传感器总结ppt

检测技术 是研究信息的提取、转换及其处理的一门应用技术科学。一个完整的检测系统包括三部分：传感器 、信号调理器 和输出单元 .

传感器：将被测量（非电量）转换成电信号的器件或装置，一般由敏感元件、转换元件及其辅助部分组成。它涉及物理、化学、生物等多学科原理与知识，是检测系统中最重要的环节，决定着检测器的主要特征。 信号调理器：对传感器输出的电信号进行加工处理的单元，目的是使电信号规范化、标准化，便于与后续显示或应用环节衔接。主要有放大、滤波、非线性处理和信号变换等几大功能块，使用的工具主要是电子技术和计算机技术。

输出单元：对经过信号调理后的电信号进行显示、记录，或者传输至数据通信接口、控制执行装置等环节。这些涉及仪表、控制、计算机等学科领域，主要的问题有信号显示、数据采集与接口等。

传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其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组成

传感器的功能和作用：面对各种各样的被测量，如热、光、力、磁、速度、湿度、浓度等，将它们正确地反映出来，并加以量化表述，然后将此信号输出，或显示，或实施，或提供给决策单元。

传感器一般由敏感元件、转换元件及其辅助环节组成。其中，敏感元件直接感受和响应被测量，其输出可能是电量，也可能是另一非电量，但它们与被测量有对应关系；转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（如电阻、电感等）或者电量；辅助环节主要是支持被测量转换成电量的部分，例如，如果转换元件的结果是电路参数，该环节就将电路参数转换为电量，如电压、频率等形式。

传感器静态特性：当被测量的各值处在稳定状态的时候，传感器的输出值与输入值之间的数学表达式、曲线或数表所表述的主要性质。描述传感器的静态特性的基本参数和技术性能指标有：灵敏度、阈值、分辨力、线性度、滞后度、精度等。

按工作原理分的传感器

灵敏度 定义：传感器在稳定条件下，输出变化量与输入变化量之比。 X

Y K

??=对于线性传感器，灵敏度为： 这里 K 为常数，

为输入变化量， 为输出变化量。 x ?y ? 静态特性曲线 （直线）的线斜率越大，其灵敏度越高。

阈值：传感器的输入从零开始缓慢增加时，达到某一最小值才使传感器输出变化，称此最小输入值为阈值，该值为传感器最小可测出的输入量。

分辨力：传感器的输入从非零的任意值缓慢增加，超过某一输入增量后输出才变化,该输入增量称为传感器的分辨力。它说明传感器可测出的最小输入变量。该值除以满量程输入值，然后乘 100% 即为分辨率。

线性度（非线性误差） 定义：在规定条件下，输入-输出特性曲线与理论（拟合）直线间最大偏差与满量程（F.S ）输出值的百分比，称为线性度。 %100|

|.max ??=S

F L Y Y δmax Y ?S F Y ?0max Y Y Y S F -=?——校准曲线与拟合直线间的最大偏差；

——系统满量程输出 滞后度 定义：传感器输入量增大行程（正行程）和输入量减小行程（反行程）， 输出—输入特性曲线不重合，称为滞后。滞后误差又称回程误差，或者变差： %

100m ax

??±=?S F H Y H δ漂移 定义：是指在一定工作条件下，保持输入信号不变，输出信号随时间或 温度变化而出现的缓慢变化程度。它反映传感器的稳定性。产生原因是传感器结构或者环境。 零漂 ：输入为零时产生的漂移。 时漂：随时间变化而出现的漂移； 温漂：随环境温度变化而出现的漂移； 精确度 精密度：对具有某特点的被测量，由同一人、用同一传感器在短时间内连 续重复测量多次，以检验测量结果的分散程度。它表示随机误差大小。 准确度：传感器输出值与真值的偏离程度。 精确度：简称精度，它是精密度和准确度的综合，即系统误差和随机误差的综合 ，表示测量结果与真值的一致程度。精确度涉及真值，由于真值的不可知性，所以 它仅是一个定性的概念。

DN50 的浮子流量计的流量测量范围：1.6~16m3/h,其引用误差为1.5%，则测量下限时

的读数误差为多少？ 解：引用误差：

绝对误差：%

100??=

m

m x x

r

测量下限1.6m3/h 时的读数误差：

h

m x r x m m /216.0%100)6.116(015.0%1003=?-?=??=?说明：读数误差更能反映当前测量值的准确性。

%

5.13%1006

.1216

.0%1000

max

=?≈??=

x x

r 准确度等级：（行业标准）

0.1级,0.2级,0.5级,1级,1.5级，由误差的性质和大小决定。 等级归属：就低原则

若误差刚好在两极之间，则该仪表应归属于最接近的精度较低 的一级，如引用误差为0.3%归属0.5级。

误差存在的普遍性：

实验方法、实验设备的局限性，周围环境的影响，人为因素，测得的数值和真值之间

总存在一定差异，在数值上表现为误差 。

误差存在的必然性：

随着科技的水平的不断进步和人类认识水平的发展，误差被控制得越来越小，但始终

不能完全消除，即误差是不受人们的主观影响而客观存在的。

测量结果与被测量真值之差。 测量误差：

式中 Δx ———测量误差 x ———测量结果 0

x x x

?=-测量误差——绝对误差。

绝对误差 (测量误差)：

相对误差（示值误差、读数误差 “R ”）：测量的绝对误差与被测量的真值之比， 又分实际相对误差和标称（示值）相对误差。 %100%1000??≈??=

x x

x x r （当绝对误差很小时） 引用误差：（满度误差、额定误差）“FS ” %100??=m

m x x

r 式中：x m ——最大刻度与最小刻度之差(量程) 0x x x

?=-

按特性规律分类：系统误差、随机误差、粗大误差 ② 随机误差（Random error ）

因许多不确定性因素而随机发生 偶然性（不明确、无规律） 概率和统计性处理（无法消除/修正） ③ 粗大误差（Abnormal error ） 检测系统各组成环节发生异常和故障等引起

异常误差---混为系统误差和随机误差---测量结果失去意义 分离 --- 防止

测量误差的处理基本原则：予以消除或减小。能够消除的，应该消除；消除不了的， 或者要付出过高代价才能消除的，应予以减小。 ① 系统误差（System error ） --- 有规律可循 由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生，如装 置、环境、动力源变化、人为因素。 理论分析/实验验证 --- 原因和规律 --- 减少/消除 性质：有界性、单峰性、对称性、抵偿性 随机误差的定义： 在测量的过程中，因存在许多随机因素对测量造成的干扰，而使得测量附加有大小

和方向都难于预测的测量误差。 条件：测量次数足够多；仪器精度和灵敏度足够高。 测量列：对某一固定量μ做n 次测量，测得x 1,x 2,x 3…..,x n ，称为测量列，

其概率密度函数为

()?

??

???--=22

2ex p 21)(σμπσx x f 1. 随机误差及其处理

μ——真值，期望值 ∑=∞→=n

i i n x

n

11

lim μσ:均方根误差/标准误差 ()n x n n

i i n i i n ∑∑==∞→-=

=1

212lim μδσ实践和理论证明，大量的随机误差服从正态分布规律。 (

)

∑

∑∑

===-=-=n i i n i i n i i nx x x x 10

101δ真实值与算术平均值 根据随机误差的抵偿特征，即 ，于是 01lim 1

=∑

=∞

→n i i

n n

δ010111x x x x n n n

i i n i i ∑

∑==-=-=δx

x n

n i i

==

∑=1

1?

μ

可见，当测量次数很多时，算术平均值趋于真实值。测量次数越多，算术平均值受

随机误差的影响越小。因此可用多次测量的算术平均值代替真值。 系统误差 原因： ① 由于测量设备、试验装置不完善，或安装、调整、使用不得当引起的误差。如测量仪表未经校准投入使用。 ② 由于外界环境影响而引起的误差。如温度漂移、测量现场电磁场的干扰等。 ③ 由于测量方法不正确，如使用大惯性仪表测量脉动气流的压力，则测量结果不可能是气流的实际压力，甚至也不是真正的时均值。 ④ 测量人员方面因素引起误差。如测量者在刻度上估计读数时，习惯偏于某一方向；动态测量时，记录某一信号有滞后的倾向。 特点： 再现性 --- 偏差（Deviation ） 理论分析/实验验证 --- 原因和规律 --- 减少/消除 粗大误差 定义：粗大误差是指不能用测量客观条件解释为合理的那些突出误差，歪曲测量结果。 原因： 测量者的主观原因，测量时操作不当或粗心、疏忽造成读数、记录的错误； 客观外界条件的原因，测量条件意外的改变如机械冲击、振动、电源大幅度波动等引起示值的改变。 最常用的方法： 粗大误差准则：即采用去掉最大、最小值，再取平均值的方法。 拉伊特准则、格拉布斯准则 练习1：DN100 的超声波流量计的流速测量范围：0~30m/s, 其满度误差为0.2%，则流速3m/s 、1m/s 、0.5m/s 时的读数误差为多少？ 练习2：在有机分析中，测得某化合物含氢的百分比为：2.75，2.76，2.79，2.78，2.76，2.78，2.74，2.76，2.74，试给出测量结果的最佳表达式？并用 t 分布估计精度参数？

ρ

ρρ

d S

L

dS S L

dL S

dR +-

=

2

d

S

L R =?=，ρ

ρρ

?

+?-?=?S S L L R R

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性元件组合起来的传感器。 电阻应变式传感器的应变片可分为金属电阻应变片和半导体式应变片。 单根导线的电阻 Ｒ：电阻率ρ、长度L 和截面积Ｓ，其关系：

S L

R ρ

=

在均匀拉伸应力σ的作用下，导线电阻的相对变化量为：

电容式传感器（capacity transducer/sensor ）是以电容器作为传感元件，将被测物理量转换为电容的变化量，再经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且可以用于压力、压差、液位、成分含量等方面的测量。

优点：

精度可达±0.075％。

灵敏度高：利于微压测量。

动态响应好：适合动态信号测量。

ΔC/C 相对变化量大：30—50％ 输出信号大、抗干扰能力强。 结构简单，环境适应性强，工作稳定性优良。 抗过载能力强，过载消除后可恢复正常工作。 非接触式测量。

缺点：

安装方位有影响；

存在分布电容的影响；

测量膜片工作特性存在非线性。

制造难度大：（微位移：0.1mm），加工精度要求高。

开环 误差按1：1 传递。膜片微小蠕变、测量电路误差 影响整机性能。

陶瓷电容压力传感器（变送器）

传感器基底和膜片都采用陶瓷，衬底和膜片电极构成电容，中间无传递液，压力直接作用在陶瓷膜片上。其优点是安装位置无影响，无污染，抗腐蚀性好、温漂小、过载能力强，可测量低微压力；缺点差压传感器制作困难。

硅电容压力传感器（变送器）

对称的差动电容被刻蚀到单晶硅片上，压力使硅片弯曲，电容器两极间的距离发生了改变，传感器的电容值相应的也变了。这种传感器兼有电容式和硅传感器的优点，国内外都是研究热点，并有相关产品，如富士、沈阳传感器研究所等都在研究生产，具有很大发展前景。

上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm 的函数，改变或S 均可导致电感变化。因此，气隙式传感器又分为变气隙厚度的变间隙式传感器和变气隙面积S 的变面积式传感器。因为变化的都是磁阻，所以气隙式传感器又称为变磁阻式传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度的变间隙式电感传感器。

交流电桥的特点是：

1}电桥输出与间隙变化量 ?δ 有关，并有正比关系；

2) 桥路输出与电桥电压 U 有关，桥压U 升高，输出 U0 增加； 3) 桥路输出与初始间隙 0δ 有关，初始间隙越小输出越大。

互感式传感器是把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。这种传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。是根据变压器的基本原理制成的，采用两个二次绕组的同名端反向串接，以差动形式输出，故又称差动变压器式传感器。一、二次绕组间的互感随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。