第3章 测控系统的感知技术,主要内容,传感器概述 热敏传感器 光敏传感器 声敏传感器 气敏传感器 生物敏传感器 智能传感器,传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量转换成电量。,3.1 传感器概述,传感器的定义,3.1.1 传感器的定义与分类,传感器位于测控系统的输入端，一般由敏感元件、转换元件和信号调理电路等部分组成,3.1.1 传感器的定义与分类,传感器的基本特性 传感器的基本特性是指传感器的输入-输出特性，一般分为静态特性和动态特性两大类。静态特性是当被测对象处于静态，即输入为不随时间变化的恒定信号时，传感器输入与输出之间呈现的关系。动态特性是指当输入量随时间变化时的输入输出关系。,3.1.2 传感器的基本特性,1.静态特性,式中：y输出量； x输入量； a0零点输出； a1理论灵敏度； a2、a3，an非线性项系数,3.1.2 传感器的基本特性,量程 分辨力 阈值 灵敏度 重复性 迟滞 线性度 精度 稳定性,3.1.2 传感器的基本特性,衡量传感器静态特性的主要指标,量程 量程又称满度值，是指系统能够承受的最大输出值与最小输出值之差。,3.1.2 传感器的基本特性,分辨力与阈值 分辨力是指传感器能够检测到的最小输入增 量。使传感器产生输出变化的最小输入值称为传 感器的阈值。,3.1.2 传感器的基本特性,灵敏度 传感器输出变化量与输入变化量之比为静态灵敏度，其表达式为：,3.1.2 传感器的基本特性,重复性 重复性表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向作全程连续多次重复测量时，所得特性曲线的不一致程度。,3.1.2 传感器的基本特性,迟滞 迟滞指传感器输入沿正向行程和反向行程变化时输入输出特性曲线的不一致性。,3.1.2 传感器的基本特性,线性度 为了标定和数据处理方便，通常希望传感器的输入输出呈线性关系。,3.1.2 传感器的基本特性,常用的直线拟合方法有：理论拟合、端点连线拟合、最小二乘拟合等。相应的有理论线性度、端点连线线性度、最小二乘线性度等。,3.1.2 传感器的基本特性,（a）理论拟合 （b）端点连线拟合 （c）最小二乘拟合,精度 精度是反映传感器系统误差和随机误差的综合误差指标。经常用重复性、迟滞和线性度三项的和或者方和根来表示：,3.1.2 传感器的基本特性,稳定性 稳定性是指在规定工作条件下和规定时间内，传感器性能保持不变的能力。,3.1.2 传感器的基本特性,2. 动态特性 动态特性反映传感器感知动态信号的能力。一般来说，传感器输出随时间变化的规律应与输入随时间变化的规律相近，否则输出量就不能反映输入量。,3.1.2 传感器的基本特性,动态特性的数学描述,3.1.2 传感器的基本特性,典型环节的频率特性,零阶传感器系统,K静态灵敏度。,一阶传感器系统,3.1.2 传感器的基本特性,（a）力学系统,3.1.2 传感器的基本特性,（b）电学系统,二阶传感器系统,3.1.2 传感器的基本特性,典型的二阶系统,3.1.2 传感器的基本特性,时域性能指标 通常在阶跃信号作用下测定传感器动态特性的时域指标。,（a）一阶系统（b）二阶系统,3.1.2 传感器的基本特性,传感器的时域性能指标主要有 时间常数：输出值上升到稳态值的63%所需的时间； 上升时间： 输出值从稳态值的10%上升到90%所需的时间； 响应时间： 输出值达到稳态值的95%或98%所需的时间。 最大超调量：在二阶系统中，如果输出量大于稳态值， 则 有超调，最大超调量定义为：,3.1.2 传感器的基本特性,频域性能指标,通常利用传感器系统对单位幅度正弦信号的响应曲线测定动态性能的频域指标。,传感器的频域性能指标包括 通频带： 对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应 的频率范围； 工作频带：幅值误差为5%或10%时所对应的频率范 围； 相位误差：在工作频带范围内相角应小于5或10。,3.1.2 传感器的基本特性,（a）一阶系统幅频特性和相频特性,3.1.2 传感器的基本特性,（b）二阶系统幅频特性和相频特性,3.1.2 传感器的基本特性,热敏传感器 热敏传感器是科学实验和生产活动中非常重要的一类传感器，它是将热量变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量。,3.2 热敏传感器,热电阻 大多数金属热电阻的阻值随温度升高而增大，其特性方程如下：,Rt 被测温度T时热电阻的电阻值； R0 基准温度T0时的电阻值； a 热电阻的电阻温度系数（1/）； T、T0绝对温度，单位K。,3.2.1 热电阻,主要金属热电阻传感器的性能,3.2.1 热电阻,在热电阻选型方面，应该主要考虑以下参数 1）热电阻的类别、测温范围及允许误差； 2）常温绝缘电阻：热电阻常温绝缘电阻的试验电压为直流10100V，环境温度1535，相对湿度不大于80%，大气 压力为86106kPa；铂热电阻的常温绝缘电阻值应不小于100M；铜热电阻的常温绝缘电阻值应不小于50M； 3）公称压力：指在室温情况下保护管不破裂所能承受的静态外压。允许工作压力不仅与保护管材质、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的种类、浓度、流速有关；,3.2.1 热电阻,4）热响应时间：指在温度出现阶跃变化时，传感器的输出 变化相当于该阶跃变化的50%，所需要的时间称为热响应 时间。 5）最小置入深度：感温元件长度应不小于其保护管外径的810倍。部分产品为适应安装条件的限制，长度不符合本 项要求，测量精度相应受到影响； 6）尺寸规格：包括保护管外径、总长等； 7）接线盒形式：分为防水式和防爆式等； 8）保护管材料、电气接口、防护等级、安装固定形式等；,3.2.1 热电阻,热敏电阻是一种半导体温度传感器，按温度特性分为负温 度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。,Rt 被测温度T时热敏电阻值； R0 基准温度T0时的热敏电阻值； B 热敏电阻的特征常数； T、T0绝对温度，单位K。,3.2.2 热敏电阻,其电阻-温度特性曲线如图,NTC型热敏电阻温度特性 NTC型热敏电阻伏安特性,3.2.2 热敏电阻,热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性是十分严重的，为使测量系统的输入输出呈线性关系，可以采用: （1）串、并联补偿电阻， （2）利用电路中其他部件的非线性修正 （3）计算机修正等方法。,3.2.2 热敏电阻,热电偶是一种结构简单、性能稳定、测温范围宽的热敏传感器，在冶金、热工仪表邻域得到广泛应用，是目前检测温度的主要传感器之一，尤其是在检测1000左右的高温时更有优势。,3.2.3 热电偶,1.热电偶工作原理,将两种不同的导体两端相接，组成一个闭合回路，当两个接触点具有不同温度时，回路中便产生电流，这种物理现象称为塞贝克效应。,3.2.3 热电偶,当温度TT0时，由导体、B组成的热电偶回路总热电势为：,只有当A、B材料不同并且热电偶两端温度不同时，总热电势才不为零。,3.2.3 热电偶,热电偶的温度热电势关系图,3.2.3 热电偶,2.热电偶基本定律 A 均质导体定律 B 标准电极定律 C 中间导体定律 D 中间温度定律,3.2.3 热电偶,均质导体定律 两种均质导体组成的热电偶的热电势大小与电极的直径、长度及沿长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温差有关。如果材质不均匀，当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。,3.2.3 热电偶,标准电极定律 若导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶，那么由导体A、B组成的热电偶的热电势可以由标准电极定律来确定。标准电极定律指：如果将导体C（热电极，一般为纯铂丝）作为标准电极（也称参考电极），并且已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（T，T0）下，任意两导体A、B组成的热电偶的热电势为：,3.2.3 热电偶,中间导体定律 在用热电偶测量温度时，必须在热电偶回路中接入导线和仪表。中间导体定律表明：在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相同，对热电偶回路的总热电势没有影响。因此可以用导线将电压表接入热电偶回路。 如下图所示。,3.2.3 热电偶,热电偶测温电路,3.2.3 热电偶,中间温度定律 在热电偶回路中，当结点温度为T，T0时，总热电势等于该热电偶在结点温度为T，Tn和Tn，T0时相应的热电势的代数和，即：,3.2.3 热电偶,3.热电偶冷端温度补偿 通常热电偶测量的是一个热源的温度或两个热源的温度差，因此需要将冷端的温度保持恒定或采取一定的方法进行处理。,3.2.3 热电偶,0恒温法 将热电偶的冷端保持在0器皿中（如冰水混合物中），如图3-16所示。这种方法适用于实验室，它能够完全克服冷端温度误差。,热电偶冷端温度补偿,冷端恒温法 将热电偶的冷端置于一恒温器中，若恒定温度为T0，则冷端误差为： 冷端误差是一个定值，只要在回路中加上相应的补偿电压，或调整指示器的起始位置，就可以达到完全补偿的目的。,热电偶冷端温度补偿,冷端补偿器法 工业上常采用冷端补偿器法，也称电桥补偿法。,热电偶冷端温度补偿,补偿导线法 当热电偶冷端由于受热端温度影响，在较大范 围内变化时，应先用补差导线将冷端延长到温度比 较稳定的环境中，再用其他方法进行补偿。补偿导 线的热电特性与热电偶近似，但用相对廉价的材料 制成。,热电偶冷端温度补偿,计算机智能补偿法 利用单片机或微型计算机，可以实现温度监测、控制、误差修正与冷端温度补偿的一体化、智能化。对于冷端温度恒定的情况，只要在热电势采样值上加上一个常数即可；对于冷端温度变化的情况，可以利用其他传感器实时测量冷端温度并送入微机系统，对热电势采样值进行实时修正。,热电偶冷端温度补偿,4.热电偶的主要参数 在选择热电偶产品时，应考虑的主要参数有： 1）热电偶的类型、测温范围及允许误差； 2）时间常数； 3）最小置入深度； 4）常温绝缘电阻及高温下的绝缘电阻； 5）偶丝直径、材料，安装固定形式、尺寸，测量端结构形 式等。,3.2.3 热电偶,光敏传感器是把光信号转换为电信号的传感器，按照工作原理可以分为光电效应传感器、红外热释电探测器、固态图像传感器、光纤传感器、色敏传感器、光栅传感器等。,3.3 光敏传感器,光电效应传感器是利用光敏材料在光照射下，会产生光电子逸出、电导率发生变化或产生光生电动势等现象制成的光敏器件。,3.3.1 光电效应传感器,1.外光电效应 在光照作用下，物体内部的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应，亦称光电子发射效应。,h普朗克常数，6.62610-34Js；,m电子质量；,v电子逸出速度；,A物体的逸出功。,3.3.1 光电效应传感器,由上式可知： 光电子逸出物体表面的必要条件是EA，如果入射光子的能量小于阴极材料的表面逸出功，无论光强多大，都没有光电子产生。 在足够外加电压作用下，入射光频率不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。因为光越强，光子数越多，产生的光电子也相应增多。 对于外光电效应器件，只要光照射在器件阴极上，即使阳极电压为零，也会产生光电流，因为光电子逸出时具有初始动能。为使光电流为零，必须在阳极上加上反向截止电压，使外加电场对光电子所做的功等于光电子逸出时的动能。 外光电效应器件有光电管和光电倍增管。,外光电效应,光电管 光电管主要有两种结构形式。它是在真空玻璃管内装入两个电极光电阴极与光电阳极。光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引，形成光电流。除真空光电管外，还有充气光电管，它是