关于常用传感器和信号处理课件
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图2-5 电位器式传感器
2.2.2 电感传感器
1.自感型电感式传感器
自感型电感式传感器分为可变磁阻式传感器和涡电流式传感器。 1）可变磁阻式传感器 可变磁阻式传感器是由铁芯、衔铁和线圈构成的，其原理如图2-6所示。其输出 电感量为
L N20A0 2
图2-6 可变磁阻式传感器
2.2.2 电感传感器
图2-8 互感型电感式传感器
2.2.2 电感传感器
在实际应用中，为了提高传感器的线性度，常采用两个完全相同的 次级线圈，并且将次级线圈反极性串联，其形式为螺管式，所以也 称为螺管式差动变压器式传感器。如图2-9所示，当铁芯在平衡位置 时，两个次级线圈产生的电压大小相等，输出为零，而当铁芯沿着 x方向运动时，输出电压uo=e1－e2，这样不仅可以知道位移的大小， 并且能够反映位移的方向。
在稳态工作情况下，当输入量变化△x时，传感器的输出 量变化△y，则把△y与△x之比称为灵敏度，用符号S表示。 传感器的静态特性如图2-3所示。
图2-3 传感器的静态特性
2.1.2 传感器的特性
• 对于线性传感器，灵敏度S是一个常数。灵敏度的
量纲是输出量与输入量的量纲之比。灵敏度S的表
达式为
S y x
2.1.2 传感器的特性
2.动态特性
动态特性是指系统的输出量对于输入量的跟随特性 ，如图2-4所示。
动态特性实际上指传感器对于 快速变化的输入量的快速检测、 检测准确和是否稳定等方面的 特性。
在实际工作中，传感器的 动态特性常用它对某些标准输 入信号的响应来表示。
图2-4 阶跃输入传感器的动态特性
Байду номын сангаас
2.2 常用模拟式运动和位置检测传感器
1.电位器式传感器 • 电位器式传感器是一种将位移（旋转角度或直线位移）转
换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出的传感 器。如图2-5所示，当电位器的滑动臂移动时，将会引起 滑动臂和任意一个固定端的电阻变化，如果在两个固定端 加上一定电压，位移的变化将会转换为电压的变化。
器和数字式传感器。 • 4.按被测对象与传感器之间的能量关系不同 • 按被测对象与传感器之间的能量关系不同，传感器分为
能量转换型传感器和能量控制型传感器。 • 5.按构成原理不同 • 按构成原理不同，传感器分为物性型传感器和结构型传
感器。
2.1.2 传感器的特性
• 传感器的特性分为静态特性和动态特性。 • 1.静态特性 • 1)灵敏度
图2-1 传感器的组成
2.1 传感器的概述
• 在控制系统中，传感器在反馈环节起到了重要的作用，它 将控制对象的运动参数反馈给数字控制器、数字控制器根 据这些参数来调整控制参数，如图2-2所示。
图2-2 传感器及其信号处理电路在系统中的作用
2.1.1 传感器的分类
• 1.按被测物理量不同 • 按被测物理量不同，传感器分为位移传感器、力传感器、
图2-7 涡电流效应原理
2.2.2 电感传感器
2.互感型电感式传感器 互感型电感式传感器也称为差动变压器式传感器，其原理类似于 变压器的原理。如图2-8所示，当初级线圈N1中的交变电动势为e1 时，则在次级线圈N2中产生交变电动势e2，e2的大小取决于两个线 圈的相对位置和介质的导磁能力。当移动铁芯时，感应电动势将 随着铁芯位置的变化而发生变化。
关于常用传感器和信号处理
2.1 传感器的概述
• 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的 装置。
• 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲， 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
2.1 传感器的概述
• 传感器包括敏感元件、转换元件和处理电路。敏感元件能够将 被测量转化为另一种物理量；转换元件通常只感受敏感元件输 出的与被测量成确定关系的另一种物理量，并将其转换为电量 输出；而处理电路将转换元件输出的信息转换为便于测量的电 量，并进行放大、传输等处理，传感器的组成如图2-1所示。
• 灵敏度高，则可得到较高的测量精度。但灵敏度与 测量范围成反比关系，灵敏度越高，测量范围就越 窄，同事稳定性也越差。
2.1.2 传感器的特性
2)线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出的是曲线而 非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读 数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。 线性度（非线性误差）就是描述拟合直线与实际特性 曲线近似程度的性能指标。 拟合直线的选取有多种方法，如将零输入和满量程输 出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线 上各点偏差的平方和最小的理论直线作为拟合直线， 此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
2）涡电流式传感器 涡电流式传感器是基于金属导体在交变磁场中的涡电流效应的传感器。该类型传 感器具有结构简单、响应快、灵敏度高等特点，但其仅限于测量具有金属表面的 物体。如图2-7所示，给线圈通入交变电流i1，则在其周围产生交变磁场H1，在H1 的作用下，靠近线圈的金属导体中产生了涡电流i2，i2在导体中自行闭合，进一步 产生交变磁场H2，H2的方向和H1相反并且抵抗H1，从而使线圈中的阻抗发生了变 化，进而影响了i1，通过对i1的变化进行检测，便可检测金属导体的位移大小或金 属存在与否。
2.1.2 传感器的特性
3）分辨力 分辨力是指传感器能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是 说，如果输入量从某值开始缓慢地变化，当该输入值变化未超过 某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量 的变化时分辨不出来的。只有当输入量的变化超过传感器的分辨 力时，其输出才会发生变化。 4）迟滞 迟滞也称为滞后。理想传感器的输入和输出是没有时间差的，也 就是说一旦有输入激励时，就立即会有输出响应。但实际上传感 器的输出总是滞后于输入，在波形和表达式中反映为相位差。迟 滞对于测试系统影响不大，但对控制系统来说影响较大。
速度传感器、温度传感器、流量传感器、气体成分传感 器、生物传感器等。 • 2.按工作原理不同 • 按工作原理不同，传感器分为电阻式传感器、电感式传 感器、电容式传感器、压电式传感器和光电式传感器等。
2.1.1 传感器的分类
• 3.按传感器输出信号的性质不同 • 按传感器输出信号的性质不同，传感器分为模拟式传感
2.2.2 电感传感器
1.自感型电感式传感器
自感型电感式传感器分为可变磁阻式传感器和涡电流式传感器。 1）可变磁阻式传感器 可变磁阻式传感器是由铁芯、衔铁和线圈构成的，其原理如图2-6所示。其输出 电感量为
L N20A0 2
图2-6 可变磁阻式传感器
2.2.2 电感传感器
图2-8 互感型电感式传感器
2.2.2 电感传感器
在实际应用中，为了提高传感器的线性度，常采用两个完全相同的 次级线圈，并且将次级线圈反极性串联，其形式为螺管式，所以也 称为螺管式差动变压器式传感器。如图2-9所示，当铁芯在平衡位置 时，两个次级线圈产生的电压大小相等，输出为零，而当铁芯沿着 x方向运动时，输出电压uo=e1－e2，这样不仅可以知道位移的大小， 并且能够反映位移的方向。
在稳态工作情况下，当输入量变化△x时，传感器的输出 量变化△y，则把△y与△x之比称为灵敏度，用符号S表示。 传感器的静态特性如图2-3所示。
图2-3 传感器的静态特性
2.1.2 传感器的特性
• 对于线性传感器，灵敏度S是一个常数。灵敏度的
量纲是输出量与输入量的量纲之比。灵敏度S的表
达式为
S y x
2.1.2 传感器的特性
2.动态特性
动态特性是指系统的输出量对于输入量的跟随特性 ，如图2-4所示。
动态特性实际上指传感器对于 快速变化的输入量的快速检测、 检测准确和是否稳定等方面的 特性。
在实际工作中，传感器的 动态特性常用它对某些标准输 入信号的响应来表示。
图2-4 阶跃输入传感器的动态特性
Байду номын сангаас
2.2 常用模拟式运动和位置检测传感器
1.电位器式传感器 • 电位器式传感器是一种将位移（旋转角度或直线位移）转
换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出的传感 器。如图2-5所示，当电位器的滑动臂移动时，将会引起 滑动臂和任意一个固定端的电阻变化，如果在两个固定端 加上一定电压，位移的变化将会转换为电压的变化。
器和数字式传感器。 • 4.按被测对象与传感器之间的能量关系不同 • 按被测对象与传感器之间的能量关系不同，传感器分为
能量转换型传感器和能量控制型传感器。 • 5.按构成原理不同 • 按构成原理不同，传感器分为物性型传感器和结构型传
感器。
2.1.2 传感器的特性
• 传感器的特性分为静态特性和动态特性。 • 1.静态特性 • 1)灵敏度
图2-1 传感器的组成
2.1 传感器的概述
• 在控制系统中，传感器在反馈环节起到了重要的作用，它 将控制对象的运动参数反馈给数字控制器、数字控制器根 据这些参数来调整控制参数，如图2-2所示。
图2-2 传感器及其信号处理电路在系统中的作用
2.1.1 传感器的分类
• 1.按被测物理量不同 • 按被测物理量不同，传感器分为位移传感器、力传感器、
图2-7 涡电流效应原理
2.2.2 电感传感器
2.互感型电感式传感器 互感型电感式传感器也称为差动变压器式传感器，其原理类似于 变压器的原理。如图2-8所示，当初级线圈N1中的交变电动势为e1 时，则在次级线圈N2中产生交变电动势e2，e2的大小取决于两个线 圈的相对位置和介质的导磁能力。当移动铁芯时，感应电动势将 随着铁芯位置的变化而发生变化。
关于常用传感器和信号处理
2.1 传感器的概述
• 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的 装置。
• 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲， 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
2.1 传感器的概述
• 传感器包括敏感元件、转换元件和处理电路。敏感元件能够将 被测量转化为另一种物理量；转换元件通常只感受敏感元件输 出的与被测量成确定关系的另一种物理量，并将其转换为电量 输出；而处理电路将转换元件输出的信息转换为便于测量的电 量，并进行放大、传输等处理，传感器的组成如图2-1所示。
• 灵敏度高，则可得到较高的测量精度。但灵敏度与 测量范围成反比关系，灵敏度越高，测量范围就越 窄，同事稳定性也越差。
2.1.2 传感器的特性
2)线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出的是曲线而 非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读 数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。 线性度（非线性误差）就是描述拟合直线与实际特性 曲线近似程度的性能指标。 拟合直线的选取有多种方法，如将零输入和满量程输 出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线 上各点偏差的平方和最小的理论直线作为拟合直线， 此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
2）涡电流式传感器 涡电流式传感器是基于金属导体在交变磁场中的涡电流效应的传感器。该类型传 感器具有结构简单、响应快、灵敏度高等特点，但其仅限于测量具有金属表面的 物体。如图2-7所示，给线圈通入交变电流i1，则在其周围产生交变磁场H1，在H1 的作用下，靠近线圈的金属导体中产生了涡电流i2，i2在导体中自行闭合，进一步 产生交变磁场H2，H2的方向和H1相反并且抵抗H1，从而使线圈中的阻抗发生了变 化，进而影响了i1，通过对i1的变化进行检测，便可检测金属导体的位移大小或金 属存在与否。
2.1.2 传感器的特性
3）分辨力 分辨力是指传感器能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是 说，如果输入量从某值开始缓慢地变化，当该输入值变化未超过 某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量 的变化时分辨不出来的。只有当输入量的变化超过传感器的分辨 力时，其输出才会发生变化。 4）迟滞 迟滞也称为滞后。理想传感器的输入和输出是没有时间差的，也 就是说一旦有输入激励时，就立即会有输出响应。但实际上传感 器的输出总是滞后于输入，在波形和表达式中反映为相位差。迟 滞对于测试系统影响不大，但对控制系统来说影响较大。
速度传感器、温度传感器、流量传感器、气体成分传感 器、生物传感器等。 • 2.按工作原理不同 • 按工作原理不同，传感器分为电阻式传感器、电感式传 感器、电容式传感器、压电式传感器和光电式传感器等。
2.1.1 传感器的分类
• 3.按传感器输出信号的性质不同 • 按传感器输出信号的性质不同，传感器分为模拟式传感