第2章 傳感器概述1

1、第2章 傳感器概述 2021-11-211第2章 傳 感 器 概 述 2.1 2.1 傳感器概論傳感器概論2.2 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性 第2章 傳感器概述 2021-11-212 本章的學(xué)習(xí)要求本章的學(xué)習(xí)要求1、了解傳感器的定義、構(gòu)成、分類和發(fā)展趨勢；、了解傳感器的定義、構(gòu)成、分類和發(fā)展趨勢；2、理解并掌握傳感器的組成框圖理解并掌握傳感器的組成框圖3、理解并掌握傳感器的一般特性；理解并掌握傳感器的一般特性； （1）靜態(tài)特性指標(biāo)及定量描述方法）靜態(tài)特性指標(biāo)及定量描述方法 （2）動態(tài)特性制表及定量描述方法）動態(tài)特性制表及定量描述方法 第2章 傳感器概述 2021-11-213傳

2、感器的作用傳感器的作用前前 言言反饋放大環(huán)節(jié)控制/執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對象給定信號第2章 傳感器概述 2021-11-214傳感器的作用傳感器的作用傳感器測控對象功率驅(qū)動邏輯控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集信號調(diào)理計(jì)算機(jī)（1）傳感器在典型測控系統(tǒng)中的位置）傳感器在典型測控系統(tǒng)中的位置前前 言言第2章 傳感器概述 2021-11-215獲取信號的過程獲取信號的過程被測對象被測對象傳感器傳感器信號信號調(diào)理調(diào)理顯示記顯示記錄裝置錄裝置信息感應(yīng)信息感應(yīng)與轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)換信息調(diào)理信息調(diào)理與提取與提取數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理與輸出與輸出物理量物理量電量電量電量或電量或數(shù)字量數(shù)字量 傳感器在測試系統(tǒng)中處于前端，它的性能如何傳感器在測試系統(tǒng)中

3、處于前端，它的性能如何將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)與質(zhì)量。將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)與質(zhì)量。 傳感器在信息社會中的作用非同一般傳感器在信息社會中的作用非同一般第2章 傳感器概述 2021-11-216（2 2）時(shí)代的變遷）時(shí)代的變遷 蒸汽機(jī)蒸汽機(jī)工業(yè)革命；工業(yè)革命； 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)信息革命；信息革命； 傳感器傳感器ITIT時(shí)代的自動化革命；時(shí)代的自動化革命； 預(yù)預(yù) 言言 誰掌握了誰掌握了傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)誰就能夠支配新時(shí)代誰就能夠支配新時(shí)代傳感器是傳感器是IT時(shí)代三時(shí)代三大支柱技術(shù)之一。大支柱技術(shù)之一。 第2章 傳感器概述 2021-11-217IT行業(yè)的三大支柱技術(shù)行業(yè)的三大支柱技術(shù)計(jì)算機(jī)

4、技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)通信技術(shù)通信技術(shù)大腦大腦 神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)五官五官 被譽(yù)稱為被譽(yù)稱為“電電五官五官”,是人類是人類五官的補(bǔ)充和五官的補(bǔ)充和擴(kuò)展擴(kuò)展外外界界刺刺激激感覺器官感覺器官肌體肌體傳感器傳感器計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)執(zhí)行器執(zhí)行器大腦大腦第2章 傳感器概述 2021-11-218 1、傳感器定義、傳感器定義 2、傳感器的重要性、傳感器的重要性 3、傳感器的一般構(gòu)成、傳感器的一般構(gòu)成 4、傳感器的分類、傳感器的分類 5、改善傳感器性能的技術(shù)途徑、改善傳感器性能的技術(shù)途徑 6、傳感器的發(fā)展趨勢、傳感器的發(fā)展趨勢學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容 2.1 傳感器概論傳感器概論第2章 傳感器概述 2021-1

5、1-219 根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665.87）傳感器通用術(shù)語傳感器通用術(shù)語的定義：的定義： 傳感器（傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：能）的定義是：能感受感受規(guī)定的被測量規(guī)定的被測量并按照并按照一定規(guī)律一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可轉(zhuǎn)換成可用輸出信號用輸出信號的器件或裝置的器件或裝置 。 1、傳感器定義、傳感器定義第2章 傳感器概述 2021-11-21102 傳感器的重要性傳感器的重要性20世紀(jì)世紀(jì)80年代日本年代日本急需發(fā)展的十大技急需發(fā)展的十大技術(shù)之首術(shù)之首美國專家稱：美國專家稱：20世紀(jì)世紀(jì)80年代是傳年代是傳感器時(shí)代感器時(shí)代 我國在我國

6、在20世紀(jì)世紀(jì)80年代，年代，利用利用863/985高新技高新技術(shù)計(jì)劃，開發(fā)了一系術(shù)計(jì)劃，開發(fā)了一系列列“高、精、尖高、精、尖”的的傳感器傳感器 21世紀(jì)是信息時(shí)代，而傳世紀(jì)是信息時(shí)代，而傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的源感器技術(shù)是信息技術(shù)的源頭技術(shù)，其應(yīng)用遍及當(dāng)今頭技術(shù)，其應(yīng)用遍及當(dāng)今社會的任何一個(gè)角落社會的任何一個(gè)角落第2章 傳感器概述 2021-11-2111（1）、工業(yè)自動化中的應(yīng)用）、工業(yè)自動化中的應(yīng)用 a)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器

7、、覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。嗅覺傳感器。 在各種自動控制系統(tǒng)中，各個(gè)檢測環(huán)節(jié)中的應(yīng)用傳感在各種自動控制系統(tǒng)中，各個(gè)檢測環(huán)節(jié)中的應(yīng)用傳感器起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。器起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性機(jī)械手機(jī)械手第2章 傳感器概述 2021-11-21122 2 傳感器的重要性傳感器的重要性機(jī)器狗機(jī)器狗原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化第2章 傳感器概述 2021-11-2113b) AGV自動送貨車自動送貨車 超聲波測距傳感器超聲波測

8、距傳感器 判斷判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置建筑物內(nèi)人和物所在位置； 紅外線色彩傳感器紅外線色彩傳感器 運(yùn)動軌跡和運(yùn)動軌跡和AGV小車位置小車位置識別；識別； 條形碼傳感器條形碼傳感器 貨品貨品識別。識別。香港理工香港理工AGV模型模型2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2114c) 生產(chǎn)加工過程監(jiān)測生產(chǎn)加工過程監(jiān)測 切削力傳感器；切削力傳感器；加工噪聲傳感器；加工噪聲傳感器；超聲波測距傳感器；超聲波測距傳感器；紅外接近開關(guān)傳感器紅外接近開關(guān)傳感器等。等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-1

9、1-2115（2）流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控）流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控 在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在小時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。線監(jiān)測系統(tǒng)。 石化企業(yè)輸石化企業(yè)輸油管道、儲油管道、儲油罐等壓力油罐等壓力容器的破損容器的破損和泄露檢測。和泄露檢測。揚(yáng)子石化揚(yáng)子石化50MW熱電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)熱電機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)陽邏電廠陽邏電廠300MW汽輪機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)汽輪機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)荊門電廠荊門電廠200MW機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)機(jī)組監(jiān)測系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)

10、信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)寶鋼寶鋼30KW以上風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)以上風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼精軋寶鋼精軋F(tuán)2軋機(jī)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)軋機(jī)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動紋監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動紋監(jiān)測系統(tǒng)武鋼風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)武鋼風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2116（3）、產(chǎn)品質(zhì)量測量）、產(chǎn)品質(zhì)量測量 在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動機(jī)等零部件出廠時(shí)，在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗(yàn)。必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗(yàn)。 圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測量參數(shù)圖示為汽

11、車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量汽車扭距測量機(jī)床加工精度測量機(jī)床加工精度測量2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2117（4）、樓宇控制與安全防護(hù)）、樓宇控制與安全防護(hù) 為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。

12、在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如入侵監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如入侵監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運(yùn)行狀況。度監(jiān)測、電梯運(yùn)行狀況。 圖示為某大樓宇自動化系統(tǒng)。圖示為某大樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：該系統(tǒng)分為：電源管理電源管理、安安全監(jiān)測全監(jiān)測、照明控制照明控制、空調(diào)控空調(diào)控制制、停車管理停車管理、水水/廢水管理廢水管理和和電梯監(jiān)控電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2118煙霧傳感器煙霧傳感器亮度傳感器亮度傳感器紅外人體探測器紅外人體探測器煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)警器2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2

13、章 傳感器概述 2021-11-2119（5）、家庭與辦公自動化）、家庭與辦公自動化 在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。指紋傳感器指紋傳感器透光率傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器溫度傳感器電子體溫計(jì)電子體溫計(jì)2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2120模糊全自動洗衣機(jī)中的傳感器：模糊全自動洗衣機(jī)中的傳感器：1、衣物重量傳感器；、衣物重量傳感器；2、衣質(zhì)傳感器；、衣質(zhì)傳感器；3、水溫傳感器；、水溫傳感

14、器；4、水質(zhì)傳感器；、水質(zhì)傳感器；5、透光率傳感器（洗凈度）、透光率傳感器（洗凈度） ；6、液位傳感器；、液位傳感器；7、電阻傳感器（衣物烘干檢測）、電阻傳感器（衣物烘干檢測）2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2121（6）、其他應(yīng)用）、其他應(yīng)用航天航天農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)航海航海醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2122飛行器模態(tài)分析飛行器模態(tài)分析航空航空2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2123智能電子警察監(jiān)測系統(tǒng)智能電子警察監(jiān)測系統(tǒng)交通交通酒精測試計(jì)酒精測試計(jì)2 2 傳感器的重要

15、性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2124汽車汽車2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2125鼠標(biāo)鼠標(biāo):光電位移傳感器光電位移傳感器攝象頭攝象頭:CCD傳感器傳感器聲位筆聲位筆:超聲波傳感器超聲波傳感器麥克風(fēng)麥克風(fēng):電容傳聲器電容傳聲器7、PC機(jī)中的傳感器應(yīng)用機(jī)中的傳感器應(yīng)用麥克風(fēng)麥克風(fēng):電容傳聲器電容傳聲器2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2126檢測手段水平?jīng)Q定科學(xué)研究的深度和廣度檢測手段水平?jīng)Q定科學(xué)研究的深度和廣度理論研究成果離不開必要的檢測手段理論研究成果離不開必要的檢測手段而傳感器就是檢測實(shí)現(xiàn)

16、的手段而傳感器就是檢測實(shí)現(xiàn)的手段2 2 傳感器的重要性傳感器的重要性第2章 傳感器概述 2021-11-2127敏感元件敏感元件(Sensing element)(Sensing element)是指傳感器中是指傳感器中能直接感受被測量的部分；能直接感受被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件(Transition element)(Transition element) 是指傳感是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。測量的電信號部分。3 傳感器的一般構(gòu)成傳感器的一般構(gòu)成被測信息被測信息敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源輔助電源信號調(diào)

17、理電路信號調(diào)理電路輸出信息輸出信息非電：壓力、溫度非電：壓力、溫度電：電流、電壓電：電流、電壓電量：電？、電？電量：電？、電？ 電？、電？電？、電？最基本的傳感器件通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。第2章 傳感器概述 2021-11-2128 傳感器輸出信號通常是電量，它便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等。 電量有很多形式，如電量有很多形式，如電壓、電流、電容、電阻電壓、電流、電容、電阻等，輸?shù)?，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。出信號的形式由傳感器的原理確定。 通常，傳感器的組成傳感器的組成如圖2 - 1所示。 由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信

18、號調(diào)理轉(zhuǎn)換信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源。輔助的電源。 因此，信號調(diào)理電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。3 3 傳感器的一般構(gòu)成傳感器的一般構(gòu)成第2章 傳感器概述 2021-11-21293 3 傳感器的一般構(gòu)成傳感器的一般構(gòu)成 實(shí)際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。第2章 傳感器概述 2021-11-2130F轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件敏感元件敏感元件應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體或金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時(shí)半導(dǎo)體在受到外力作用時(shí)會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也會隨之發(fā)生變化。阻也會隨之發(fā)生變化。3 傳感器

19、的一般構(gòu)成傳感器的一般構(gòu)成第2章 傳感器概述 2021-11-2131 壓 力 作 用 膜片形變（應(yīng)變） 應(yīng)變片電阻改變 敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖3 傳感器的一般構(gòu)成傳感器的一般構(gòu)成第2章 傳感器概述 2021-11-2132被測信息被測信息敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源輔助電源信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路輸出信息輸出信息 有些被測非電量可以有些被測非電量可以直接被變換為電量，這時(shí)直接被變換為電量，這時(shí)候傳感器中的候傳感器中的敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件就合二為一了。就合二為一了。 有些國家和有些學(xué)科有些國家和有些學(xué)科領(lǐng)域，

20、將傳感器稱為變換領(lǐng)域，將傳感器稱為變換器、探測器或檢測器等器、探測器或檢測器等3 傳感器的一般構(gòu)成傳感器的一般構(gòu)成第2章 傳感器概述 2021-11-2133 這些不同提法，反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，只是這些不同提法，反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，只是根據(jù)器件用途對同一類型的器件使用著不同的技術(shù)術(shù)語根據(jù)器件用途對同一類型的器件使用著不同的技術(shù)術(shù)語而已。而已。 如在如在電子技術(shù)電子技術(shù)領(lǐng)域，常把能感受信號的電子元件稱領(lǐng)域，常把能感受信號的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏為敏感元件，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等；元件等； 在在超聲波技術(shù)超聲波技術(shù)中則強(qiáng)調(diào)的是能量

21、的轉(zhuǎn)換，如壓電式中則強(qiáng)調(diào)的是能量的轉(zhuǎn)換，如壓電式換能器等。換能器等。3 3 傳感器的一般構(gòu)成傳感器的一般構(gòu)成第2章 傳感器概述 2021-11-2134（1 1）按被測物理量分類）按被測物理量分類機(jī)械量機(jī)械量: 長度、厚度、位移、速度、加速長度、厚度、位移、速度、加速 度、度、 旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)量、重量、旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)量、重量、 力、壓力、真空度、力矩、力、壓力、真空度、力矩、風(fēng)速、風(fēng)速、 流速、流量流速、流量化學(xué)量：化學(xué)量：濕度、濕度、PH值值溫溫 度度: : 溫度、熱量、比熱溫度、熱量、比熱磁場量磁場量: : 磁通、磁阻磁通、磁阻聲學(xué)量聲學(xué)量: : 聲壓、噪聲聲壓、噪聲 光學(xué)量：光學(xué)量：

22、亮度、色彩亮度、色彩適用于使用者適用于使用者（2 2）按傳感器工作原理分類按傳感器工作原理分類應(yīng)變式、壓電式、光電式、紅外式、應(yīng)變式、壓電式、光電式、紅外式、光纖式、電阻式、電容式、電感式等光纖式、電阻式、電容式、電感式等 適用于專業(yè)人士適用于專業(yè)人士4、傳感器的分類、傳感器的分類第2章 傳感器概述 2021-11-2135（3 3）按能量關(guān)系分類（掌握以下定義）按能量關(guān)系分類（掌握以下定義）能量轉(zhuǎn)換型（有源）能量轉(zhuǎn)換型（有源）: :直接由被測對象輸入能量使其工作。直接由被測對象輸入能量使其工作。 如如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì)。能量控制型（無源）能量控制

23、型（無源）: :從外部供給能量并由被測量控制外從外部供給能量并由被測量控制外 部供給能量的變化。部供給能量的變化。 例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片。振動式地音入侵振動式地音入侵探測器探測器第2章 傳感器概述 2021-11-2136（4 4）敏感元件與被測對象之間關(guān)系）敏感元件與被測對象之間關(guān)系物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信 號變換。號變換。如如: :水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變。依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變。 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感

24、器第2章 傳感器概述 2021-11-2137 本教材按傳感器的工作原理分類來介紹各種傳感本教材按傳感器的工作原理分類來介紹各種傳感器。器。 傳感器的工程應(yīng)用則是根據(jù)工程參數(shù)進(jìn)行選擇的。傳感器的工程應(yīng)用則是根據(jù)工程參數(shù)進(jìn)行選擇的。 對于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人員來說，先從工作原理出發(fā)，了解各種各樣傳感器，而對工程上的被測參數(shù)，應(yīng)著重于如何合理選擇和使用傳感器。 第2章 傳感器概述 2021-11-2138（1）差動技術(shù)）差動技術(shù) 差動技術(shù)是傳感器信號輸出時(shí)普遍采用的技術(shù)。 它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化溫度變化、電源波動電源波動、外界干擾外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非

25、線性誤差，抵消了共模誤差，減小非線性誤差，增大傳感器的靈敏度。增大傳感器的靈敏度。5、改善傳感器性能的技術(shù)途徑、改善傳感器性能的技術(shù)途徑第2章 傳感器概述 2021-11-2139 （2）平均技術(shù)）平均技術(shù) 其原理是利用若干個(gè)傳感單元同時(shí)感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個(gè)單元可能帶來的誤差均可看作隨機(jī)誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為： =/n n傳感單元數(shù)。 在傳感器中利用平均技術(shù)不僅可使傳感器誤在傳感器中利用平均技術(shù)不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。第2章 傳感器概述 2021-11-2

26、140（3）補(bǔ)償與修正技術(shù)）補(bǔ)償與修正技術(shù) 補(bǔ)償與修正技術(shù)的運(yùn)用大致針對兩種情況： 針對傳感器本身特性針對傳感器本身特性 根據(jù)傳感器誤差的變化規(guī)律進(jìn)行誤差補(bǔ)償根據(jù)傳感器誤差的變化規(guī)律進(jìn)行誤差補(bǔ)償 針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境的溫度變化針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境的溫度變化 主要在傳感器內(nèi)部引入溫度誤差的補(bǔ)償措施主要在傳感器內(nèi)部引入溫度誤差的補(bǔ)償措施 補(bǔ)償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解補(bǔ)償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以采用微型計(jì)算機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn)。決，也可以采用微型計(jì)算機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn)。第2章 傳感器概述 2021-11-2141（4）屏蔽、隔離與干擾抑制）屏蔽、隔離與

27、干擾抑制 傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關(guān)性能。為了減小測量誤差 對于電磁干擾對于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，濾波等方法采用屏蔽、隔離措施，濾波等方法抑制。 對于如溫度、濕度、機(jī)械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，對于如溫度、濕度、機(jī)械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進(jìn)行分離或抑制對干擾信號進(jìn)行分離或抑制，減小其影響。 減小傳感器對環(huán)境影響因素的靈敏度減小傳感器對環(huán)境影響

28、因素的靈敏度第2章 傳感器概述 2021-11-2142 （5）穩(wěn)定性處理）穩(wěn)定性處理 。 造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時(shí)間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。 提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對材料、元器件或傳感器整體進(jìn)對材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時(shí)間/溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選老化篩選等第2章 傳感器概述 2021-11-2143 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢三新三新四化四化 傳感器的傳感器的“三新四化三新四化”發(fā)展趨勢是相互交叉、滲透和發(fā)展趨勢是相互交叉、滲透和相輔相成的。相輔相成的。事實(shí)

29、上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完全描述傳感器的前景。事實(shí)上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完全描述傳感器的前景。 4、傳感器的分類、傳感器的分類第2章 傳感器概述 2021-11-2144生物酶血樣分析傳感器生物酶血樣分析傳感器熱熱/光光電量電量三新三新新材料、新工藝、新效應(yīng)：新材料、新工藝、新效應(yīng)：目前發(fā)展最迅速的新材料是：半導(dǎo)體、目前發(fā)展最迅速的新材料是：半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、磁性材料和陶瓷、光導(dǎo)纖維、磁性材料和“智能智能材料材料”，使眾多非電量的測量成為可，使眾多非電量的測量成為可能。能。振動傳感器振動傳感器第2章 傳感器概述 2021-11-2145四化四化集成化、多維化、多功能化和智能化集成化、多維化、多功能化和智能

30、化嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)IC總線數(shù)字溫總線數(shù)字溫度傳感器度傳感器 智能傳感器智能傳感器是將傳感器與是將傳感器與MCU集成在一集成在一塊芯片上，使塊芯片上，使其除了具有感其除了具有感知的本能外，知的本能外，還具有認(rèn)知能還具有認(rèn)知能力。力。智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器感器第2章 傳感器概述 2021-11-2146單純傳感器單純傳感器智能傳感器智能傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器Dumb SensorSmart SensorNetworked Sensor5、傳感器的發(fā)展趨勢、傳感器的發(fā)展趨勢第2章 傳感器概述 2021-11-21475、傳感器的發(fā)展趨勢、傳感器的發(fā)展趨勢控制控制信信息融合息融合

31、計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)自主移動裝配機(jī)器人裝配機(jī)械手力覺傳感器觸覺傳感器視覺傳感器激光測距傳感器傳感器傳感器信息融合信息融合第2章 傳感器概述 2021-11-21485、傳感器的發(fā)展趨勢、傳感器的發(fā)展趨勢海軍艦船傳感器海軍艦船傳感器信息融合系統(tǒng)信息融合系統(tǒng)行掃描處理器紅外探測器 直流偏壓AGC搜索器萬向支架慣性導(dǎo)航系統(tǒng)圖像攝像機(jī)萬向支架圖像處理共享存儲器數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合處理器處理器環(huán)境控制顯示記錄人機(jī)界面圖像攝像機(jī)傳感器第2章 傳感器概述 2021-11-2149傳感器模型被測物理量x(t)y(t)電量傳感器的模型示意圖傳感器的模型示意圖2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性 傳感器的基本特性就是傳感

32、器的基本特性就是傳感器的輸入輸出關(guān)系特性傳感器的輸入輸出關(guān)系特性。 即傳感器輸入量和輸出量的對應(yīng)關(guān)系，這種對應(yīng)關(guān)即傳感器輸入量和輸出量的對應(yīng)關(guān)系，這種對應(yīng)關(guān)系不僅與被測物理量有關(guān)，而且與傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參系不僅與被測物理量有關(guān)，而且與傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。數(shù)有關(guān)。第2章 傳感器概述 2021-11-2150傳感器的基本特性傳感器的基本特性傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式: 一種是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)）的形式一種是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)）的形式，這種信號不隨時(shí)間變化（或變，這種信號不隨時(shí)間變化（或變化很緩慢），化很緩慢）， 另一種是動態(tài)（周期變化或瞬態(tài)）的形

33、式，另一種是動態(tài)（周期變化或瞬態(tài)）的形式，這種信號是隨時(shí)間變化而變這種信號是隨時(shí)間變化而變化的；化的； 對應(yīng)對應(yīng)所測量的物理量的變化所測量的物理量的變化靜態(tài)特性和靜態(tài)特性和動態(tài)特性動態(tài)特性 一個(gè)高精度傳感器，必須有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，一個(gè)高精度傳感器，必須有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，這樣它才能完成信號（或能量）無失真的轉(zhuǎn)換。這樣它才能完成信號（或能量）無失真的轉(zhuǎn)換。第2章 傳感器概述 2021-11-21512.2.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器的被測量值處于穩(wěn)定傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器的被測量值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，或者說在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)，或者說在穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或

34、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）（靜態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)）信號作用下傳信號作用下傳感器的輸出與輸入關(guān)系。感器的輸出與輸入關(guān)系。 對靜態(tài)特性而言，對靜態(tài)特性而言，在理想的情況下（忽略非線性，在理想的情況下（忽略非線性，遲滯及蠕變效應(yīng)）遲滯及蠕變效應(yīng)），傳感器的輸入量傳感器的輸入量x與輸出量與輸出量y之間的之間的關(guān)系通?？捎靡粋€(gè)如下的關(guān)系通?？捎靡粋€(gè)如下的理想理想多項(xiàng)式表示：多項(xiàng)式表示： 第2章 傳感器概述 2021-11-2152式中：式中：a0輸入量輸入量x為零時(shí)的輸出量；為零時(shí)的輸出量； a1傳感器的傳感器的靈敏度靈敏度 a2，an 非線性項(xiàng)系數(shù)。非線性項(xiàng)系數(shù)。 各項(xiàng)系數(shù)決定了靜態(tài)特性曲線的具體形式。各項(xiàng)系數(shù)決定了靜態(tài)特性曲

35、線的具體形式。 Y = a0 + a1x + a2x2 + anxn 傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來描述：傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來描述： 靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性和漂移靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性和漂移。第2章 傳感器概述 2021-11-2153傳感器的靜態(tài)模型傳感器的靜態(tài)模型 靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號情況下，描述傳感器輸出靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號情況下，描述傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系。與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系。Y = a0 + a1x + a2x2 + anxn 第2章 傳感器概述 2021-11-2154靜態(tài)模型的幾種典型情況靜態(tài)模型的幾種典型情況（1）理想線性

36、特性）理想線性特性常數(shù)1axysn第2章 傳感器概述 2021-11-2155靜態(tài)模型的幾種典型情況靜態(tài)模型的幾種典型情況（2）僅有偶次非線性項(xiàng)）僅有偶次非線性項(xiàng)當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，則有：則有： 因?yàn)樗鼪]有對稱性，因?yàn)樗鼪]有對稱性，線性范圍較窄線性范圍較窄。 0.12530maaaa.44221xaxaxay第2章 傳感器概述 2021-11-2156靜態(tài)模型的幾種典型情況靜態(tài)模型的幾種典型情況（3）僅有奇次非線性項(xiàng)）僅有奇次非線性項(xiàng) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 則有：則有： 特性曲線相對坐標(biāo)原點(diǎn)是對稱的，即：特性曲線相對坐標(biāo)原點(diǎn)是對稱的，即： 此類傳感器，在輸入量此類傳感器，在輸入量 x的相當(dāng)大的相當(dāng)大的范圍

37、內(nèi)具有較寬的準(zhǔn)線性的范圍內(nèi)具有較寬的準(zhǔn)線性0.2420maaaa.55331xaxaxay)()(xyxy第2章 傳感器概述 2021-11-2157 1. 靈敏度（靈敏度（ sensitivity ） 靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。 其定義是：輸出量增量其定義是：輸出量增量y與引起輸出量增與引起輸出量增量量y的相應(yīng)的相應(yīng)輸入量的增量輸入量的增量x之比。用之比。用S 表示表示，即 xyS 它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，顯然，靈敏度靈敏度S值越大，表示值越大，表示傳感器對輸入信號的敏感能傳感器對輸入信號的敏感能力越強(qiáng)。力越強(qiáng)。 （2

38、-2） 第2章 傳感器概述 2021-11-2158圖2-2 傳感器的靈敏度 oxyyxyxyxyx(a)(b)o第2章 傳感器概述 2021-11-2159 2. 線性度線性度（ linearity ） 傳感器的線性度，表征的是傳感器的線性度，表征的是傳感器的輸出與輸入傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。 輸出與輸入關(guān)系可分為：線性特性和非線性特性線性特性和非線性特性。 從傳感器的性能看，希望具有線性關(guān)系，即理想輸入輸出關(guān)系。 可大大簡化傳感器的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算；可大大簡化傳感器的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算； 為標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來很大方便（為標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來很大方便

39、（只要知道線性輸只要知道線性輸出一輸人特性上的兩點(diǎn)（一般為零點(diǎn)和滿度值）就可以確出一輸人特性上的兩點(diǎn)（一般為零點(diǎn)和滿度值）就可以確定其余各點(diǎn)定其余各點(diǎn)） 制做、安裝、調(diào)試容易，有利于提高測量精度；制做、安裝、調(diào)試容易，有利于提高測量精度； 避免了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)避免了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié) 第2章 傳感器概述 2021-11-2160圖圖2-3 線性度線性度 yYFSx理想特性曲線實(shí)際特性曲線o但實(shí)際遇到的傳感器大多為非線性（如圖2-3所示）。Lmax第2章 傳感器概述 2021-11-2161 在傳感器的全量程范圍內(nèi)，實(shí)際特性曲線與擬合直線之在傳感器的全量程范圍內(nèi)，實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差

40、值間的最大偏差值Lmax與滿量程輸出值與滿量程輸出值YFS之比之比傳感器的線傳感器的線性度（亦稱性度（亦稱非線性誤差非線性誤差）。）。用用L表示表示 式中：式中： Lmax 最大非線性絕對誤差；最大非線性絕對誤差； YFS 滿量程輸出值。滿量程輸出值。 第2章 傳感器概述 2021-11-2162 在實(shí)際使用中，為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系，因此，對傳感器的數(shù)據(jù)處理引入各種非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)如采用非線性補(bǔ)償電路或計(jì)算機(jī)軟件算法進(jìn)如采用非線性補(bǔ)償電路或計(jì)算機(jī)軟件算法進(jìn)行線性化處理行線性化處理，從而使傳感器的輸出與輸入關(guān)系為線性或接近線性。 但如果傳感器非線性的方次不高， 輸入量變化范圍

41、較小時(shí)，可用一條直線（切線或割線切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。如圖圖2-4 所示的幾種直線擬合方法所示的幾種直線擬合方法第2章 傳感器概述 2021-11-2163(a) 理論擬合；理論擬合； (b) 過零旋轉(zhuǎn)擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合； (c) 端點(diǎn)連線擬合；端點(diǎn)連線擬合； (d) 端點(diǎn)平移擬合端點(diǎn)平移擬合 yYFSoLmaxxyYFSL1LmaxL2oxyYFSLmaxxyYFSL1L2L3L3Lmaxox(a)(b)(c)(d)o圖圖2-4 幾種直線擬合方法幾種直線擬合方法 顯然，顯然，擬和直線的不同，直接會導(dǎo)致傳感器的線性度擬和直線

42、的不同，直接會導(dǎo)致傳感器的線性度（非線性誤差）的不同，因此，（非線性誤差）的不同，因此，在表明傳感器的線性度是必在表明傳感器的線性度是必須說明擬和直線的確定方式須說明擬和直線的確定方式。第2章 傳感器概述 2021-11-2164 圖a中，擬合直線為傳感器的理論特性，與實(shí)際測試值無關(guān)。該方法十分簡單，但Lmax 較大。 (a) 理論擬合理論擬合第2章 傳感器概述 2021-11-2165 圖b為過零旋轉(zhuǎn)擬合，常用于曲線過零的傳感器。擬合時(shí)，使L1=L2=Lmax 。 這種方法也比較簡單，非線性誤差比前一種小很多。 (b) 過零旋轉(zhuǎn)擬合過零旋轉(zhuǎn)擬合第2章 傳感器概述 2021-11-2166 圖

43、c中，把輸出曲線兩端點(diǎn)的連線作為擬合直線。這種方法比較簡便，但Lmax 也較大。 (c) 端點(diǎn)連線擬合；端點(diǎn)連線擬合；第2章 傳感器概述 2021-11-2167 圖d中，在圖c基礎(chǔ)上使直線平移，移動距離為原先Lmax的一半，這樣輸出曲線分布于擬合直線的兩側(cè)，與圖c相比，L2=L1= L3 =Lmax ，非線性誤差減小一半，提高了精度。 (d) 端點(diǎn)平移擬合端點(diǎn)平移擬合 第2章 傳感器概述 2021-11-2168 實(shí)際工作中，為了求得符合實(shí)際需要和理論計(jì)算的實(shí)際工作中，為了求得符合實(shí)際需要和理論計(jì)算的擬擬合直線合直線，通常選擇數(shù)學(xué)的方法計(jì)算得到。，通常選擇數(shù)學(xué)的方法計(jì)算得到。 通常都是采用通

44、常都是采用最小二乘法所確定的最小二乘擬合直線最小二乘法所確定的最小二乘擬合直線（ y = b + k x）。 用最小二乘法原則確定的擬合直線，其擬和精度最高。用最小二乘法原則確定的擬合直線，其擬和精度最高。 第2章 傳感器概述 2021-11-2169 3. 遲滯遲滯（ hysteresis ） 傳感器在輸入量由小到大（傳感器在輸入量由小到大（正行程正行程）及輸入量由大到小）及輸入量由大到?。ǚ葱谐谭葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯遲滯。（如圖所示)。 遲滯特性動畫演示yxHmaxYFSo第2章 傳感器概述 2021-11-217

45、0 也就是說，對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。 傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值Hmax與滿與滿量程輸出值量程輸出值YFS之比稱為遲滯誤差，用之比稱為遲滯誤差，用H表示表示，即 %100maxFSHYH（2-4） 第2章 傳感器概述 2021-11-2171 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：傳感器敏感元件材料的傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械另部件的缺陷所造成的物理性質(zhì)和機(jī)械另部件的缺陷所造成的。 例如：彈性敏感元件彈性滯后、 運(yùn)動部件摩擦、 傳動機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動等。 遲滯誤差又稱為回差或變差。 第2章 傳

46、感器概述 2021-11-2172 4. 重復(fù)性重復(fù)性（ repeatability ） 重復(fù)性演示動畫重復(fù)性演示動畫 重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度（見圖2-6）。 重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差，常用重復(fù)性測量時(shí)測量值的重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差，常用重復(fù)性測量時(shí)測量值的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差準(zhǔn)偏差計(jì)算計(jì)算（2-5）也可也可用用正反行程中最大重復(fù)差值正反行程中最大重復(fù)差值Rmax計(jì)計(jì)算算（2-6） ，即 %100) 32(FSRY（2-5） 或 %100maxFSRYR（2-6）

47、第2章 傳感器概述 2021-11-2173yxoRmax2Rmax1YFS圖2-6 重復(fù)性第2章 傳感器概述 2021-11-2174 Yi = Yi - Y Yi 測量值； Y測量值的算術(shù)平均值； n 測量次數(shù) 重復(fù)性所反映的是多次測量結(jié)果隨機(jī)誤差的大小，而不表示與真值之間的差別。 有時(shí)重復(fù)性雖然跟好，但可能遠(yuǎn)離真值 標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算：的計(jì)算：貝塞爾公式：貝塞爾公式： =第2章 傳感器概述 2021-11-2175 5. 漂移漂移 傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為

48、漂移。 產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面： （1）傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)）傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù) （2）周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）周圍環(huán)境（如溫度、濕度等） 最常見的漂移是溫度漂移，溫度漂移主要表現(xiàn)為：溫度溫度漂移主要表現(xiàn)為：溫度零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移。 溫度漂移溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（一般為20）時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比()來表示， 即 第2章 傳感器概述 2021-11-2176 式中：t工作環(huán)境溫度t偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度t20之差， 即t = t - t20； yt傳感器在環(huán)境溫度t時(shí)的輸出； y20傳感器在環(huán)境溫度t

49、20時(shí)的輸出。 tyyt20(2-7)第2章 傳感器概述 2021-11-2177電磁場穩(wěn)定性（零漂）誤差因素誤差因素 傳感器傳感器外界影響外界影響溫度供電輸出輸出輸入輸入沖擊與振動線性滯后重復(fù)性靈敏度分辨力溫漂各種干擾穩(wěn)定性第2章 傳感器概述 2021-11-21782.2.2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性 傳感器的動態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的傳感器的動態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。響應(yīng)特性。 由于傳感器的慣性和滯后慣性和滯后，當(dāng)被測量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出往往來不及達(dá)到平衡狀態(tài)，處于動態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要其間的關(guān)系

50、要用動態(tài)特性來表示用動態(tài)特性來表示。 一個(gè)動態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變一個(gè)動態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)化規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)。第2章 傳感器概述 2021-11-2179 實(shí)際的傳感器，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時(shí)間函數(shù), 這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。差。 第2章 傳感器概述 2021-11-2180 1. 傳感器的基本動態(tài)特性方程傳感器的基本動態(tài)特性方程 傳感器的種類和形式很多，但它們的動態(tài)特性一般都可以用下述的高階微分方程來描述：（時(shí)域描述）（時(shí)域描述） xbdtdxb

51、dtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111（2-8） 式中，a0、a1、, an, b0、b1、., bm是與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)是與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的的常系數(shù)常系數(shù)。 第2章 傳感器概述 2021-11-2181 1） 零階系統(tǒng)零階系統(tǒng) 在方程式（2-8）中的系數(shù)除了a0、b0之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程就變成簡單的代數(shù)方程， 即 a0y(t) = b0 x(t) y(t) = kx(t) 式中，k = b0/a0 為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。 傳感器的動態(tài)特性用方程式（2-9）來描述的就稱為零階系統(tǒng)。 典型系統(tǒng)的動態(tài)方程

52、典型系統(tǒng)的動態(tài)方程第2章 傳感器概述 2021-11-2182 零階系統(tǒng)具有理想的動態(tài)特性，無論被測量x(t)如何隨時(shí)間變化，零階系統(tǒng)的輸出都不會失真，其輸出在時(shí)間上也無任何滯后， 所以零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。 在工程應(yīng)用中，在工程應(yīng)用中，電位器式的電阻傳感器電位器式的電阻傳感器、變面積式的變面積式的電容傳感器電容傳感器及及測量液位的測量液位的靜態(tài)式壓力傳感靜態(tài)式壓力傳感器器均可看作零階均可看作零階系統(tǒng)。系統(tǒng)。 第2章 傳感器概述 2021-11-2183 2） 一階系統(tǒng)一階系統(tǒng) 若在方程式（2-8）中的系數(shù)除了a0、a1與b0之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程為 )()

53、()(001txbtyadttdya上式通常改寫成為 )()()(tkxtydttdy(2-10) 式中：傳感器的時(shí)間常數(shù)，傳感器的時(shí)間常數(shù)，=a1/a0； k傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k=b0/a0。第2章 傳感器概述 2021-11-2184 時(shí)間常數(shù)具有時(shí)間的量綱，它反映傳感器的慣性的大小，靜態(tài)靈敏度則說明其靜態(tài)特性。 用方程式（2-10）描述其動態(tài)特性的傳感器就稱為一階系統(tǒng)，一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)。 如前面提到的不帶套管熱電偶測溫系統(tǒng)不帶套管熱電偶測溫系統(tǒng)、電路中常用電路中常用的的阻容濾波器阻容濾波器等均可看作為一階系統(tǒng)。 傳遞函

54、數(shù)表達(dá)形式為 第2章 傳感器概述 2021-11-21853） 二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)的微分方程為 )()()()(001222txbtyadttdyadttyda二階系統(tǒng)的微分方程通常改寫為 )()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn式中：k傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k=b0/a0； 傳感器的阻尼系數(shù)，傳感器的阻尼系數(shù)， n傳感器的固有頻率，傳感器的固有頻率， )2/(201aaa20aan第2章 傳感器概述 2021-11-2186 根據(jù)二階微分方程特征方程根的性質(zhì)不同，根據(jù)二階微分方程特征方程根的性質(zhì)不同， 二階系二階系統(tǒng)又可分為：

55、統(tǒng)又可分為： 二階慣性系統(tǒng)：其特點(diǎn)是特征方程的根為二階慣性系統(tǒng)：其特點(diǎn)是特征方程的根為兩個(gè)負(fù)兩個(gè)負(fù)實(shí)根實(shí)根， 它相當(dāng)于兩個(gè)一階系統(tǒng)串聯(lián)。它相當(dāng)于兩個(gè)一階系統(tǒng)串聯(lián)。 二階振蕩系統(tǒng)：其特點(diǎn)是特征方程的根為二階振蕩系統(tǒng)：其特點(diǎn)是特征方程的根為一對帶一對帶負(fù)實(shí)部的共軛復(fù)根負(fù)實(shí)部的共軛復(fù)根。 帶有套管的熱電偶帶有套管的熱電偶、 電磁式的動圈儀表電磁式的動圈儀表及RLC振蕩振蕩電路電路等均可看作為二階系統(tǒng)。 第2章 傳感器概述 2021-11-2187 2. 傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性 傳感器的動態(tài)特性不僅與傳感器自身結(jié)構(gòu)的傳感器的動態(tài)特性不僅與傳感器自身結(jié)構(gòu)的“固有因素固有因素”有關(guān)，還與

56、傳感器輸入量的變化形式有關(guān)有關(guān)，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。 即同一個(gè)傳感器在不同形式的輸入信號作用下，輸出量的變化是不同的. 通常選用幾種典型的輸入信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，研究通常選用幾種典型的輸入信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，研究傳感器的響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性。 傳感器的響應(yīng)特性，根據(jù)研究方法的不同，又分為傳感器的響應(yīng)特性，根據(jù)研究方法的不同，又分為時(shí)域時(shí)域響應(yīng)特性和頻域響應(yīng)特性響應(yīng)特性和頻域響應(yīng)特性。 第2章 傳感器概述 2021-11-21881） 瞬態(tài)響應(yīng)特性瞬態(tài)響應(yīng)特性 傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng)。傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng)。 在研究傳感器的動態(tài)特性時(shí)，從時(shí)域中對傳感器的響應(yīng)和過渡過程

57、進(jìn)行分析， 這種分析方法稱為時(shí)域分析法時(shí)域分析法。 傳感器在進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，用得比較多的標(biāo)準(zhǔn)輸入信傳感器在進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，用得比較多的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有：號有：階躍信號和脈沖信號階躍信號和脈沖信號。 與之對應(yīng)的傳感器的輸出瞬態(tài)響應(yīng)分別稱為：與之對應(yīng)的傳感器的輸出瞬態(tài)響應(yīng)分別稱為：階躍響階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)應(yīng)和脈沖響應(yīng)。（1）時(shí)域響應(yīng)特性分析）時(shí)域響應(yīng)特性分析第2章 傳感器概述 2021-11-2189 (1) 一階傳感器的單位階躍響應(yīng)一階傳感器的單位階躍響應(yīng))()()(tkxtydttdy設(shè)傳感器的靜態(tài)靈敏度k =1， 寫出它的傳遞函數(shù)為 11)()()(ssXsYsH對初始狀態(tài)為零的傳感器，若輸入

58、一個(gè)單位階躍信號，即 10)(txt0 t0 一階傳感器的微分方程為第2章 傳感器概述 2021-11-2190輸入信號x(t)的拉氏變換為 ssX1)(一階傳感器的單位階躍響應(yīng)拉氏變換式為 sssXsHsY111)()()(2-13) 對式(2-13)進(jìn)行拉氏反變換， 可得一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號為 tety1)(2-14) 第2章 傳感器概述 2021-11-2191圖2-8 一階傳感器單位階躍響應(yīng) 02345tx(t)y(t)y(t)x(t)10.6320.8650.9500.9820.993第2章 傳感器概述 2021-11-2192 相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖2-8所示。由圖可見，傳感器

59、存在由圖可見，傳感器存在慣性，它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號，而是從零開始，慣性，它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號，而是從零開始，按指數(shù)規(guī)律上升，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。按指數(shù)規(guī)律上升，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。 理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無窮大時(shí)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，但通常認(rèn)為t =（34）時(shí)，如當(dāng)t = 4時(shí)其輸出就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98.2%，可以認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 顯然，一階傳感器的時(shí)間常數(shù)一階傳感器的時(shí)間常數(shù)越小，響應(yīng)越快，響應(yīng)越小，響應(yīng)越快，響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線，即動態(tài)誤差小。曲線越接近于輸入階躍曲線，即動態(tài)誤差小。 因此，時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)是一階傳感器重要的性能參數(shù)。是一階傳感器重要的性能參數(shù)。第2章 傳感器

60、概述 2021-11-2193(2） 二階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階傳感器的單位階躍響應(yīng) 二階傳感器的微分方程為 )()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn設(shè)傳感器的靜態(tài)靈敏度 k=1，其二階傳感器的傳遞函數(shù)為 2222)(nnnsssH(2-15) 傳感器輸出的拉氏變換為 )2()()()(222nnnssssXsHsY(2-16) 第2章 傳感器概述 2021-11-2194 圖2-9 二階傳感器單位階躍響應(yīng) y(t)2100.71200.10.30.5nt=0時(shí)，響應(yīng)是一個(gè)等幅振蕩時(shí)，響應(yīng)是一個(gè)等幅振蕩1時(shí)，時(shí)， 響應(yīng)是一個(gè)不振蕩的衰減過程響應(yīng)是一個(gè)不振蕩的衰減過程第2