传感器的基础知识重点课件.ppt

1、2023-1-81一、传感器的定义一、传感器的定义提出问题：提出问题：什么是传感器？什么是传感器？第一章传感器的基本知识第一章传感器的基本知识 2023-1-82n 通俗的讲：传感器是接收信号或刺激并反应的器件，以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。2023-1-83n国家标准是这样定义“传感器”的：能感受规定的能感受规定的被测量并按照一定的规律被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器转换成可用输出信号的器件或装置。件或装置。2023-1-84n传感器的作用传感器的作用:人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在

2、研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。2023-1-85n特点：代替人的耳，眼，鼻等器官去感知和获取人不能直接获取的自然界当中的信息和信息量。n用途：就是采集信息和信息量。n用在：工业，农业，医疗，卫生，国防，军事，航天，航空，气象，安检以及日常生活等等方面。2023-1-86 在流水线上，边加工，边检验，可提在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。高产品的一致性和加工精度。2023-1-872023-1-88n传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、医学诊

3、断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。2023-1-89二、传感器二、传感器的的组成组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器举例：测量压力的电位器式压力传感器 1-弹簧管弹簧管 2-电位器电位器传感器传感器 组成框图组成框图2023-1-810三、传感器分类三、传感器分类 1.根据被测对象，可分为物理量传感器、根据被测对象，可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类化学量传感器和生物量传感器三大类;按被测量分类：可分为位移、力、力矩、按被测量分类：可分为位移、

4、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。流速等传感器。2.按测量原理分类：可分为电阻、电容、按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。外、光导纤维等传感器。2023-1-811四、传感器基本特性四、传感器基本特性 传感器的特性一般指输入、输出特性，传感器的特性一般指输入、输出特性，包括：灵敏度、分辨力、线性度、迟滞、包括：灵敏度、分辨力、线性度、迟滞、重复性、漂移等。重复性、漂移等。2023-1-8121.灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态下输出变灵敏度

5、是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用化值与输入变化值之比，用K 来表示：来表示：dyyKdxx（11）作图法求灵敏度过程xyx1xy0切点切点传感器 特性曲线xmaxyKx2023-1-814n灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。n当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。2023-1-8152.2.分辨力：分辨力：指传感器能检出被测信号指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的

6、变化小于分的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对模拟式传感器，以最小刻度的反应。对模拟式传感器，以最小刻度的一半所代表的输入量表示；对数字式传一半所代表的输入量表示；对数字式传感器，如果没有其他附加说明，可以认感器，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位数值所代表的输入量为该表的最后一位数值所代表的输入量就是它的分辨力。就是它的分辨力。2023-1-8163.线性度：LmaxLmaxmin100%yy 线性度又称非线性误差，是指传感器实际线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之特性

7、曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好性度，非线性误差越小越好 。线性度。线性度的计算的计算公式如下：公式如下：（12）2023-1-817作图法求线性度演示 （1 1拟合曲线拟合曲线 2 2实际特性曲线实际特性曲线）2023-1-818n4.迟滞：传感器在

8、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成为迟滞。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，这个差值称为迟滞差值。n5.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。n6.漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。2023-1-8191.误差产生的因素误差产生的因素：1 1）.粗大误差粗大误差 明显偏离真值的误差称为粗大误差，也明显偏离真值的误差称为粗大误差，

9、也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。差。当发现粗大误差时，应予以剔除。五、测量误差及分类五、测量误差及分类 2023-1-820产生粗大误差的一个例子产生粗大误差的一个例子 2023-1-821 2 2）.系统误差：系统

10、误差：系统误差也称装置误差，它系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以新调整测量仪表的有关部件予以消除。消除。2023-1-8223 3）.随机误差随机误差 在同一条件下，多次测量同一被测量，有时在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值

11、及正、负会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误

12、差都服从正态分布规律。随机误差都服从正态分布规律。2023-1-823随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律长度相对测量值长度相对测量值次次数数统统计计2023-1-8242.2.误差的表示方法误差的表示方法1 1）.绝对误差：绝对误差：=A Ax x0 0 某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg大大米、米、10kg苹果、苹果、1kg巧克力，发现均缺少约巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？最大，是何原因？(1-1)2023-1-8252）.相对误差及精度等级相对误差及精度等级 几个重要公式：

13、几个重要公式：%1000AA%100XXA%100.SFnA实际相对误差：示值（标称）相对误差：满度（引用）相对误差：2023-1-8263）.准确度准确度 100.maxSFAS准确度常用最大（满度）引用相对误差来定义：请思考：1、它表示传感器的最大满度相对误差为多少？2、若已知传感器的准确度和仪表满量程值，测量时的最大示值相对误差为多少？2023-1-827仪表的准确度等级和基本误差仪表的准确度等级和基本误差 例：某指针式电压表的准确度为例：某指针式电压表的准确度为2.52.5级，级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为2.5%2.5%。提问：某

14、提问：某0.10.1级压力传感器的量程为级压力传感器的量程为100MPa100MPa，测量测量50MPa50MPa压力时，传感器引起的最大示值相压力时，传感器引起的最大示值相对误差为多少？对误差为多少？2023-1-828例：某指针式万某指针式万用表的面板如图用表的面板如图所示，问：用它所示，问：用它来测量来测量直流直流、交交流（流（）电压时，电压时，可能产生的满度可能产生的满度相对误差分别为相对误差分别为多少？多少？2023-1-829例：例：用指针式万用用指针式万用表的表的10V量程测量量程测量一只一只1.5V干电池的干电池的电压，示值如图所电压，示值如图所示，问：选择该量示，问：选择该量

15、程合理吗？程合理吗？2023-1-830 用用2.5V量程量程测量同一只测量同一只1.5V干电池的电压，干电池的电压，与上图比较，问与上图比较，问示值相对误差哪示值相对误差哪一个大一个大？2023-1-831六、弹性六、弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。的非电量。2023-1-832弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角位移2023-1-833其他各种弹性敏感元件其他

16、各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。换为角位移或直线位移。2023-1-834压力传感器的压力传感器的外形及内部结构外形及内部结构2023-1-835弹簧管放大图弹簧管放大图 当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。角位移。2023-1-836被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量换成电参量 在右图在右图中，中，电位器电位器为传感元件，为传感元件，它将

17、角位移它将角位移转换为电参转换为电参量量-电阻电阻的变化的变化（R）2023-1-837 360360度圆盘形电位器度圆盘形电位器 右图所右图所示的示的360度圆度圆盘形电位器盘形电位器的中间焊片的中间焊片为滑动片，为滑动片，右边焊片接右边焊片接地，左边焊地，左边焊片接电源。片接电源。接地接地2023-1-838 测量转换电路的作用是将传感元件输出测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。率量。在左图中，当电在左图中，当电位器的两端加上电源位器的两端加上电源后，电位器就组成分后，电位器就组成分压比电路，它的输出压比电路，

18、它的输出量是与压力成一定关量是与压力成一定关系的电压系的电压Uo。2023-1-839分压比电路的计算公式如下分压比电路的计算公式如下：直滑电位器式传感器的直滑电位器式传感器的输出电压输出电压Uo与滑动触点与滑动触点C的位的位移量移量x成正比成正比：oi xUUL 对圆盘式电位器来说，对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：与滑动臂的旋转角度成正比：oi 360UU2023-1-840练习题练习题 1、有一台测温仪表，测量范围为-200+800C，准确度为0.5级。现用它测量500C的温度，求仪表引起的绝对误差和相对误差。2、有两台测温仪表，测量范围为-200+300C和0+800C，已知两台仪表的绝对误差最大值tmax=5C，试问哪台表精度高？3、有三台测温仪表量程均为600C，精度等级分别为2.5级、2级和1.5级，现要测量温度为500C的物体，允许相对误差不超过2.5%，问选用哪台最合适（从精度和经济性综合考虑）?2023-1-841休休 息息 一一 下下