准偏差表示), 即
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。实际上除了具有理想的比
例特性外, 输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函 数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。
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百度文库
为了说明传感器的动态特性, 下面简要介绍动态测温的问题。
如把一支热电偶从温度为 t0℃环境中迅速插入一个温度为 t℃的恒
1、它是测量装置，能完成检测任务。
理 解
2、输入量可以是物理量，也可以是化学量、生物量等。 3、输出量是某种物理量，比如气、光、电物理量，但 主要是电信号。 4、输入输出有对应的关系，且有一定的精度。
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传感器的基本概念
三、传感器的组成 传感器由敏感原件、转换原件、基本转换电路 三部分组成。
传感器组成框图
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• 理论拟合:拟合直线为传感器的理论特性,与 测试值无关. • 过零旋转拟合:常用于校正曲线过零的传感器. • 端点拟合:把校正曲线两端点的连线作为拟合 直线. • 端点平移拟合:端点拟合的直线进行平移,最 大误差减半.
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实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差 （或线性度）, 通常用相对误差γL表示, 即
此法最为常见！
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2.2传感器的基本特性
在生产过程和科学实验中 , 要对各种各样的参数进行检测和控 制, 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成 相应的电量, 这取决于传感器的基本特性, 即输出—输入特性。 如果把传感器看作二端口网络, 即有两个输入端和两个输出端, 那么 传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。 传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 一、 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输入 关系。只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间的关系式 中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度, 迟滞和重复性等。
动态特性除了与传感器的固有因素有关之外, 还与传感器输入量 的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动特性时, 通常是根据 不同输入变化规律来考察传感器的响应的。
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虽然传感器的种类和形式很多, 但它们一般可以简化 为一阶或二阶系统（高阶可以分解成若干个低阶环节）,
因此一阶和二阶传感器是最基本的。
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常见的非电量
机械量 热工量 化工量 位移、速度等
压力、温度、流量等
浓度、PH值等
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早期非电量的测量
主要采用非电的技术手段
PH值的测量
温度的测量
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非电技术的缺点
测量准度不高 自动化程度不高 测量速度不快
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传感器技术
传感器技术是信息时代的 三大技术 之一，它是获取准确、可靠信息的重要 手段。
三 大 技 术
传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的, 下面在
对传感器动态特性进行分析时，采用最典型、最简单、
易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。 对于正弦输入信号, 传感器的响应称为频率响应或稳态响 应；对于阶跃输入信号, 则称为传感器的阶跃响应或瞬态 响应。
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器的输出与输入关系为线性或接近线性。
但如果传感器非线性的方次不高,输入量变化范围较小时, 可用一条 直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段, 如图 2 - 2 所示, 使 传感器输出—输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。
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图2-2 (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
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• 6.稳定性 • 稳定性是指传感器在长时间工作情况下输出 量发生的变化。 • 有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 • 前后两次输出之差即为稳定性误差。 • 稳定性误差可用相对误差表示，也可以用绝 对误差来表示。
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二、 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入 量的响应特性。 当被测量随时间变化 ,是时间的函数时, 则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特