第四章传感器及其接口技术 41概述 在机电一体化系统中有各种不同的物理量如位移、压力 速度等)需要测量与控制,如果没有传感器对原始的各种参数进 行精确而可靠的检测,那么对机电产品的各种控制是无法实现 的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机 电一体化系统中不可缺少的组成部分。 作为一个独立器件,传感器的发展正进入集成化、智能化 研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上,就 形成了信息型传感器;惹再把微处理器集成到信息型传感器的 芯片上,就是所谓的智能型传感器
第四章 传感器及其接口技术 4.1 概述 在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、 速度等)需要测量与控制，如果没有传感器对原始的各种参数进 行精确而可靠的检测，那么对机电产品的各种控制是无法实现 的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机 电一体化系统中不可缺少的组成部分。 作为一个独立器件，传感器的发展正进入集成化、智能化 研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就 形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的 芯片上，就是所谓的智能型传感器
4传感器的定义 ■传感器:传感器是一种以一定的精确度将 被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之有确 定对应关系的、易于精确处理和测量的某 种物理量(如电量)的测量部件或装置
◼ 4.1.1 传感器的定义 ◼ 传感器： 传感器是一种以一定的精确度将 被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之有确 定对应关系的、易于精确处理和测量的某 种物理量(如电量)的测量部件或装置
42组成 组成:敏感元件、转换元件、电子线路等 组成。 1敏感元件直接感受被测量、并以确定关系输出 物理量。如弹性敏元件将力转换为位移或应变输出。 2转换元件将敏感元件输出的非电物理量(如位 移、应变、光强等)转换成电量参数(如电阻、电感、 电容等)等。 3基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的 电量,如电压、电流、频率等。 直接转换与间接转换
◼ 4.1.2 组成 ◼ 组成：敏感元件、转换元件、电子线路等 组成。 ◼ 1 敏感元件 直接感受被测量、并以确定关系输出 物理量。如弹性敏元件将力转换为位移或应变输出。 ◼ 2 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量(如位 移、应变、光强等)转换成电量参数(如电阻、电感、 电容等)等。 ◼ 3 基本转换电路 将电路参数量转换成便于测量的 电量，如电压、电流、频率等。 ◼ 直接转换与间接转换
被测量敏感 转换 基本转[电量 元件 元件 换电路 传感器的组成
传感器的组成
413传感器的特性 传感器比较常用的性能指标有以下几种 ■1.关于输入量的特性: ■()量程或测量范围 传感器预期要测量的被测量值的范围,一般 用传感器允许测量的上下极限值来表示,其中上 限值也称为满量程FS。 (2)过载能力 传感器允许承受的最大输入量(被测量)通常用 一个最大允许值或满量程的百分比来表示
4.1.3 传感器的特性 ◼ 传感器比较常用的性能指标有以下几种 ◼ 1. 关于输入量的特性： ◼ (1) 量程或测量范围 ◼ 传感器预期要测量的被测量值的范围，一般 用传感器允许测量的上下极限值来表示，其中上 限值也称为满量程FS。 ◼ (2) 过载能力 ◼ 传感器允许承受的最大输入量(被测量),通常用 一个最大允许值或满量程的百分比来表示
2.关于输入输出关系的静态特性 (1)精度 ■表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。 般用“极限误差”或极限误差与满量程的比值按 百分数给出 (2)重复性 反映传感器在工作条件不变的情况下,重复地输 入某一相同的输入值,其输出值的一致性,其意 义与精度类似。 3线性度 也称非线性,表示传感器输出与输入之间的关 系曲线与选定的工作曲线的靠近程度,采用工作 直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程 输出之比来表示
◼ 2. 关于输入输出关系的静态特性 ◼ (1)精度 ◼ 表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一 般用“极限误差”或极限误差与满量程的比值按 百分数给出。 ◼ (2)重复性 ◼ 反映传感器在工作条件不变的情况下，重复地输 入某一相同的输入值，其输出值的一致性，其意 义与精度类似。 ◼ (3)线性度 ◼ 也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关 系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，采用工作 直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程 输出之比来表示
F. S 6,=±-m100 FS δ非线性误差(线性度) max 最大非线性绝对误差 Yκs输出满量程
max 1 FS 1 max FS 100% Y ( ) Y = 非线性误差 线性度 最大非线性绝对误差 输出满量程
(4)灵敏度 传感器输入增量与输出增量之比; ⑤5稳定性(温度漂移,时间零漂) 时间零漂:在规定的时间内,在温度不变的条件下, 零输出的变化; 温度漂移:当温度发生变化时,其输出特性的变化, 通常用零点输出变化值表示,也可以用它与满量 程的比值来表示
◼ (4) 灵敏度 ◼ 传感器输入增量与输出增量之比； ◼ (5) 稳定性(温度漂移，时间零漂) ◼ 时间零漂: 在规定的时间内，在温度不变的条件下， 零输出的变化； ◼ 温度漂移:当温度发生变化时，其输出特性的变化， 通常用零点输出变化值表示，也可以用它与满量 程的比值来表示
3.动态响应特性 在被测量的物理量随时间变化的情况下,传感器的输 出能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有 的传感器尽管其静态持性非常好,但由于不能很好追随输 入量的快速变化而导致严重误差,这种动态误差若不注 加以控制,可以高达百分之几十其至百分之百。在被测信 变化速度较快的情况下要求我们要认真注意传感器的动 频率响应特性 幅频特性 相频特性 阶跃响应特性 时间常数 上升时间 过冲量(超调 固有频率 阻尼比(对数减缩)
◼ 3. 动态响应特性 ◼ 在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输 出能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有 的传感器尽管其静态持性非常好，但由于不能很好追随输 入量的快速变化而导致严重误差，这种动态误差若不注意 加以控制，可以高达百分之几十其至百分之百。在被测信 号变化速度较快的情况下要求我们要认真注意传感器的动 态响应持性。 ◼ 频率响应特性 ◼ 幅频特性 ◼ 相频特性 ◼ 阶跃响应特性 ◼ 时间常数 ◼ 上升时间 ◼ 过冲量(超调量) ◼ 固有频率 ◼ 阻尼比(对数减缩)
414传感器的分类 传感器的分类方法有多种; ■1、按被测物理量的性质分;位移传感器、温 度传感器、压力传感器等等; 2、按工作机理分;电阻式、电感式、电容式 光电式; 3、按照输出信号的性质分类;可分为开关型 (二值型)、数字型和模拟型,如下图所示
◼ 4.1.4 传感器的分类 ◼ 传感器的分类方法有多种; ◼ 1、 按被测物理量的性质分；位移传感器、温 度传感器、压力传感器等等； ◼ 2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、 光电式； ◼ 3、按照输出信号的性质分类；可分为开关型 (二值型) 、数字型和模拟型，如下图所示：