《傳感器基礎(chǔ)》ppt課件

1、第1章 傳感器基礎(chǔ),1.1 傳感器的作用和地位 1.2 傳感器的組成與分類 1.3 傳感器的物理基礎(chǔ) 1.4 傳感器的基本特性與標(biāo)定 1.5 傳感器中的彈性敏感元件,1. 1 傳感器的作用和地位,1. 傳感器的作用 　現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代， 來(lái)自自然界的物質(zhì)信息都需要通過傳感器進(jìn)行采集才能獲取。 如圖1-1所示， 人們把電子計(jì)算機(jī)比作人的大腦， 把傳感器比作人的五種感覺器官， 執(zhí)行器比作人的四肢。 盡管

2、傳感器與人的感覺器官相比還有許多不完善的地方， 但傳感器在諸如高溫、 高濕、 深井、 高空等環(huán)境及高精度、 高可靠性、 遠(yuǎn)距離、 超細(xì)微等方面所表現(xiàn)出來(lái)的能力是人的感官所不能代替的。 傳感器的作用包括信息的收集、 信息數(shù)據(jù)的交換及控制信息的采集三大內(nèi)容。,圖1-1 人體和機(jī)器的對(duì)應(yīng)關(guān)系,2. 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域　　1) 傳感器在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用　　在石油、 化工、 電力、 鋼鐵、 機(jī)械等工業(yè)生產(chǎn)中需要及時(shí)檢測(cè)各種工藝

3、參數(shù)的信息， 通過電子計(jì)算機(jī)或控制器對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)化控制， 如圖1-2所示。 傳感器是任何一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。,圖1-2 　微機(jī)化檢測(cè)與控制系統(tǒng)的基本組成,2) 傳感器在汽車中的應(yīng)用 　　目前， 傳感器在汽車上不只限于測(cè)量行駛速度、 行駛距離、 發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度以及燃料剩余量等有關(guān)參數(shù)， 而且在一些新設(shè)施中， 如汽車安全氣囊、 防滑控制等系統(tǒng)， 防盜、 防抱死、 排氣循環(huán)、 電子變速控制、 電子燃料噴射等裝置以及汽車

4、“黑匣子”等都安裝了相應(yīng)的傳感器。 美國(guó)為實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)化， 曾在一輛汽車上安裝了90多只傳感器去檢測(cè)不同的信息。,3) 傳感器在家用電器中的應(yīng)用 　　現(xiàn)代家庭中，用電廚具、空調(diào)器、 電冰箱、 洗衣機(jī)、 電子熱水器、安全報(bào)警器、吸塵器、電熨斗、照相機(jī)、音像設(shè)備等都用到了傳感器。 　　4) 傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用 　　在生產(chǎn)用的單能機(jī)器人中， 傳感器用來(lái)檢測(cè)臂的位置和角度； 在智能機(jī)器人中， 傳感器用作視覺和觸覺感知器。

5、 在日本， 機(jī)器人成本的二分之一是耗費(fèi)在高性能傳感器上的。,5) 傳感器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用　　在醫(yī)療上，應(yīng)用傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量人體溫度、 血壓、 心腦電波，并幫助醫(yī)生對(duì)腫瘤等進(jìn)行診斷。 　　6) 傳感器在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用　　為了保護(hù)環(huán)境， 研制用以監(jiān)測(cè)大氣、 水質(zhì)及噪聲污染的傳感器， 已被世界各國(guó)所重視。 ,7) 傳感器在航空航天中的應(yīng)用 　　飛機(jī)、火箭等飛行器上，要使用傳感器對(duì)飛行速度、加速度、飛行距離及飛行方向、飛行

6、姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。 　　8) 傳感器在遙感技術(shù)中的應(yīng)用 　　在飛機(jī)及衛(wèi)星等飛行器上， 利用紫外、 紅外光電傳感器及微波傳感器來(lái)探測(cè)氣象、 地質(zhì)等信息。 在船舶上， 利用超聲波傳感器進(jìn)行水下探測(cè)。,9) 傳感器在軍事方面的應(yīng)用　　利用紅外探測(cè)可以發(fā)現(xiàn)地形、 地物及敵方各種軍事目標(biāo)。 紅外雷達(dá)具有搜索、 跟蹤、 測(cè)距等功能， 可以搜索幾十到上千千米的目標(biāo)。 紅外探測(cè)器在紅外制導(dǎo)、 紅外通信、 紅外夜視、 紅外對(duì)抗等方面也有廣泛的應(yīng)

7、用。,3. 傳感器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位　　傳感器技術(shù)不僅對(duì)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)、 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展起到基礎(chǔ)和支柱的作用， 同時(shí)也被世界各國(guó)列為關(guān)鍵技術(shù)之一。 可以說“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)， 沒有傳感器也就沒有人類現(xiàn)代化的生活環(huán)境和條件”， 傳感器技術(shù)已成為科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。,,1.2 傳感器的組成與分類,1.2.1 傳感器的組成　　從功能上講， 傳感器通常由敏感元件、 轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路組成，

8、如圖1-3所示。 敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺?或響應(yīng))被測(cè)量對(duì)象的部分。 在完成非電量到電量的變換時(shí)， 并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接轉(zhuǎn)換成電量， 往往是先變換為另一種易于變成電量的非電量， 然后再轉(zhuǎn)換成電量。,圖1-3 傳感器的組成,1.2.2 傳感器的分類　　1) 按輸入量(被測(cè)對(duì)象)分類　　輸入量即為被測(cè)對(duì)象。 按輸入量分類， 傳感器可分為物理量傳感器、 化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。 其中， 物理量傳感器又可

9、分為溫度傳感器、 壓力傳感器、 位移傳感器等等。 這種分類方法給使用者提供了方便， 容易根據(jù)被測(cè)對(duì)象選擇所需要的傳感器。,2) 按轉(zhuǎn)換原理分類　　從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來(lái)說， 通常分為結(jié)構(gòu)型、 物性型和復(fù)合型三大類。 結(jié)構(gòu)型傳感器利用機(jī)械構(gòu)件(如金屬膜片等)在動(dòng)力場(chǎng)或電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生變形或位移， 將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、 電感、 電容等物理量， 它是利用物理學(xué)運(yùn)動(dòng)定律或電磁定律實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。 物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性

10、及其各種物理、 化學(xué)效應(yīng)(即物質(zhì)定律， 如虎克定律、 歐姆定律等)來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的。 它是以半導(dǎo)體、 電介質(zhì)、 鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。 復(fù)合型傳感器是由結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器組合而成的， 兼有兩者的特征。 例如， 電阻式、 電感式、 電容式、 壓電式、 光電式、 熱敏、 氣敏、 濕敏、 磁敏傳感器等等。 這種分類方法清楚地指明了傳感器的原理， 便于學(xué)習(xí)和研究。,3) 按輸出信號(hào)的形式分類　　按輸出信號(hào)的形式， 傳感器

11、可分為開關(guān)式、 模擬式和數(shù)字式。 　　4) 按輸入和輸出的特性分類　　按輸入和輸出特性， 傳感器可分為線性和非線性兩類。,5) 按能量轉(zhuǎn)換的方式分類　　按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式， 傳感器可分為有源型和無(wú)源型兩類。 有源型也稱能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型， 它把非電量直接變成電壓量、 電流量、 電荷量等， 如磁電式、 壓電式、 光電池、 熱電偶等。 無(wú)源型也稱能量控制型或參數(shù)型， 它把非電量變成電阻、 電容、 電感等。,,1.3 傳感器

12、的物理基礎(chǔ),1.3.1 物理定律　　(1) 守恒定律：它包括能量、動(dòng)量、電荷量等守恒定律。 這些定律是我們?cè)谔剿?、研制新型傳感器或分析、綜合現(xiàn)有傳感器時(shí)必須嚴(yán)格遵守的基本法則。 　　(2) 場(chǎng)的定律： 它包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律、 電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律等， 其作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)有關(guān)。 一般可由物理方程給出， 這些方程可作為許多傳感器工作的數(shù)學(xué)模型。 例如， 利用靜電場(chǎng)制成的電容式傳感器， 利用電磁感應(yīng)定律制成的電感(自感或

13、互感)式傳感器等等。 利用場(chǎng)的定律制成的傳感器， 可統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)型傳感器。,(3) 物質(zhì)定律： 它是表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律(如虎克定律、 歐姆定律)， 通常以這種物質(zhì)所固有的物理常數(shù)加以描述。 因此， 這些常數(shù)的大小決定著傳感器的主要性能。 如利用半導(dǎo)體物質(zhì)法則——壓阻、 熱阻、 光阻、 濕阻等效應(yīng)， 可分別制成壓敏、 熱敏、 光敏、 濕敏等傳感器件； 利用壓電晶體物質(zhì)法則——壓電效應(yīng)， 可制成壓電式傳感器等等。 這種基于物質(zhì)定

14、律的傳感器， 可統(tǒng)稱為物性型傳感器。 這是當(dāng)代傳感器技術(shù)領(lǐng)域中具有廣闊發(fā)展前景的傳感器。 　　(4) 統(tǒng)計(jì)法則： 它是把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的物理法則， 這些法則常常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)。 它是分析某些傳感器的理論基礎(chǔ)， 這些方面的研究尚待進(jìn)一步深入。,1.3.2 物理效應(yīng)　　1. 熱電效應(yīng)　　(1) 塞貝克效應(yīng)： 該效應(yīng)說明了可利用將兩種金屬線接成閉合回路時(shí)接點(diǎn)溫度不同而產(chǎn)生熱電勢(shì)的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)溫度→電的轉(zhuǎn)換。塞貝克

15、效應(yīng)包括珀?duì)柼?yīng)和湯姆遜效應(yīng)。利用這種將溫度差轉(zhuǎn)換成電勢(shì)的原理可制成熱電偶傳感器。 　　珀?duì)柼?yīng)： 當(dāng)兩種不同金屬材料接觸時(shí)， 自由電子在濃度差作用下發(fā)生擴(kuò)散， 使結(jié)合部?jī)蛇叜a(chǎn)生電勢(shì)差， 稱為接觸電勢(shì)。 珀?duì)柼?yīng)是可逆的， 當(dāng)有電流流過結(jié)合部時(shí)， 兩邊會(huì)分別發(fā)生發(fā)熱和吸熱現(xiàn)象， 實(shí)現(xiàn)電→溫度的轉(zhuǎn)換。 半導(dǎo)體制冷器就是這樣用兩種不同半導(dǎo)體材料制成的。,湯姆遜效應(yīng)： 該效應(yīng)說明同一種導(dǎo)體兩端溫度不同時(shí)， 自由電子在動(dòng)能差作用下

16、發(fā)生擴(kuò)散， 使導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差， 稱為溫差電勢(shì)。 它的逆效應(yīng)是當(dāng)電流流過不同溫度的同種導(dǎo)體結(jié)合部時(shí)， 也會(huì)引起發(fā)熱或吸熱的現(xiàn)象， 實(shí)現(xiàn)溫差→電及電→溫差的轉(zhuǎn)換。 　　(2) 熱電子發(fā)射效應(yīng)： 金屬板在真空中加熱時(shí)發(fā)射電子的現(xiàn)象可實(shí)現(xiàn)熱→電子的轉(zhuǎn)換。紅外成像就是利用這種原理制成紅外攝像管。 ,2. 光磁電效應(yīng)　　(1) 光電子發(fā)射效應(yīng)：它是指在光的作用下電子可逸出物體表面的現(xiàn)象，又稱外光電效應(yīng)。利用這一效應(yīng)可制成光電二極管、 光

17、電倍增管及紫外線傳感器等。 　　(2) 光電導(dǎo)效應(yīng)：它是指半導(dǎo)體材料在光照射時(shí)其電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)光→電阻的轉(zhuǎn)換。利用這一效應(yīng)可制造出光敏電阻。 　　(3) 光伏特效應(yīng)： 它與光電導(dǎo)效應(yīng)同屬于內(nèi)光電效應(yīng)， 不同的是利用光照射PN結(jié)， 使載流子濃度發(fā)生變化， 從而產(chǎn)生電勢(shì)差， 實(shí)現(xiàn)光→電的轉(zhuǎn)換。 光電池、 光敏二極管、 光敏三極管和光敏晶閘管等都是利用這一現(xiàn)象工作的。,(4) 光的熱電效應(yīng)：利用人體輻射的紅外線的熱效應(yīng)制成熱

18、釋電(人體)傳感器及其他紅外探測(cè)器等。 　　(5) 塞曼效應(yīng)：它是指光通過磁場(chǎng)時(shí)光譜離散的現(xiàn)象， 可實(shí)現(xiàn)光磁→光譜的轉(zhuǎn)換。 　　(6) 拉曼效應(yīng)：它是指單色光照射物質(zhì)時(shí)發(fā)出與入射光譜不同的光的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)光→光的轉(zhuǎn)換。 　　(7) 泡克爾斯效應(yīng)： 它是指光通過壓電晶體并在垂直方向加電壓時(shí)，光分成正常光線和異常光線的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)光和電→光的轉(zhuǎn)換。,(8) 克爾效應(yīng)：它是指光通過各種同性物質(zhì)并在垂直方向加電壓時(shí)分成正常光線和

19、異常光線的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)電和光→光的轉(zhuǎn)換。 ,3.磁效應(yīng)　　(1) 霍爾效應(yīng)：它是指電流流過導(dǎo)體或半導(dǎo)體并在與電流同向或垂直的方向加磁場(chǎng)時(shí)，在各個(gè)垂直方向產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象， 可實(shí)現(xiàn)磁和電→電的轉(zhuǎn)換。目前，霍爾元件應(yīng)用非常廣泛。 利用磁場(chǎng)使載流子運(yùn)動(dòng)方向偏移的現(xiàn)象，可以制成磁敏二極管、 磁敏三極管等器件。 　　(2) 磁阻效應(yīng)：它是指電流流過導(dǎo)體或半導(dǎo)體并在與電流相同或垂直的方向加磁場(chǎng)時(shí)電阻增加的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)磁和電→電阻的轉(zhuǎn)換，從

20、而制成磁敏電阻。 　　(3) 磁致伸縮效應(yīng)： 它是指強(qiáng)磁體加磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生變形的現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)磁→變形的轉(zhuǎn)換，用于制成超聲波的發(fā)射器。,4. 壓電效應(yīng)　　壓電效應(yīng)是指強(qiáng)介質(zhì)加壓力時(shí)的極化現(xiàn)象， 可產(chǎn)生電位差以實(shí)現(xiàn)壓力→電的轉(zhuǎn)換， 制成各種壓電式傳感器。 壓電效應(yīng)又是可逆的，不僅可制成超聲波的發(fā)射頭， 而且還可制成超聲波的接收頭。,5.多普勒效應(yīng)　　當(dāng)聲源、光源及微波等波源與觀測(cè)者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 觀測(cè)到的頻率與靜止情況下不相同，這

21、種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。 大家可能都有這種體會(huì)， 當(dāng)一輛鳴著汽笛的汽車從我們身邊通過時(shí)，我們聽到鳴笛的音調(diào)是隨著汽車的接近而升高， 隨著汽車的遠(yuǎn)離而降低， 這就是一個(gè)最常見的多普勒效應(yīng)實(shí)例。 利用多普勒效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)聲、 光(電磁波)→頻率的轉(zhuǎn)換， 廣泛用于速度檢測(cè)、 人體探測(cè)， 甚至天體結(jié)構(gòu)的研究等。,當(dāng)位置固定的發(fā)射器發(fā)出一個(gè)固定頻率的電磁波作用于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，反射回來(lái)的電磁波的頻率會(huì)發(fā)生變化， 這種變化的頻率稱為頻移，也叫多普勒頻率

22、。 多普勒頻率為,(1-1),式中，fR為反射信號(hào)的頻率；f0為發(fā)射信號(hào)的頻率；v為運(yùn)動(dòng)物體的速度；λ0(λ0＝C/f0)為發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)(C為電磁波的傳播速度)。當(dāng)物體作接近運(yùn)動(dòng)時(shí)，v取正值；當(dāng)物體作遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)時(shí)，v取負(fù)值。 　　此外，應(yīng)變效應(yīng)、電渦流效應(yīng)、超導(dǎo)效應(yīng)、集膚效應(yīng)等都可成為傳感器的轉(zhuǎn)換原理。,6. 物理現(xiàn)象　　(1) 熱傳導(dǎo)現(xiàn)象：它是指物質(zhì)不移動(dòng)，熱量從高溫部分向低溫部分移動(dòng)的現(xiàn)象，即熱力學(xué)第一定律，可實(shí)現(xiàn)熱→物性變

23、化的轉(zhuǎn)換。例如，熱敏電阻氣體傳感器、干濕球濕度傳感器就是利用了這一原理。 　　(2) 熱輻射現(xiàn)象： 它是指物體溫度升高時(shí)產(chǎn)生光(電磁波)輻射的現(xiàn)象， 可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)， 其光譜可覆蓋可見光到紅外光范圍。 它是輻射高溫計(jì)、紅外探測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。,,1.4 傳感器的基本特性與標(biāo)定,1.4.1 傳感器的基本特性　　1. 靜態(tài)特性　　靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)各量值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸入與輸出的關(guān)系。 它主要包括靈敏度、 分辨力(

24、或分辨率)、 測(cè)量范圍及誤差特性。,1) 靈敏度 　　靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時(shí)傳感器輸出量y和輸入量x之比，或輸出量y的增量和相應(yīng)輸入量x的增量之比。用k表示為,(1-2),線性傳感器的靈敏度k為一常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度k是隨輸入量變化的量。,2) 分辨力　　傳感器在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)能夠檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量稱為分辨力。 它往往受噪聲的限制，所以一般用相當(dāng)于噪聲電平(N)的若干倍(C)的被測(cè)量表示，即,(C取1~5),式中，

25、M為最小檢測(cè)量。 　　實(shí)際中，分辨力可用傳感器的輸出值來(lái)表示。模擬式傳感器以最小刻度的一半所代表的輸入量來(lái)表示，數(shù)字式傳感器則以末位顯示一個(gè)字所代表的輸入量來(lái)表示。,3) 測(cè)量范圍和量程 　　在允許的誤差范圍內(nèi)， 傳感器能夠測(cè)量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之間的范圍稱為測(cè)量范圍，表示為ymin～ymax。上限值與下限值的差稱為量程，表示為yF.S＝y(tǒng)max－ymin。如某溫度計(jì)的測(cè)量范圍是-20~100℃，量程則為

26、120℃。 ,4) 誤差特性　　(1) 線性度：即非線性誤差。為了便于對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理， 要求傳感器的特性為線性關(guān)系，而實(shí)際的傳感器特性常呈非線性， 這就需要對(duì)傳感器進(jìn)行線性化。傳感器的靜態(tài)特性是在標(biāo)準(zhǔn)條件下校準(zhǔn)(標(biāo)定)的，即在沒有加速度、振動(dòng)、 沖擊，且溫度為(20±5)℃、濕度不大于85%RH、大氣壓力為(101 327±7800)Pa（(760±60)mmHg)的條件下，用一定等級(jí)的設(shè)

27、備，對(duì)傳感器進(jìn)行反復(fù)循環(huán)測(cè)試， 得到的輸入和輸出數(shù)據(jù)用表格列出或畫出曲線，這條曲線稱為校準(zhǔn)曲線。傳感器的校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差(ΔLmax)與滿量程值(yF.S)的百分比稱為線性度，用γL表示，即,(1-4),由此可知非線性誤差是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)算出來(lái)的，基準(zhǔn)直線不同， 所得線性度也不同,如圖1-4所示。 根據(jù)求得擬合直線的方法，可分為端基線性度、 平均選點(diǎn)線性度和獨(dú)立線性度。,圖1-4 傳感器的線性度示意圖,①

28、 端基擬合直線是由傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的一條直線。這種擬合方法簡(jiǎn)單直觀， 應(yīng)用較廣，但擬合精度很低，尤其對(duì)非線性比較明顯的傳感器，擬合精度更差。 　?、?平均選點(diǎn)擬合直線的求法是將若干點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)分成前后數(shù)目相等的兩組，分別求出兩組數(shù)據(jù)相應(yīng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)的平均值， 即,(1-5a),(1-5b),③ 獨(dú)立線性度也稱最小二乘法線性度， 它的擬合直線方程是用最小二乘法求得的， 在全量程范圍內(nèi)各處誤差都

29、最小。 這種方法擬合精度最高， 但計(jì)算很復(fù)雜。,(2) 遲滯： 指在相同工作條件下， 傳感器正行程特性與反行程特性不一致的程度， 如圖1-5所示。 其數(shù)值為對(duì)應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程輸出值間的最大偏差ΔHmax(或最大偏差的一半)與滿量程輸出值的百分比。 用γH表示為,或,(1-6a),(1-6b),圖1-5 傳感器的遲滯特性,(3) 重復(fù)性： 指在同一工作條件下， 輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性

30、， 如圖1-6所示。 在數(shù)值上用各測(cè)量值正、 反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值σ的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示，記作γK， 即,(1-7),圖1-6 傳感器的重復(fù)性,從誤差的性質(zhì)上講， 重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差?？蓞⒖嫉?章按照隨機(jī)誤差的分析方法， 由各次校準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)間的最大誤差Δim求出標(biāo)準(zhǔn)誤差σ，即,(1-8),式(1-7)中，σ前的系數(shù)為置信因數(shù)。若誤差完全按正態(tài)分布， 置信因數(shù)取2時(shí)，置信概率為95%；若置信因數(shù)取3時(shí)，置信概率為99.73

31、%。,(4) 零漂和溫漂： 傳感器無(wú)輸入(或某一輸入值不變)時(shí)， 每隔一定時(shí)間， 其輸出值偏離原始值的最大偏差與滿量程的百分比， 即為零漂。 溫度每升高1℃， 傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比， 稱為溫漂。,2. 動(dòng)態(tài)特性　　動(dòng)態(tài)特性是描述傳感器在被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)的輸出和輸入的關(guān)系。 對(duì)于加速度等動(dòng)態(tài)測(cè)量的傳感器必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的研究， 通常是用輸入正弦或階躍信號(hào)時(shí)傳感器的響應(yīng)來(lái)描述的， 即傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)。 有關(guān)知識(shí)可參

32、考《自動(dòng)控制原理》或《信號(hào)與系統(tǒng)》等教材。,1.4.2 傳感器的標(biāo)定　　1. 傳感器標(biāo)定的意義　　傳感器的標(biāo)定也稱校準(zhǔn)， 就是通過試驗(yàn)的方法找出傳感器輸出量與輸入量之間的相互關(guān)系， 同時(shí)確定在不同使用條件下所呈現(xiàn)的誤差特性。 標(biāo)定后， 在傳感器的使用說明書中給出有關(guān)性能參數(shù)。 在說明書規(guī)定的使用范圍、 條件和期限內(nèi)， 使用者可直接選用這些參數(shù)。,2. 傳感器標(biāo)定工作的內(nèi)容　　(1) 對(duì)新研發(fā)的傳感器進(jìn)行全面的技術(shù)性能鑒定， 并

33、將鑒定的數(shù)據(jù)進(jìn)行量值傳遞。 　　(2) 對(duì)經(jīng)過一段時(shí)間儲(chǔ)存或使用后的傳感器進(jìn)行復(fù)測(cè)， 通過再次鑒定來(lái)判定被復(fù)測(cè)的傳感器是否可以繼續(xù)使用。 對(duì)可以繼續(xù)使用但某些指標(biāo)發(fā)生了變化的傳感器， 則需要重新標(biāo)定并修正相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。 　　(3) 傳感器的標(biāo)定工作分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種。 傳感器的靜態(tài)標(biāo)定主要是檢驗(yàn)、 測(cè)試傳感器或整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)， 如靜態(tài)靈敏度、 線性度、 遲滯、 重復(fù)性等。 傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是

34、檢驗(yàn)、 測(cè)試傳感器或整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)， 如動(dòng)態(tài)靈敏度、 頻率響應(yīng)等。,3. 傳感器標(biāo)定裝置(或系統(tǒng))的組成　　傳感器標(biāo)定裝置的組成具體如下：　　(1) 被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，如活塞式壓力計(jì)、測(cè)力機(jī)、恒溫源、杠桿式和彈簧測(cè)力計(jì)式壓力標(biāo)定機(jī)、激波管標(biāo)定裝置等。 　　(2) 被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、 標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)等。 　　(3) 待標(biāo)定傳感器所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)器及顯示、記錄儀器等。,4.

35、 傳感器的標(biāo)定規(guī)程　　為了保證各種量值的準(zhǔn)確性和一致性， 標(biāo)定時(shí)應(yīng)按計(jì)量部門所規(guī)定的測(cè)定規(guī)程、 要求、 管理方法進(jìn)行。 例如， 關(guān)于力傳感器(或力檢測(cè)系統(tǒng))標(biāo)定時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)裝置的有關(guān)規(guī)定如圖1-7所示。,圖1-7 標(biāo)準(zhǔn)裝置有關(guān)規(guī)定框圖,,1.5 傳感器中的彈性敏感元件,1.5.1 應(yīng)力與應(yīng)變的概念　　1. 應(yīng)力　　截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時(shí)， 物體在單位面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力，記作σ，其值為,(1-9),圖

36、1-8 應(yīng)變種類示意圖 (a) 拉、 壓應(yīng)力； (b) 剪切應(yīng)力,2. 應(yīng)變　　應(yīng)變是物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)變形， 它是一個(gè)無(wú)量綱的物理量。 設(shè)物體原長(zhǎng)度為l， 受力后產(chǎn)生Δl的變形。 若Δl＞0， 則表示物體被拉伸； Δl＜0，則表示物體被壓縮。 其應(yīng)變?chǔ)哦x為,式中，ε稱為縱向應(yīng)變。由于應(yīng)變的量值非常小，常用微應(yīng)變(με)作為單位，1με＝10-6ε。,當(dāng)物體縱向發(fā)生變形時(shí)，其橫向發(fā)生相反變形，稱為橫向應(yīng)變。為了區(qū)別，將前

37、者記作εl，后者記作εr，有,(1-11),式中，μ為泊松比。 　　由切應(yīng)力所產(chǎn)生的變形稱為切應(yīng)變。 如圖1-8(b)所示, 力F使角點(diǎn)產(chǎn)生位移x，切應(yīng)變?chǔ)每赏ㄟ^近似直角三角形求出， 即,式中，L為固定端至力作用點(diǎn)之間的距離。,(1-12),3. 虎克定律與彈性模量　　虎克定律：當(dāng)應(yīng)力未超過某一限值時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比， 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為,式中，E為彈性模量或稱楊氏模量，單位為N/m2；G為剪切模量或稱剛性模量；τ為切應(yīng)力。,1

38、.5.2 彈性敏感元件的特性　　1. 剛度　　剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度，一般用K來(lái)表示。設(shè)F為作用在彈性元件上的外力，x為彈性元件產(chǎn)生的變形， 則有,(1-15),如圖1-9所示， 彈性特性曲線上某點(diǎn)A的剛度為該點(diǎn)切線與水平線夾角θ的正切值， 即,(1-16),圖1-9 特性曲線,2. 靈敏度　　靈敏度就是彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小， 一般用k表示，即,(1-17),可見，靈敏度與剛度互為倒數(shù)。

39、,3. 固有振動(dòng)頻率　　彈性敏感元件的動(dòng)態(tài)特性與它的固有頻率f0有很大的關(guān)系， 其固有振動(dòng)角頻率為,(1-18),式中，m為彈性敏感元件的質(zhì)量。,1.5.3 彈性敏感元件的材料,表1-1　常用彈性材料性能表,1.5.4 彈性敏感元件的類型　　1. 變換力的彈性敏感元件　　變換力的彈性敏感元件形式如圖1-10所示。,圖1-10 變換力的彈性敏感元件實(shí)心軸； (b) 空心軸； (c)、 (d) 等截面圓環(huán)； (e) 變形的圓環(huán)

40、； (f) 等截面懸梁； (g) 等強(qiáng)度懸臂梁； (h) 變形的懸臂梁； (i) 扭轉(zhuǎn)軸,2. 變換壓力的彈性元件　　均勻分布作用于物體的力稱為壓力。 例如氣體或液體的壓力等。 變換壓力的彈性元件如圖1-11所示。,圖1-11 變換壓力的彈性敏感元件(a) 彈簧管； (b) 波紋管； (c) 等截面薄板； (d) 膜盒； (e) 薄壁圓筒； (f) 薄壁半球,彈簧管又稱波登管，是彎成C形的各種空心管。 它用來(lái)把壓力變成自由端的