傳感器第一章

1、l西南交通大學電氣工程學院(學分: 2 學時: 32)主講教師:華澤璽電話:一章 傳感器的基本概念一、傳感器的定義與組成二、傳感器的分類及消除環(huán)境干擾三、傳感器的技術(shù)特點及要求四、傳感器的數(shù)學模型和基本特性指標五、改善傳感器性能的技術(shù)途徑六、傳感器的標定與校準七、第二次作業(yè)一、傳感器的定義(撐握)隨著科學技術(shù)的發(fā)展和人類社會的進步, 傳感器也在不斷的發(fā)展,因此,至今尚無一個比較全面的定義。 能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號的器件和裝置。成可用的輸出信號的器件和裝置。 傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信傳感

2、器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并按照一定息具有感受（或響應）與檢出功能，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應的有用輸出信號的元器件或規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應的有用輸出信號的元器件或裝置。裝置。（1）傳感器是一種傳感器是一種元器件元器件或或裝置裝置。測速發(fā)電機、發(fā)電機測速傳感器測速發(fā)電機、發(fā)電機測速傳感器發(fā)電機是不是傳感器？發(fā)電機是不是傳感器？（2 2）“被測對象的某一確定的信息被測對象的某一確定的信息”物理量、化學量、生物量。物理量、化學量、生物量。（3）有用輸出信號有用輸出信號（4）“按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換”：傳感器、變換：傳感器、變換器、變送器、換能器、轉(zhuǎn)換

3、器、探測器。器、變送器、換能器、轉(zhuǎn)換器、探測器。 傳感器（傳感器（Transducer或或sensor)有時亦被稱為換能有時亦被稱為換能器、變換器、變送器或探測器。器、變換器、變送器或探測器。dblCr00dbllCCCr）（00lllllCC10dblClCSr00在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。(p.11) 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)型型傳傳感感器器 物物性性型型傳傳感感器器 特特性性 結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)參參數(shù)數(shù)決決定定 物物質(zhì)質(zhì)性性質(zhì)質(zhì)決決定定 性性能能 穩(wěn)穩(wěn)定定 將將迅迅速速提提高高 成成本本 較較高高 將將大大大大降降低低 應應用用 廣廣泛泛 發(fā)發(fā)展展方方向向之之一一 dACr00dACr0二、傳感器的組成(

4、撐握)輸出輸出信息信息被測被測信息信息敏感敏感元件元件輔助輔助電路電路信號調(diào)節(jié)信號調(diào)節(jié)電路電路轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換元件元件輔助部件輔助部件敏感元件敏感元件, 是指傳感器中能直接感受是指傳感器中能直接感受(或響應或響應)與檢出被測對象的待測信息（輸入量）的部與檢出被測對象的待測信息（輸入量）的部分分; 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件, 是指傳感器中能將敏感元件感受的是指傳感器中能將敏感元件感受的(或響應或響應)的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有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)換電路，進行放大、運算調(diào)制信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進行放大、運算調(diào)制等

5、，等， 此外信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工此外信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源，作必須有輔助的電源， 因此信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路因此信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。隨著半導體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應用，隨著半導體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應用，傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件一起集傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。 返回 傳感器種類繁多傳感器種類繁多, 功能各異。功能各異。 由于同一被測由于同一被測量可用不同轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)探測量可用

6、不同轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)探測, 利用同一種物理利用同一種物理法則、法則、 化學反應或生物效應可設計制作出檢測化學反應或生物效應可設計制作出檢測不同被測量的傳感器不同被測量的傳感器, 而功能大同小異的同一類而功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術(shù)領域傳感器可用于不同的技術(shù)領域, 故傳感器有不同故傳感器有不同的分類法。的分類法。一、按工作機理分類一、按工作機理分類 結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器、復合型傳結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器、復合型傳感器（略）感器（略） 傳感器的分類傳感器的分類(了解了解)二、按被測量分類二、按被測量分類物理量傳感器：物理量傳感器又有壓力傳物理量傳感器又有壓力傳感器、荷重傳感器、位

7、移傳感器、溫度傳感感器、荷重傳感器、位移傳感器、溫度傳感器等；器等；化學量傳感器：化學量傳感器又有濕度傳化學量傳感器又有濕度傳感器、氣體傳感器等。感器、氣體傳感器等。生物量傳感器： 這種分類優(yōu)點是便于根據(jù)被測量的對象選這種分類優(yōu)點是便于根據(jù)被測量的對象選擇相應的傳感器。擇相應的傳感器。（參考書上（參考書上p.46)三、按敏感材料分類三、按敏感材料分類 根據(jù)傳感器使用的敏感材料分類根據(jù)傳感器使用的敏感材料分類, 可分為可分為半導體傳感器、半導體傳感器、 光纖傳感器、光纖傳感器、 陶瓷傳感器、陶瓷傳感器、金屬傳感器、高分子材料傳感器、金屬傳感器、高分子材料傳感器、 復合材料復合材料傳感器等等。傳感

8、器等等。四、按能量的關系分類四、按能量的關系分類BIKUHHBIdRH五、按輸出信號的類型進行分類五、按輸出信號的類型進行分類 模擬式傳感器模擬式傳感器 輸出的信號為模擬信輸出的信號為模擬信號（時域連續(xù)，屬傳統(tǒng)類型，現(xiàn)仍廣泛用）號（時域連續(xù)，屬傳統(tǒng)類型，現(xiàn)仍廣泛用） 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器 輸出的信號為數(shù)字信號（時域輸出的信號為數(shù)字信號（時域上不連續(xù)）上不連續(xù)） 隨著信息處理的數(shù)字化，數(shù)字式傳感器所輸出的隨著信息處理的數(shù)字化，數(shù)字式傳感器所輸出的信號由于可以省略信號由于可以省略 A/DA/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，便于網(wǎng)絡傳輸，優(yōu)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，便于網(wǎng)絡傳輸，優(yōu)勢是明顯的。特別是近年來發(fā)展起來的總線式數(shù)字傳勢

9、是明顯的。特別是近年來發(fā)展起來的總線式數(shù)字傳感器，則更加引人注目。感器，則更加引人注目。六、按感知外界信息六、按感知外界信息 根據(jù)傳感器感知外界信息所依據(jù)的基本效根據(jù)傳感器感知外界信息所依據(jù)的基本效應應, , 可以將傳感器分成三大類可以將傳感器分成三大類: :物理傳感器、化物理傳感器、化學傳感器、生物傳感器。學傳感器、生物傳感器。 基于物理效應如光、基于物理效應如光、 電、電、 聲、聲、 磁、磁、 熱等熱等效應進行工作的稱為物理傳感器效應進行工作的稱為物理傳感器; ; 基于化學反應如化學吸附、選擇性化學反應基于化學反應如化學吸附、選擇性化學反應等進行工作的稱為化學傳感器等進行工作的稱為化學傳感

10、器; ; 基于酶、抗體、激素等分子識別功能的稱為基于酶、抗體、激素等分子識別功能的稱為生物傳感器。生物傳感器。七、按工作原理分類七、按工作原理分類 可分為應變式、電容式、電感式、電磁式、可分為應變式、電容式、電感式、電磁式、 壓電式、壓電式、 熱電式等傳感器。熱電式等傳感器。(撐握)返回一、技術(shù)特點一、技術(shù)特點(了解了解)內(nèi)容范圍廣且離散內(nèi)容范圍廣且離散知識密集程度高，邊緣學科色彩濃。知識密集程度高，邊緣學科色彩濃。技術(shù)復雜，工藝要求高技術(shù)復雜，工藝要求高功能優(yōu)，性能好功能優(yōu)，性能好品種多，應用廣品種多，應用廣二、對傳感器的一般要求二、對傳感器的一般要求(撐握)可靠性好靜態(tài)精度高動態(tài)性能好抗干

11、擾能力強通用性好尺寸小成本低能耗小最基本的最基本的要求要求返回(撐握) 從系統(tǒng)角度來看，傳感受器就是一種系統(tǒng)。從系統(tǒng)角度來看，傳感受器就是一種系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)工程學理論，一個系統(tǒng)總可以用一個數(shù)根據(jù)系統(tǒng)工程學理論，一個系統(tǒng)總可以用一個數(shù)學方程式或函數(shù)來描述。學方程式或函數(shù)來描述。 通常從傳感器的通常從傳感器的靜態(tài)輸入靜態(tài)輸入- -輸出輸出關系和關系和動態(tài)輸動態(tài)輸入入- -輸出輸出關系兩個方面建立數(shù)學模型。關系兩個方面建立數(shù)學模型。 由于輸入量的狀態(tài)不同，傳感器所呈現(xiàn)出的由于輸入量的狀態(tài)不同，傳感器所呈現(xiàn)出的輸入輸入- -輸出特性也不同，因此存在所謂的輸出特性也不同，因此存在所謂的靜態(tài)特性靜態(tài)特性和

12、和動態(tài)特性動態(tài)特性。 傳感器的靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號（傳感器的靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號（輸入不輸入不隨時間變化的信號隨時間變化的信號）情況下，描述傳感器輸出）情況下，描述傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關系。與輸入量間的一種函數(shù)關系。nnxaxaxaay+.2210.4422+xaxayxay1.55331+xaxaxaynnxaxaxaay+.2210 xay1.4422+xaxay.55331+xaxaxay 傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標來描述，線傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標來描述，線性度、遲滯、重復性、靈敏度、分辨率、閾值、穩(wěn)定性、性度、遲滯、重復性、靈敏度、分辨率、閾值、穩(wěn)定性

13、、漂移、精度（靜態(tài)誤差）等。漂移、精度（靜態(tài)誤差）等。線性度線性度yYFSx理 想 特 性 曲 線實 際 特 性 曲 線o靈敏度靈敏度x yxy xySn 重復性重復性max FSymxyxix遲滯遲滯分辨率分辨率閾值閾值穩(wěn)定性穩(wěn)定性漂移漂移精度精度xyXOYFSFSxiydmyiiE1、線性度、線性度 線性度也稱為非線性誤差，表示傳感器實際線性度也稱為非線性誤差，表示傳感器實際的輸入的輸入輸出關系曲線偏離擬合直線（一般選取輸出關系曲線偏離擬合直線（一般選取與實際曲線誤差最小的直線）的程度。與實際曲線誤差最小的直線）的程度。yYFSx理 想 特 性 曲 線實 際 特 性 曲 線o%100max

14、FSYE 非線性誤差盡量小，計算和使用方便。非線性誤差盡量小，計算和使用方便。理論直線法、端點線法、理論直線法、端點線法、“最佳直線最佳直線”法、法、最小二乘法、硬件線性化方法、軟件線性化最小二乘法、硬件線性化方法、軟件線性化方法、插值法方法、插值法選定擬合直線的不同，得到傳感器線性度就選定擬合直線的不同，得到傳感器線性度就不同，因此，選定擬合直線的過程，就是傳不同，因此，選定擬合直線的過程，就是傳感器的線性化過程。感器的線性化過程。理論線性度理論線性度: 擬合直線為理論直線擬合直線為理論直線, 通常以通常以 0%作為直線起始點作為直線起始點, 滿量程輸出滿量程輸出100%作為終止點。作為終止

15、點。 序號序號 方法名稱方法名稱 擬合直線擬合直線 特點特點 （1） 理論直線法理論直線法 理論特性線，理論特性線， 與測量值無關與測量值無關 簡單、方便，簡單、方便， 非線性誤差大。非線性誤差大。 （2） 端點線法端點線法 校準曲線端點連線校準曲線端點連線 簡單，簡單， 非線性誤差大非線性誤差大 （3） “最佳直線最佳直線”法法 與正、反行程校準曲線的與正、反行程校準曲線的正、負偏差相等且最小正、負偏差相等且最小 精度高，精度高， 求解復雜求解復雜 （4） 最小二乘法最小二乘法 與校準曲線的殘差平方和與校準曲線的殘差平方和最小最小 精度高，普遍推精度高，普遍推薦的方法薦的方法 理論直線法、端

16、點線法、理論直線法、端點線法、“最佳直線最佳直線”法、最小二乘法比較法、最小二乘法比較設擬合直線為設擬合直線為 ，如果實際校準，如果實際校準測試點有測試點有 n個，個，則：則：bkxy+bkxy+ a由由 式分別對式分別對 k 和和 b 求一階偏導數(shù)并令其等求一階偏導數(shù)并令其等于零，得：于零，得： a a)(iikxbyi+ + 2112)( + + niiinikxbyi按最小二乘法原理，按最小二乘法原理， 應最小。應最小。 nii12擬合直線 niniiinininiiiiixxnyxyxnk1212111)( niniiinininiiiiniiixxnyxxyxb121211112)(

17、bkxy+ + UI0TRRRXTS1 + + TRUIs KKKKXXYYXYK + + +11/KXXYYkiKi + + )(KKKiKKKXXXXYYY + + + + +11)()(2、靈敏度、靈敏度傳感器的靈敏度是指在穩(wěn)態(tài)下，其輸出傳感器的靈敏度是指在穩(wěn)態(tài)下，其輸出增量增量 與輸入增量與輸入增量 的比值，常用的比值，常用 來表來表示。即：示。即：yyxxnSxySnxySn對于線性傳感器：對于線性傳感器：xyySn0 xyySn0對于非線性傳感器：對于非線性傳感器：dxdySndxdySnx yxy xySn ixyxixxinxdydS 3、重復性、重復性max FSymxyxi

18、x%max100FSxyEmaxmax 最大不重復誤差最大不重復誤差FSY 滿量程輸出值滿量程輸出值 niiyny111)(12 nyyniis s%100)32(sFSzYE syi 為某次測量值，為某次測量值，y為各次測量的平均值。為各次測量的平均值。n測量次數(shù)。測量次數(shù)。4、遲滯、遲滯表示傳感器在正行程（輸入量增大）和表示傳感器在正行程（輸入量增大）和反行程（輸入量減?。┢陂g，輸出反行程（輸入量減?。┢陂g，輸出輸入輸入特性曲線不重合的程度。特性曲線不重合的程度。傳感器的最大滯環(huán)率傳感器的最大滯環(huán)率滯環(huán)誤差滯環(huán)誤差diiyyExyXOYFSFSxiydmyiiE%100maxFSYmE5、

19、分辨率、分辨率%100minFSXx滿量程輸入值表示傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢表示傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測輸入量的最小變化量測輸入量的最小變化量 。minx6、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性指在室溫條件下，經(jīng)過相當長的時間間指在室溫條件下，經(jīng)過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。起始標定時的輸出之間的差異。7、漂移、漂移指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關的、不需要的變化。入量無關的、不需要的變化。零點漂移零點漂移靈敏度漂移靈敏度漂移時間漂移時間漂移溫度漂移溫度漂移時間漂移時間漂移溫度

20、漂移溫度漂移、精度（、精度（靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差）靜態(tài)誤差是評價傳感器靜態(tài)性能的綜合指靜態(tài)誤差是評價傳感器靜態(tài)性能的綜合指標，是指傳感器在滿量程內(nèi)任一點的輸出值與其標，是指傳感器在滿量程內(nèi)任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。常用有以下幾種方法：理論輸出值的偏離程度。常用有以下幾種方法：代數(shù)合成法：代數(shù)合成法：幾何合成法：幾何合成法：22max2zsEEEE+)(maxzsEEEE+1)(12pypiis%100)32( SFsyesyi 為各測點殘差為各測點殘差p測量次數(shù)。測量次數(shù)。%100| )( |max+ SFsyyesmaxs)(maxy一只壓力傳感器的校準數(shù)據(jù)如下表所列，一只壓力傳感

21、器的校準數(shù)據(jù)如下表所列，試求試求最小二乘法線性度最小二乘法線性度 重復性重復性 遲滯遲滯誤差誤差 總精度（靜態(tài)誤差）?？偩龋o態(tài)誤差）。輸入壓力輸入壓力xi（10 Pa）00.51.01.52.02.51正行程正行程0.0020 0.20150.4005 0.60000.79951.0000反行程反行程0.0030 0.20200.4020 0.60100.80052正行程正行程0.0025 0.20200.4010 0.60000.79950.9995反行程反行程0.0035 0.20300.4020 0.60150.80053正行程正行程0.0035 0.20200.4010 0.600

22、00.79950.9990反行程反行程0.0040 0.20300.4020 0.60100.80055次數(shù)次數(shù)輸出電輸出電壓（壓（V）例例1 1解：解：（一）求擬合直線（最小二乘直線）（一）求擬合直線（最小二乘直線）39853.0)(1212111niniiinininiiiiixxnyxyxnk5 .37331iix0425.15331iiy5618.25331iiiyx75.633312iix002986.0)(121211112niniiinininiiiiniiixxnyxxyxb002986.039853.0+xbkxy（二）求基本數(shù)值（二）求基本數(shù)值00.51.01.52.02.

23、5正行程平均輸出正行程平均輸出0.00270.2018 0.4008 0.60000.79950.9995反行程平均輸出反行程平均輸出0.00350.2027 0.4020 0.60120.80050.9995總平均輸出總平均輸出0.00310.2023 0.4014 0.60080.80000.9995計算值計算值0.00300.2023 0.4015 0.60000.80000.9993正行程標準差正行程標準差0.00080.0003 0.0003 0.00000.00000.0005反行程標準差反行程標準差0.00050.0005 0.0000 0.00030.00000.0005線性偏

24、差（線性偏差（ ）0.00010.0000-0.0001-0.00020.00000.0002滯環(huán)誤差滯環(huán)誤差0.00080.0009 0.0012 0.00120.00100.0000計算項目計算項目輸入量輸入量(三）求特性指標三）求特性指標%100maxFSYE%1009963.0002.0%02.0%24. 0%1009963. 00008. 03%1003sFSzYE最小二乘線性度：最小二乘線性度：重復性（取置信系數(shù)為重復性（取置信系數(shù)為3 3）：）：9963. 0002986. 0002986. 05 . 239853. 0+FSYV%12. 0%1009963. 00012. 0%

25、100maxFSmYE%27. 0222max+zEEEEs遲滯誤差：遲滯誤差：精度（靜態(tài)誤差）：精度（靜態(tài)誤差）：幾何合成法幾何合成法l理想傳感器：理想傳感器：在動態(tài)測量情況下，輸人量隨時間變化時，在動態(tài)測量情況下，輸人量隨時間變化時，輸出量能立即隨之無失真地變化輸出量能立即隨之無失真地變化l實際的傳感器（或測試系統(tǒng)）：實際的傳感器（或測試系統(tǒng)）：彈性、慣性、阻尼。彈性、慣性、阻尼。輸出：輸入量、輸入量的變化速度輸出：輸入量、輸入量的變化速度dtdtdtdt，加速度加速度d d2 2t/dtt/dt2 2工程上采取近似的方法，工程上采取近似的方法，用線性時不變系統(tǒng)理論用線性時不變系統(tǒng)理論來描

26、述傳感器的動態(tài)特來描述傳感器的動態(tài)特性性 動態(tài)模型是指傳感器在動態(tài)或準動態(tài)信號動態(tài)模型是指傳感器在動態(tài)或準動態(tài)信號(輸入信號隨時間而變化的量輸入信號隨時間而變化的量)作用下作用下,描述其輸出描述其輸出和輸入信號的一種數(shù)學關系。和輸入信號的一種數(shù)學關系。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程：描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程：yadtdyadtydadtydannnnnn01111+xbdtdxbdtxdbdtxdbmmmmmm01111+xbyadtdya001+零階：零階：一階：一階：二階：二階：xbya00 xbyadtdyadtyda001222+式中，式中， y y為輸出量，為輸出量

27、，x x為輸入量，為輸入量，a a0 0、a a1 1、, , a an n, , b b0 0、b b1 1、., ., b bm m是與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關的常是與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關的常系數(shù)。對傳感器來說，除系數(shù)。對傳感器來說，除b00外，其它外，其它b0、b1、., bm都為都為“0” 1） 零階系統(tǒng)零階系統(tǒng) 在方程式中的系數(shù)除了在方程式中的系數(shù)除了a0、b0之外，其它的系數(shù)均為零，則之外，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，微分方程就變成簡單的代數(shù)方程， 即即 a0y(t)=b0 x(t) 通常將該代數(shù)方程寫成通常將該代數(shù)方程寫成 y(t)=kx(t) 式中，式中，k=

28、b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。傳感器的動為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。傳感器的動態(tài)特性用方程式（態(tài)特性用方程式（2-9）來描述的就稱為零階系統(tǒng)。）來描述的就稱為零階系統(tǒng)。 零階系統(tǒng)具有理想的動態(tài)特性，無論被測量零階系統(tǒng)具有理想的動態(tài)特性，無論被測量x(t)x(t)如何隨時間變化，零階系統(tǒng)的輸出都不會失如何隨時間變化，零階系統(tǒng)的輸出都不會失真，其輸出在時間上也無任何滯后，真，其輸出在時間上也無任何滯后， 所以零階所以零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。 在工程應用中，電位器式的電阻傳感器、變在工程應用中，電位器式的電阻傳感器、變面積式的電容傳感器及利用靜態(tài)式壓力傳感器測面積

29、式的電容傳感器及利用靜態(tài)式壓力傳感器測量液位均可看作零階系統(tǒng)。量液位均可看作零階系統(tǒng)。 2 2） 一階系統(tǒng)一階系統(tǒng) 若在方程式（若在方程式（2-82-8）中的系數(shù)除了）中的系數(shù)除了a a0 0、a a1 1與與b b0 0之外，之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程為其它的系數(shù)均為零，則微分方程為 )()()(001txbtyadttdya+)()()(tkxtydttdy+ 時間常數(shù)時間常數(shù)具有時間的量綱，它反映傳感器具有時間的量綱，它反映傳感器的慣性的大小，的慣性的大小， 靜態(tài)靈敏度則說明其靜態(tài)特性。靜態(tài)靈敏度則說明其靜態(tài)特性。用方程式描述其動態(tài)特性的傳感器就稱為一階系用方程式描述其動態(tài)特性的

30、傳感器就稱為一階系統(tǒng)，一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)。統(tǒng)，一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)。 不帶套管熱電偶測溫系統(tǒng)、電路中常用的阻不帶套管熱電偶測溫系統(tǒng)、電路中常用的阻容濾波器等均可看作為一階系統(tǒng)。容濾波器等均可看作為一階系統(tǒng)。 (理解理解)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， 二二階系統(tǒng)又可分為：階系統(tǒng)又可分為： 二階慣性系統(tǒng)：其特點是特征方程的根為兩個負實根，二階慣性系統(tǒng)：其特點是特征方程的根為兩個負實根， 它相當于兩個一階系統(tǒng)串聯(lián)。它相當于兩個一階系統(tǒng)串聯(lián)。 二階振蕩系統(tǒng)：其特點是特征方程的根為一對帶負實二階振蕩系統(tǒng)：其特點是特征方程的根為一對帶負實部的共軛復根。

31、部的共軛復根。 帶有套管的熱電偶、帶有套管的熱電偶、 電磁式的動圈儀表及電磁式的動圈儀表及RLC振蕩振蕩電路等均可看作為二階系統(tǒng)。電路等均可看作為二階系統(tǒng)。 kydtdycdtyxdm+22)(2222dtxdmkydtdycdtydm+makydtdycdtydm+2222dtxda 求解微分方程可以直觀地看出傳感求解微分方程可以直觀地看出傳感器的輸出隨輸入變化而變化的規(guī)律，但器的輸出隨輸入變化而變化的規(guī)律，但是輸入信號隨時間的變化形式是多種多是輸入信號隨時間的變化形式是多種多樣的，對于不同形式的輸入信號，根據(jù)樣的，對于不同形式的輸入信號，根據(jù)微分方程求解出的輸出信號的形式也是微分方程求解出

32、的輸出信號的形式也是不同的，不同的，很難直觀看出傳感器在信號轉(zhuǎn)很難直觀看出傳感器在信號轉(zhuǎn)換過程中的作用換過程中的作用，也無法對傳感器的性，也無法對傳感器的性能作出直接的評價，另外，解微分方程能作出直接的評價，另外，解微分方程往往很麻煩，因此，常常采用傳遞函數(shù)往往很麻煩，因此，常常采用傳遞函數(shù)來研究傳感器的動態(tài)特性。來研究傳感器的動態(tài)特性。n輸出輸出y(t)的拉氏變換的拉氏變換Y(s)和輸入和輸入x(t)的拉的拉氏變換氏變換X(s)之比稱為傳遞函數(shù)，并記為之比稱為傳遞函數(shù)，并記為H(s)0)()(dtetysYtS0)(0tyt時，當為角頻率是收斂因子，拉氏變換自變量其中ss,js+)()()(

33、tfLstfLnnxbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111.+)().()().(01110111sXbsbsbsbsYasasasammmmnnnn+0)()()(dtetytyLsYtS0)()()(dtetxtxLsXtS01110111.)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm+)(.)()()()(211sHsHsHsHsHnniiniisHsH1)()()(.)()(21sHsHsHn+TT0在動態(tài)的輸入信號情況下，輸出信號一般不會與在動態(tài)的輸入信號情況下，輸出信號一般不會與輸入信號

34、具有完全相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入輸入信號具有完全相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入之間的差異，就是動態(tài)誤差。之間的差異，就是動態(tài)誤差。 考察傳感器動態(tài)特性的好壞，并不需要考察傳感器動態(tài)特性的好壞，并不需要將各種形式的輸入信號都測試一遍，通常將各種形式的輸入信號都測試一遍，通常只需要考察其在只需要考察其在)(tx, 0, 10t0t階躍響應特性階躍響應特性)(tyt1 . 00 0.900 . 500 . 10dtrtptStpsps)(e穩(wěn)態(tài)誤差典型的階躍響應特性典型的階躍響應特性 時間常數(shù)時間常數(shù)：一：一階傳感器輸出上升階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間所需的時間,稱

35、為時稱為時間常數(shù)。間常數(shù)。 延遲時間延遲時間td：傳：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的值的50%所需的時所需的時間。間。 上升時間上升時間tr：傳：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的值的90%所需的時所需的時間。間。 峰值時間峰值時間tp： 二階傳感器輸出響應曲線達到第一個峰二階傳感器輸出響應曲線達到第一個峰值所需的時間。值所需的時間。 超調(diào)量超調(diào)量： 二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。 衰減比衰減比d：衰減振蕩的二階傳感器輸出響應曲線第一個：衰減振蕩的二階傳感器輸出響應曲線第一個峰值與第二個峰值之比。峰值與第二個峰值之比。tXxsin)sin(+t

36、Yyxbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111.+ 將傳感器傳遞函數(shù)將傳感器傳遞函數(shù)H(s)中的中的s以以j取代，取代，可以得到傳感器的可以得到傳感器的)()()()()(jXjYRejXjYImarctg01110111)(.)()()(.)()()()()(ajajajabjbjbjbjXjYjHnnnnmmmm+jjtjtjeAeXYXeYejXjYjH)()()()()(+XYjHA)()(LHkabjH00)(kjHA)()(xbyadtdya001+01aa00abK Kxydtdy+)()() 1(sKXsYs

37、+sKsXsYsH+1)()()(jKjXjYjH+1)()()(1)()(2+KA)()( arctg時，當1)(,)(KA)()1 (/teKAyKAeKAy632. 0)1 ()(1時，當tKxydtdy+)(tx0, 0t0, tAmcdQdT dtTThsdQ)(00TTdtdThsmc+,01hsmcaa100abK111)()()(0+hsmcjjKjTjTjH1)(11)()(22+hsmcKA)()()(hsmcarctgarctg)1 (/teKAT)1 (tmchseAT返回二階傳感器的頻率響應(不要求)l典型二階傳感器的微分方程通式為l其傳遞函數(shù)、頻率響應、幅頻特性和相

38、頻特性分別為二階傳感器的頻率響應傳感器的頻率響應特性好壞，主要取決于傳感器的固有頻率和阻尼比2.3.2傳感器的瞬態(tài)響應min)()(iYiYm)(iY)(iYmYX)()(kXkYnnii)()()(kYkYkeimi)()()() 1(kXkekkniin+xleYY0342321XXXY+8 . 0取 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 掌握傳感器的基本測量精度。掌握傳感器的基本測量精度。 動態(tài)特性動態(tài)特性 頻率響應特性頻率響應特性(了解傳感器的幅頻特性和相頻特性目的了解傳感器的幅頻特性和相頻特性目的 ) 在動態(tài)量測量時使其頻率處于傳感器的通帶之內(nèi)，且輸出在動態(tài)量測量時使其頻率處于傳感器的通帶之內(nèi)，且輸出信

39、號的相移盡可能的??；信號的相移盡可能的?。?設計傳感器時，即要保證傳感器的通帶（與設計傳感器時，即要保證傳感器的通帶（與n有關），又，又要控制阻尼即可能達到臨界阻尼。要控制阻尼即可能達到臨界阻尼。 階躍響應階躍響應特性特性 傳感器的傳感器的階躍響應階躍響應時間，對數(shù)據(jù)的采集十分重要時間，對數(shù)據(jù)的采集十分重要(防止采防止采錯錯), 設計傳感器時，即要減小輸出的過沖，又要盡量減小設計傳感器時，即要減小輸出的過沖，又要盡量減小階躍階躍響應響應時間時間。返回.55331+xaxaxay332210 xaxaxaay+nnxa+.443322101+xaxaxaxaay.443322102+xaxaxa

40、xaay.)(25533121+xaxaxayyydllbCr)(01+dllbCr)(02dlbCCCr0212dlbCSr02n00%6 .310%5 . 4,10n,500nx00 xxxx1y2y3ynyniiyY1123n00n0n 方方法法 噪噪聲聲源源 原原理理及及方方法法 舉舉例例 電電場場屏屏蔽蔽 電電場場間間的的相相互互影影響響 屏屏蔽蔽層層接接地地 低低噪噪聲聲同同軸軸電電纜纜 電電磁磁屏屏蔽蔽 高高頻頻外外磁磁場場 楞楞次次定定律律 屏屏蔽蔽層層接接地地， 電電場場屏屏蔽蔽和和電電磁磁屏屏蔽蔽功功能能 磁磁屏屏蔽蔽 磁磁力力線線 高高導導磁磁材材料料作作屏屏蔽蔽層層 接

41、接地地后后， 具具有有磁磁屏屏蔽蔽和和電電屏屏蔽蔽功功能能 ABx+AAxABBxAAABABxAxBxxBA+ABx+niiKK1nii1sAsA+1)()(1)()(sAsAsH+sA+1yxxxsAAsAAsAsAsH+1111111)(AAA+1A+1)(1)()(sAsAsH+1, 1AA 溫溫度度 傳傳感感器器輸輸入入 傳傳感感器器輸輸出出 T0 X0 Y0 T1 X0 Y1 T2 X0 Y2 Tn X0 Yn )(0iiTfyy 找到一個規(guī)律函數(shù)找到一個規(guī)律函數(shù)返回返回1、基本要求、基本要求掌握傳感器的定義與組成掌握傳感器的定義與組成了解傳感器分類、發(fā)展趨勢；了解傳感器分類、發(fā)展

42、趨勢； 掌握傳感器靜態(tài)特性指標及定量描述方法；掌握傳感器靜態(tài)特性指標及定量描述方法； 掌握傳感器動態(tài)特性指標及定量描述方法；掌握傳感器動態(tài)特性指標及定量描述方法；初步掌握改善傳感器性能的技術(shù)途徑、了解消除環(huán)初步掌握改善傳感器性能的技術(shù)途徑、了解消除環(huán)境干擾方法境干擾方法 、傳感器的標定與校準傳感器的標定與校準2、做在作業(yè)本上，作為期末成績的一部分。留作業(yè)隔一做在作業(yè)本上，作為期末成績的一部分。留作業(yè)隔一周的課間交于老師，老師將在網(wǎng)上給出部分習題標準答周的課間交于老師，老師將在網(wǎng)上給出部分習題標準答案。案。寫出傳感器的定義；寫出傳感器的定義； 何為傳感器的靜態(tài)特性？靜態(tài)特性的主要技術(shù)指何為傳感器

43、的靜態(tài)特性？靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有哪些？標有哪些？ 何為傳感器的動態(tài)特性？動態(tài)特性的主要技術(shù)指何為傳感器的動態(tài)特性？動態(tài)特性的主要技術(shù)指標有哪些？標有哪些？ 傳感器的線性度是怎樣確定的？擬合直線的確定傳感器的線性度是怎樣確定的？擬合直線的確定有哪幾種常用方法？有哪幾種常用方法？ 一階傳感器怎樣確定輸入信號頻率范圍？一階傳感器怎樣確定輸入信號頻率范圍？ 什么是動態(tài)誤差？描述一下傳感器的差動技術(shù)。什么是動態(tài)誤差？描述一下傳感器的差動技術(shù)。 用最小二乘法求擬合直線方法用最小二乘法求擬合直線方法,得出得出k和和b的所有的所有推導過程推導過程,要求有中間過程。要求有中間過程。一臺精度等級為一臺精度等級

44、為05級、量程范圍級、量程范圍6001 200的溫的溫度傳感器，它最大允許絕對誤差是多少度傳感器，它最大允許絕對誤差是多少?檢驗時某點最大檢驗時某點最大絕對誤差是絕對誤差是4，問此表是否合格，問此表是否合格? 已知某傳感器靜態(tài)特性方程已知某傳感器靜態(tài)特性方程Y=exp(X)，試用最小二乘，試用最小二乘法，在法，在0X1范圍內(nèi)擬合直線方程，并求出相應的線性范圍內(nèi)擬合直線方程，并求出相應的線性度。最小二乘法：求擬合直線。根據(jù)計算公式測量范圍度。最小二乘法：求擬合直線。根據(jù)計算公式測量范圍分成分成6等分取等分取n=6,各點如下各點如下(0,1),(0.2,1.221),(0.4,1.492),(0.

45、6,1.822), (0.8,2.226),(1.0,2.718)某玻璃水銀溫度計微分方程式為某玻璃水銀溫度計微分方程式為式中，式中，Qo為水銀柱高度為水銀柱高度(m)；Qi為被測溫度為被測溫度()。試確定。試確定該溫度計的時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度系數(shù)。該溫度計的時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度系數(shù)。iQQdtdQ10224300+由一階微分方程推導一階系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特由一階微分方程推導一階系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。性。(12)第第2章章 傳感器的基本特性思考題和習題傳感器的基本特性思考題和習題(P20)2.5和和2.6題題返回傳感器的定義和分類傳感器的定義和分類一、傳感器的定義信息處理技術(shù)取得的進展以

46、及微處理器和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，都需要在傳感器的開發(fā)方面有相應的進展。微處理器現(xiàn)在已經(jīng)在測量和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。隨著這些系統(tǒng)能力的增強，作為信息采集系統(tǒng)的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統(tǒng)和機器人技術(shù)中的關鍵部件，作為系統(tǒng)中的一個結(jié)構(gòu)組成，其重要性變得越來越明顯。最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括

47、承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。 傳感器系統(tǒng)的原則框圖示于圖1-1，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并輸入到微處理器。德國和俄羅斯學者認為傳感器應是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部

48、分。按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的電路部分。 傳感器系統(tǒng)的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉(zhuǎn)變成另一種，不需要外接的能源或激勵源(參閱圖1-2(a)。 有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程無源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動態(tài)(即過程)的。對象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學性質(zhì)的。按照

49、其工作原理，傳感器將對象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評測或標示。 各種物理效應和工作機理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類型不斷增加，其包含的處理過程日益完善。常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬： 光敏傳感器視覺 聲敏傳感器聽覺氣敏傳感器嗅覺 化學傳感器味覺 壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺 與當代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功能優(yōu)越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。對傳感器設定了許多技術(shù)要求，有一些是對所

50、有類型傳感器都適用的，也有只對特定類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)在不同場合均需要的基本要求是： 高靈敏度抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感) 線性容易調(diào)節(jié)(校準簡易) 高精度高可靠性 無遲滯性工作壽命長(耐用性) 可重復性抗老化 高響應速率抗環(huán)境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 選擇性安全性(傳感器應是無污染的) 互換性低成本 寬測量范圍小尺寸、重量輕和高強度 寬工作溫度范圍 二、傳感器的分類可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應)；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化