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1、电气测量技术,申忠如,信号的检测与变换,河南工业大学电气工程学院 赵亮教学2楼420 67758833,4.1 传感器 4.1.1 传感器的定义 4.1.2 传感器的组成 4.1.3 传感器分类4.2 传感器的特性 4.2.1 传感器的静态特性 4.2.2 传感器的动态特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,4.3 常见的传感器 4.3.1 应变式传感器 4.3.2 压阻式传感器 4.3.3 热电阻式传感器 4.3.4 电涡流式传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,4.1 传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,传感器的定义 传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电
2、量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置.,4.1.1 传感器的定义,4.1 传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,传感器的定义的解释 传感器是测量装置,能完成检测任务 它的输入量是某一被测量,如物理量、化学量、生物量等 它的输出是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,这种量可以是气、光、电量，但主要是电量 输出与输入间有对应关系,且有一定的精确度,4.1.1 传感器的定义,4.1 传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,传感器的组成,4.1.2 传感器的组成,传感器组成框图,敏感元件 它是直接感受被测量,并输出与被测量 成确定关系的
3、某一物理量的元件.转换元件 敏感元件的输出就是它的输入,它把输 入转换成电路参数.转换电路 将上述电路参数接入转换电路,并转换 成电量输出.,4.1 传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,传感器的分类方法,4.1.3 传感器分类,(1)按照传感器的工作机理，可分为物理型、化学 型、生物型等,(2)按构成原理,可分为结构型和物性型两大类,(3)按传感器的能量转换情况,可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器,(4)按照传感器的使用来分类,可分为位移传感器、压力传感器、振动传感器，温度传感器等,4.1 传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,结构型传感器 结构型传感器是利用物理学
4、中场的定律构成的,包括力场的运动定律,电磁场的电磁定律等.这类传感器的特点是传感器的性能与它的结构材料没有多大关系,如差动变压器.,4.1.3 传感器分类,物性型传感器 物性型传感器是利用物质定律构成的,如欧姆定律 等.物性型传感器的性能随材料的不同而异,如光电 管、半导体传感器等.,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,传感器的静态特性,4.2.1 传感器的静态特性,线性度灵敏度迟滞重复性零点漂移温漂静态标定,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,线性度,4.2.1 传感器的静态特性,传感器的输出-输入特性一般可用下列多项式表示,最大值与输出满
5、度值之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,传感器的静态特性,4.2.1 传感器的静态特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,灵敏度,4.2.1 传感器的静态特性,4.2 传感器的特性,灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量y与引起此变化的输入变化量x之比,用k表示.,(a)线性传感器(b)非线性传感器 灵敏度,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,迟滞,4.2.1 传感器的静态特性,迟滞特性 重复性,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,迟滞,4.2.1 传感器的静态特性,用最大
6、输出差值Hmax对满量程输出YFS的百分比表示,即,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,重复性,4.2.1 传感器的静态特性,。,正反行程中的最大偏差,或,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,零点漂移,4.2.1 传感器的静态特性,传感器无输入时,每隔一段时间进行读数,其输出偏离零值,即为零点漂移.,零漂,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,温漂,4.2.1 传感器的静态特性,温漂表示温度变化时,传感器输出值的偏离程度.一般以温度变化1,输出最大偏差与满量程的百分比,温漂,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业
7、大学 2011年,静态标定,4.2.1 传感器的静态特性,将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点,根据传感器量程分点情况,由小到大输入标准量值,并记录下与各输入值相对应的输出值,将输入值由大到小地减少,记录下与各输入值相对应的输出值,按以上所述过程,对传感器进行正、反行程多次测试,一般是3次,将得到的输出-输入数据用表格或曲线表示出来,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,动态特性,4.2.2 传感器的动态特性,传感器的动态特性是指在测量随时间变化的动态非电量时传感器输出与输入之间的关系,即传感器的输出对随时间变化的输入量的反应能力.一个动态特性好的传感器,不仅要能
8、精确地反映被测动态量的大小,还要迅速地再现被测量随时间变化的规律.,在研究传感器的动态特性时,将大多数传感器简化为一阶或二阶系统;同时,可以从时域和频域两个方面来进行分析.,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,瞬态响应特性,4.2.2 传感器的动态特性,一阶传感器的单位阶跃响应,二阶传感器的单位阶跃响应,瞬态响应特性指标,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,一阶传感器的单位阶跃响应,4.2.2 传感器的动态特性,设x(t)和y(t)分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数,则一阶传感器的传递函数为,当输入为单位阶跃信号时(X(s)=1/s
9、)传感器输出的拉氏变换为,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,一阶传感器的单位阶跃响应,4.2.2 传感器的动态特性,一阶传感器单位阶跃响应,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器的单位阶跃响应,4.2.2 传感器的动态特性,二阶传感器的传递函数为,在单位阶跃信号作用下,传感器输出的拉氏变换为,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器的单位阶跃响应,4.2.2 传感器的动态特性,为临界阻尼,超调量为100%,产生等幅振荡,达不到稳态.,1,为过阻尼,无超调也无振荡,但反应迟钝、动 作缓慢,达到稳态所需时
10、间较长.,1,为欠阻尼,衰减振荡,达到稳态值所需时间随的减小而加长.,=时响应时间最短.在实际使用中,为了兼顾有短 的上升时间和小的超调量,一般传感器都设计成欠阻 尼式的,阻尼比一般取在0.60.8之间.,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器的单位阶跃响应,4.2.2 传感器的动态特性,二阶传感器单位阶跃响应,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,瞬态响应特性指标,4.2.2 传感器的动态特性,一阶传感器的性能指标是时间常数,越小响应速度越快.,二阶传感器的性能指标可由上图表示,各指标定义为,上升时间tr 输出由稳态值的10%变化到稳
11、态值的90%所用的时间.,调整时间ts 系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间,峰值时间tp 阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间,超调量 传感器输出超过稳态值的最大值A,常用相对于稳态值的百分比表示,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器的动态性能指标,4.2.2 传感器的动态特性,二阶传感器的动态性能指标,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,一阶传感器的频率特性,4.2.2 传感器的动态特性,将一阶传感器的传递函数中的s用j代替,即可得到频率特性表达式,幅频特性,相频特性,4.2 传感器的特性,电气测量技术,
12、河南工业大学 2011年,一阶传感器的频率特性,4.2.2 传感器的动态特性,幅频特性 相频特性,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器的频率特性,4.2.2 传感器的动态特性,二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器的频率特性,4.2.2 传感器的动态特性,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,频率响应特性指标,4.2.2 传感器的动态特性,工作频带 传感器增益保持在一定值内的频率范围,即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围,称为传感器
13、的工作频带,对应有上、下截止频率.,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,动态标定,4.2.2 传感器的动态特性,在动态标定中,常常采用阶跃变化和正弦变化的信号作为标准的输入量.即以一个已知的阶跃信号激励传感器,使传感器按自身的固有频率振动,并记录下运动状态,从而确定其动态特性;或者以一个振幅和频率均为已知、可调的正弦信号激励传感器,根据记录的运动状态,确定传感器的动态特性.,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,4.2.2 传感器的动态特性,一阶传感器单位阶跃响应时间常数的求解,一阶传感器的单位阶跃响应函数为,令z=ln1-y(t)，则上式可变
14、为,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,一阶传感器单位阶跃响应时间常数的求解,4.2.2 传感器的动态特性,一阶传感器时间常数 的求法,二阶传感器（1）阶跃响应,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器单位阶跃响应的阻尼比,4.2.2 传感器的动态特性,二阶传感器（1）的单位阶跃响应为,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器单位阶跃响应的阻尼比,4.2.2 传感器的动态特性,阻尼比,其中,若考虑,当0.1时,以1代替,则可用此式计算,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感
15、器单位阶跃响应的无阻尼固有频率,4.2.2 传感器的动态特性,根据响应曲线,不难测出振动周期Td,于是有阻尼的固有频率d为,则无阻尼固有频率n为,4.2 传感器的特性,电气测量技术,河南工业大学 2011年,二阶传感器单位阶跃响应的无阻尼固有频率,4.2.2 传感器的动态特性,幅频特性求时间常数,欠阻尼二阶传感器的 n和,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,工作原理,4.3.1 应变式传感器,电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化.,F l、A、R,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,电阻的灵敏系数,4.3.1 应
16、变式传感器,对于半径为r的圆导体,A=r2,A/A=2r/r又由材料力学可知,在弹性范围内,为导体的纵向应变,其数值一般很小,常以微应变度量;为电阻丝材料的泊松比,一般金属=0.30.5;为压阻系数,与材质有关;为应力值;E为材料的弹性模量;,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,金属电阻的灵敏系数,4.3.1 应变式传感器,材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的,金属材料:k0以前者为主,则k01+2=1.73.6半 导 体:k0值主要是由电阻率相对变化所决定,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,常用金属电阻丝材料性能,4.3.1
17、应变式传感器,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,选用要求,4.3.1 应变式传感器,电阻温度系数要小,否则因环境温度变化也会改变其阻值,确保电阻丝与铜线的焊接性能,并与其他金属的接触电势要小,机械强度要足够高,具有优良的机械加工性能.,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,半导体的压阻效应,4.3.2 压阻式传感器,固体受到作用力后,电阻率就要发生变化,这种效应称为压阻效应.,半导体材料的压阻效应特别强.,压阻式传感器的灵敏系数大,分辨率高.频率响应高,体积小.它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数.,因为半导体材料对温度很敏感,因此压阻式传
18、感器的温度误差较大,必须要有温度补偿.,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,压阻效应,4.3.2 压阻式传感器,金属材料 半导体材料,半导体电阻率,l为半导体材料的压阻系数,它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关E为半导体材料的弹性模量,与晶向有关,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,压阻效应,4.3.2 压阻式传感器,对半导体材料而言,l E(1+),故(1+)项可以忽略,半导体材料的电阻值变化,主要是由电阻率变化引起的,而电阻率的变化是由应变引起的,半导体单晶的应变灵敏系数可表示,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业
19、大学 2011年,金属热电阻,4.3.3 热电阻式传感器,热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒作为热电阻的材料要求,电阻温度系数要大,以提高热电阻的灵敏度,电阻率尽可能大,以便减小电阻体尺寸,热容量要小,以便提高热电阻的响应速度,在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能,电阻与温度的关系最好接近于线性,应有良好的可加工性,且价格便宜,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,常用热电阻,4.3.3 热电阻式传感器,铂热电阻,主要作为标准电阻温度计,广泛应用于温度基准、标准的传递.,铜热电阻,测量精度要求不高且温度较低的场合,测量范围一般为-50150.,4.3 常见的传
20、感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,铂热电阻 目前最好材料,4.3.3 热电阻式传感器,长时间稳定的复现性可达10-4 K,是目前测温复现性最好的一种温度计.,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W（100）越高,表示铂丝纯度越高.国际实用温标规定作为基准器的铂电阻W（100）1.3925目前技术水平已达到W（100）1.3930工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,铂热电阻,4.3.3 热电阻式传感器,铂丝的电阻值与温度之间的关系,即特性方程如下,当温度t 在200 t 0时,当温度 t 在0 t
21、 650时,国内统一设计的工业用标准铂电阻,W（100）1.391R0分为50和100两种，分度号分别为Pt50和Pt100其分度表（给出阻值和温度的关系）,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,铜热电阻,4.3.3 热电阻式传感器,应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合,测量范围：-50150,优 点：温度范围内线性关系好,灵敏度比铂电阻高,容易提纯、加工,价格便宜,复制性能好.,缺 点：易于氧化,一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量.与铂相比,铜的电阻率低,所以铜电阻的体积较大.,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 201
22、1年,铜热电阻,4.3.3 热电阻式传感器,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,为铜的温度系数,(4.254.28)10-3/,铜电阻的阻值与温度之间的关系是线性的,工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50和100两种,分度号分别为Cu50和Cu100,相应的分度表可查阅相关资料.,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,热电阻的结构,4.3.3 热电阻式传感器,普通工业用热电阻式温度传感器,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,4.3.3 热电阻式传感器,热电阻的结构,铜热电阻结构示意图,铂热电阻结构示意图,4.3 常见的传感器,电气测量
23、技术,河南工业大学 2011年,电涡流式传感器,4.3.4 电涡流式传感器,当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时,导体内引起感应电流,此电流在导体内闭合,称为涡流.,穿透深度,导体电阻率(cm)r导体相对磁导率 交变磁场频率(Hz),4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,定义,4.3.4 电涡流式传感器,定义:基于涡流效应原理检测被测量变化 的传感器称为涡流传感器.,分类,高频反射式涡流传感器低频透射式涡流传感器,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,基本原理,4.3.4 电涡流式传感器,线圈置于金属导体附近:线圈中通以高频信号 is 正弦交变
24、磁场 H1 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈,改变了电感,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,等效电路,4.3.4 电涡流式传感器,R2为电涡流短路环等效电阻;h为电涡流的深度,ra为短路环的外径；ri为短路环的内径,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,等效电路,4.3.4 电涡流式传感器,基尔霍夫电压定律,等效阻抗,Req为产生电涡流效应后线圈的等效电阻Leq为产生电涡流效应后线圈的等效电感,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,等效电路,4.3.4 电涡流式传感器,由上式Req、Leq可知：,由于电涡流的影响,线圈复阻抗的实部(等效电阻)增大、虚部(等效电感)减小,因此,线圈的等效品质因数下降,即,4.3 常见的传感器,电气测量技术,河南工业大学 2011年,等效电路,4.3.4 电涡流式传感器,电涡流式传感器的等效电气参数都是互感系数M2的函数.通常总是利用其等效电感的变化组成测量电路,因此,电涡流式传感器属于(互感式)电感式传感器.,第四章 结束,电气测量技术,河南工业大学 2011年,
