第一講 傳感器的基本概念

1、傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一講第一講 傳感器的基本概念傳感器的基本概念（教材第一章）（教材第一章）應(yīng)用電子技術(shù)教研室應(yīng)用電子技術(shù)教研室 吳睿吳睿1傳感器原理與應(yīng)用 課程概述課程概述 本門課程的特點：本門課程的特點：1 1、是一門專業(yè)基礎(chǔ)課、是一門專業(yè)基礎(chǔ)課2 2、課程具有較強實踐性、課程具有較強實踐性 3 3、課程涉及的知識面廣、課程涉及的知識面廣4 4、是一門工程性、應(yīng)用性都非常強的課程、是一門工程性、應(yīng)用性都非常強的課程 2傳感器原理與應(yīng)用 課程的內(nèi)容主要內(nèi)容p傳感器的基礎(chǔ)知識傳感器的基礎(chǔ)知識(第一章第一章/講）講）p電阻式傳感器（第二章電阻式傳感器（第二章/講）講

2、） p電容式傳感器（第三章電容式傳感器（第三章/講）講） p電感式傳感器（第四章電感式傳感器（第四章/講）講）p熱電式傳感器（第五章熱電式傳感器（第五章/講）講） p壓電式傳感器（第六章壓電式傳感器（第六章/講）講） p光電式傳感器（第七章光電式傳感器（第七章/講）講） p磁電式傳感器（第八章磁電式傳感器（第八章/講）講） p其他新型傳感器其他新型傳感器理論+試驗 課程概述課程概述：表示：表示“重要內(nèi)容重要內(nèi)容”3傳感器原理與應(yīng)用 課程學(xué)習(xí)思路課程學(xué)習(xí)思路認識該傳感器的結(jié)構(gòu)與原理認識該傳感器的結(jié)構(gòu)與原理分析其工作電路分析其工作電路學(xué)習(xí)其應(yīng)用學(xué)習(xí)其應(yīng)用學(xué)習(xí)其新技術(shù)學(xué)習(xí)其新技術(shù) 課程概述課程概述4

3、傳感器原理與應(yīng)用 課程要求課程要求 1 1、對課程的內(nèi)容分、對課程的內(nèi)容分“了解、理解、掌握了解、理解、掌握”三三個層次提出要求；個層次提出要求； 2 2、對各類傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)、對各類傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域中技術(shù)有一定的認識用領(lǐng)域中技術(shù)有一定的認識 ； 3 3、在未來具體工作中，在傳感器和執(zhí)行器選、在未來具體工作中，在傳感器和執(zhí)行器選擇、使用、設(shè)計以及進一步深入研究方面具備擇、使用、設(shè)計以及進一步深入研究方面具備良好的基礎(chǔ)良好的基礎(chǔ) ； 4 4、在學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用的角度出發(fā)。、在學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)當(dāng)從應(yīng)用的角度出發(fā)。 課程概述課程概述5傳感器原理與應(yīng)用 中國傳感

4、器專業(yè)網(wǎng)：中國傳感器專業(yè)網(wǎng)：http:/ http:/ 中國傳感器在線中國傳感器在線: http:/ http:/ 中國傳感網(wǎng)：中國傳感網(wǎng)：http:/ http:/ 傳感器資訊網(wǎng)：傳感器資訊網(wǎng)： http:/ http:/ 傳感器信息港：傳感器信息港： http:/ http:/ 中國傳感器知識網(wǎng)：中國傳感器知識網(wǎng)：http:/ http:/ 國家傳感器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心國家傳感器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心http:/ http:/ 中國測試技術(shù)研究院：中國測試技術(shù)研究院：http:/ http:/ 國際標(biāo)準(zhǔn)傳感器協(xié)會國際標(biāo)準(zhǔn)傳感器協(xié)會/tc/sensors

5、/tc/sensors 學(xué)習(xí)參考網(wǎng)址6傳感器原理與應(yīng)用1.1 1.1 什么是傳感器？什么是傳感器？ 傳感器的應(yīng)用、定義與組成傳感器的應(yīng)用、定義與組成1.2 1.2 傳感器的分類傳感器的分類1.3 1.3 傳感器的技術(shù)特點傳感器的技術(shù)特點1.4 1.4 傳感器的基本特性傳感器的基本特性 （1.41.4和和1.51.5節(jié)內(nèi)容合并）節(jié)內(nèi)容合并）第一講第一講 傳感器的基礎(chǔ)知識傳感器的基礎(chǔ)知識7傳感器原理與應(yīng)用8 1.1 1.1 什么是傳感器？什么是傳感器？第一講第一講 傳感器的基礎(chǔ)知識傳感器的基礎(chǔ)知識傳感器原理與應(yīng)用9 1.11.1什么是傳感器什么是傳感器傳

6、感器原理與應(yīng)用 引入傳感器引入傳感器人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），作出相應(yīng)信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），作出相應(yīng)的動作。的動作。而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說則可以說電子計算機相當(dāng)于人的大腦電子計算機相當(dāng)于人的大腦（一般俗稱（一般俗稱電腦），而電腦），而傳感器則相當(dāng)于人的五官部分傳感器則相當(dāng)于人的五官部分（“電電五官五官” ” ）。）。10傳感器原理與應(yīng)用傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。

7、11傳感器原理與應(yīng)用 傳感器的功用傳感器的功用現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱：現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱：傳感檢測技術(shù)傳感檢測技術(shù) 采集采集 通訊技術(shù)通訊技術(shù) 傳輸傳輸計算機技術(shù)計算機技術(shù) 處理處理傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。項目，都離

8、不開各種各樣的傳感器。12傳感器原理與應(yīng)用 傳感器在各個領(lǐng)域中的需要量傳感器在各個領(lǐng)域中的需要量13傳感器原理與應(yīng)用 傳感器的作用傳感器的作用涵蓋涵蓋 吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空(1)(1)是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段(2)(2)安全經(jīng)濟運行監(jiān)測方面不可缺少安全經(jīng)濟運行監(jiān)測方面不可缺少(3)(3)與自動控制技術(shù)密不可分與自動控制技術(shù)密不可分(4)(4)傳感器發(fā)展推動科學(xué)技術(shù)的進步傳感器發(fā)展推動科學(xué)技術(shù)的進步14傳感器原理與應(yīng)用15 傳感器的作用傳感器的作用未來世界是個充滿傳感器的世界，還會有：未來世界是個充滿傳感器的世界，還會有： 智能房屋（自

9、動識別主人，太陽能提供能源）智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源） 智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度）智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度） 智能公路（自動記錄公路的壓力、溫度、車流量）智能公路（自動記錄公路的壓力、溫度、車流量） 智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位） 智能智能傳感器原理與應(yīng)用16智能化水質(zhì)檢驗智能化水質(zhì)檢驗 傳感器原理與應(yīng)用什么是傳感器？什么是傳感器？國家標(biāo)準(zhǔn)（國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87GB7665-87）中傳感器（）中傳感器（Transducer/Transducer/SensorSensor）的）的定義定義：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

10、按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。成可用輸出信號的器件或裝置。17傳感器原理與應(yīng)用 非電學(xué)量非電學(xué)量傳感器傳感器電學(xué)量電學(xué)量 角度角度位移位移速度速度壓力壓力溫度溫度濕度濕度聲強聲強光照光照磁場磁場 傳感器傳感器電壓電壓電流電流電阻電阻電容電容18傳感器原理與應(yīng)用19 對于各種各樣的被測量，有各種各樣的傳感器。對于各種各樣的被測量，有各種各樣的傳感器。 下面請看幾個傳感器應(yīng)用實例下面請看幾個傳感器應(yīng)用實例: : 實例實例1 1：產(chǎn)品生產(chǎn)線檢測：產(chǎn)品生產(chǎn)線檢測傳感器原理與應(yīng)用20實例實例2 2：氣體探測系統(tǒng)：氣體探測系統(tǒng)顯示報警信號送PC串行總線、局域網(wǎng)(L工AN)傳感器原理與應(yīng)用21

11、傳感器原理與應(yīng)用傳感器的組成傳感器的組成輸出量為電量的傳感器，一般由輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。三部分組成。 敏感敏感元件元件信號調(diào)信號調(diào)節(jié)電路節(jié)電路轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換元件元件被測量被測量輸出電量輸出電量輔助電源輔助電源教材教材P2 P2 圖圖1-1 1-1 傳感器組成框圖傳感器組成框圖22傳感器原理與應(yīng)用敏感元件：敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 直線位移傳感器直線位移傳感器23傳感器原理與應(yīng)用轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件：將敏感元

12、件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件（敏感元件）有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件（敏感元件）實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。24傳感器原理與應(yīng)用信號調(diào)節(jié)電路：信號調(diào)節(jié)電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出。轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出。 常用的轉(zhuǎn)換電路有常用的轉(zhuǎn)換電路有: :電橋、放大器、變阻器、振蕩器等。電橋、放大器、變阻器、振蕩器等。25傳感器原理與應(yīng)用26國標(biāo)國標(biāo)GB/T14479-93GB/T14479-93規(guī)定傳感器圖用圖形符號規(guī)定傳感器圖用圖形符號 表

13、示方法：表示方法： 正方形表示轉(zhuǎn)換元件正方形表示轉(zhuǎn)換元件, , 三角形表示敏感元件；三角形表示敏感元件； X X 表示被測量符號，表示被測量符號， * * 表示轉(zhuǎn)換原理。表示轉(zhuǎn)換原理。傳感器原理與應(yīng)用27 幾個典型傳感器的圖用圖形符號幾個典型傳感器的圖用圖形符號 a aP P電容式壓力電容式壓力 傳感器傳感器壓電式加速度壓電式加速度 傳感器傳感器電位器式壓力電位器式壓力 傳感器傳感器傳感器原理與應(yīng)用1 1按工作原理分類按工作原理分類: :結(jié)構(gòu)型、物性型、復(fù)合型結(jié)構(gòu)型、物性型、復(fù)合型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型：主要是通過：主要是通過機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)

14、換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測出被測信號。例如的變化，從而檢測出被測信號。例如: :電容式和電感式傳感電容式和電感式傳感器。器。物性型物性型：利用某些材料：利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化本身物理性質(zhì)的變化而實現(xiàn)測量，而實現(xiàn)測量，它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。如件。如: :水銀溫度計。水銀溫度計。復(fù)合型復(fù)合型：將：將中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與物性型敏感元件復(fù)合而成中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與物性型敏感元件復(fù)合而成的的傳感器。傳感器。 1.2 1.2 傳感器的分類傳感器的分類28傳

15、感器原理與應(yīng)用2 2按被測物理量分類按被測物理量分類機械量機械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風(fēng)速風(fēng)速, ,流速流速, , 流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. .溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩29傳感器原理與應(yīng)用3 3按敏感材料分類按敏感材料分類按制造傳感器的材料分如：按制造傳感器的材料分如：半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感

16、器陶瓷傳感器陶瓷傳感器光導(dǎo)纖維傳感器光導(dǎo)纖維傳感器高分子材料傳感器高分子材料傳感器金屬傳感器金屬傳感器空氣質(zhì)量傳感器空氣質(zhì)量傳感器陶瓷壓力傳感器陶瓷壓力傳感器30傳感器原理與應(yīng)用4 4按能量的關(guān)系分類按能量的關(guān)系分類: : 能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型. .能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :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. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計壓電式加速度計. .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻

17、應(yīng)變片. .31傳感器原理與應(yīng)用5 5按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來 實現(xiàn)信號變換實現(xiàn)信號變換. .如如: :水銀溫度計水銀溫度計. .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(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器. .32傳感器原理與應(yīng)用6 6按輸出電信號類型分類按輸出電信號類型分類 根據(jù)傳感器輸出電信號的類型不同，可以分為根據(jù)傳感器輸出電信號的類型不同，可以分為 ： 模擬量傳感器模擬量

18、傳感器: :發(fā)出的是發(fā)出的是連續(xù)信號連續(xù)信號，用電壓、電流、電，用電壓、電流、電阻等表示被測參數(shù)的大小。比如溫度傳感器、壓力傳阻等表示被測參數(shù)的大小。比如溫度傳感器、壓力傳感器等都是常見的模擬量傳感器感器等都是常見的模擬量傳感器 。 數(shù)字量傳感器：數(shù)字量傳感器：把被測參量轉(zhuǎn)換成把被測參量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出的傳感的傳感器。比如轉(zhuǎn)速傳感器等。器。比如轉(zhuǎn)速傳感器等。 開關(guān)量傳感器開關(guān)量傳感器: :發(fā)出的信號是發(fā)出的信號是接點信號接點信號，有斷開和閉合，有斷開和閉合兩種狀態(tài)，比如液位開關(guān)就是一種常見的開關(guān)量傳感兩種狀態(tài)，比如液位開關(guān)就是一種常見的開關(guān)量傳感器。器。 33傳感器原理與應(yīng)用34開孔

19、圓盤傳感器原理與應(yīng)用 1.3 1.3 傳感器的技術(shù)特點（傳感器的技術(shù)特點（了解了解）P6P6 傳感器技術(shù)包括傳感器的研究、設(shè)計、試制、生產(chǎn)、傳感器技術(shù)包括傳感器的研究、設(shè)計、試制、生產(chǎn)、檢測與應(yīng)用。組建形成了一門相對獨立的專門學(xué)科。檢測與應(yīng)用。組建形成了一門相對獨立的專門學(xué)科。其具有以下技術(shù)特點：其具有以下技術(shù)特點：內(nèi)容范圍廣且離散內(nèi)容范圍廣且離散：物理、化學(xué)、生物、電子等物理、化學(xué)、生物、電子等知識密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃知識密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃：學(xué)科交叉應(yīng)用學(xué)科交叉應(yīng)用技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高功能優(yōu)、性能好功能優(yōu)、性能好品種繁多、應(yīng)用廣泛品種繁多、應(yīng)用廣泛3

20、5傳感器原理與應(yīng)用 1.4 1.4 傳感器的基本特性傳感器的基本特性（教材（教材1.41.4和和1.51.5兩節(jié)內(nèi)容合）兩節(jié)內(nèi)容合）u傳感器作為感受被測量信息的器件，希望它按照能傳感器作為感受被測量信息的器件，希望它按照能按照一定的規(guī)律輸出按照一定的規(guī)律輸出有用信號。有用信號。u 因此需要研究描述傳感器的方法，來表示其輸出因此需要研究描述傳感器的方法，來表示其輸出輸入關(guān)系及特性，以便用理論指導(dǎo)其設(shè)計、制造、輸入關(guān)系及特性，以便用理論指導(dǎo)其設(shè)計、制造、校準(zhǔn)與使用。校準(zhǔn)與使用。u 最有效的描述傳感器的輸入輸出關(guān)系的方法是最有效的描述傳感器的輸入輸出關(guān)系的方法是傳感傳感器的數(shù)學(xué)模型器的數(shù)學(xué)模型。一、

21、傳感器的描述方法一、傳感器的描述方法36傳感器原理與應(yīng)用 輸入信號分為：輸入信號分為：靜態(tài)信號靜態(tài)信號：被測的非電量是穩(wěn)定的，不隨時間變化或變化：被測的非電量是穩(wěn)定的，不隨時間變化或變化及其緩慢。及其緩慢。動態(tài)信號動態(tài)信號：被測的非電量隨時間的變化而變化。：被測的非電量隨時間的變化而變化。 對應(yīng)傳感器特性有：對應(yīng)傳感器特性有：靜態(tài)特性、動態(tài)特性靜態(tài)特性、動態(tài)特性 根據(jù)輸入信號的性質(zhì)不同，對應(yīng)的模型有：根據(jù)輸入信號的性質(zhì)不同，對應(yīng)的模型有：靜態(tài)模型、動態(tài)模型靜態(tài)模型、動態(tài)模型 1.4 1.4 傳感器的基本特性傳感器的基本特性（1.41.4和和1.51.5兩節(jié)內(nèi)容合）兩節(jié)內(nèi)容合）37傳感器原理與應(yīng)

22、用二、傳感器的靜態(tài)特性二、傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸表示傳感器在被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入輸出關(guān)系。也即當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，這一入輸出關(guān)系。也即當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，這一關(guān)系就稱為靜態(tài)特性。關(guān)系就稱為靜態(tài)特性。 1.4 1.4 傳感器的基本特性傳感器的基本特性（1.41.4和和1.51.5兩節(jié)內(nèi)容合）兩節(jié)內(nèi)容合）38傳感器原理與應(yīng)用39 對靜態(tài)特性而言，傳感器的對靜態(tài)特性而言，傳感器的輸入量輸入量x與與輸出量輸出量y之之間的關(guān)系通?？捎靡粋€如下的多項式表示：間的關(guān)系通?？捎靡粋€如下的多項式表示：y=a0+a1x+a2x2+

23、anxn 式中：式中：a0輸入量輸入量x x為零時的輸出量；為零時的輸出量； a1傳感器的線性靈敏度，常用傳感器的線性靈敏度，常用K或或S表示；表示； a2，an 非線性項的待定系數(shù)。非線性項的待定系數(shù)。 各項系數(shù)決定了特性曲線的具體形式。各項系數(shù)決定了特性曲線的具體形式。 該多項式即傳感器的靜態(tài)模型。該多項式即傳感器的靜態(tài)模型。P8P8（1-11-1）傳感器原理與應(yīng)用40穩(wěn)定性穩(wěn)定性( (零漂零漂) )傳感器傳感器溫度溫度供電供電各種干擾穩(wěn)定性各種干擾穩(wěn)定性溫漂溫漂分辨力分辨力沖擊與振動沖擊與振動電磁場電磁場線性線性滯后滯后重復(fù)性重復(fù)性靈敏度靈敏度輸入輸入誤差因素誤差因素外界影響外界影響 傳

24、感器輸入輸出作用圖傳感器輸入輸出作用圖輸出輸出取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。制，有時也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特衡量傳感器特性的主要技術(shù)性的主要技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)傳感器原理與應(yīng)用41傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來描述，如傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來描述，如靈敏度、靈敏度、 線性度、重復(fù)性、遲滯、分辨率、穩(wěn)定性和漂移線性度、重復(fù)性、遲滯、分辨率、穩(wěn)定性和漂移等。等。 傳感器線性度傳感器線性度是其輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏是其輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度，

25、稱為離直線的程度，稱為非線性誤差非線性誤差。%100EmaxFSY式中：式中： max輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差；輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差； YFS輸出滿量程值。輸出滿量程值。 1. 1. 線性度線性度(非線性差非線性差)(Linearity)P10P10（1-101-10）傳感器原理與應(yīng)用42（a）（b）（c）（d）教材教材P10 P10 圖圖1-3 1-3 傳感器的線性度表示傳感器的線性度表示傳感器原理與應(yīng)用432. 2. 靈敏度靈敏度(Sensitivity)靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標(biāo)。靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標(biāo)。其定義是輸出

26、其定義是輸出量增量量增量y與引起輸出量增量與引起輸出量增量y的相應(yīng)輸入量增量的相應(yīng)輸入量增量x之比之比。用用Sn表示靈敏度，即：表示靈敏度，即： xySn輸入量的變化量輸出量的變化量它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，對于線性傳感器，靈敏度常表為：對于線性傳感器，靈敏度常表為： K=y/x 。很顯然，很顯然， 靈敏度靈敏度S值越大，值越大， 表示傳感器越靈敏。表示傳感器越靈敏。 P10P10（1-111-11）傳感器原理與應(yīng)用44oxyyxyxyxyx(a)(b)o教材教材P11 P11 圖圖1-4 1-4 傳感器的靈敏度定義傳感器的

27、靈敏度定義xySntan傳感器原理與應(yīng)用45例例1：某位移傳感器，在輸入量變化某位移傳感器，在輸入量變化5mm時，時，輸出電壓變化為輸出電壓變化為300mV，求它的靈敏度，求它的靈敏度Sn 。解：解：xySn輸入量的變化量輸出量的變化量由傳感器靈敏度表達式：由傳感器靈敏度表達式：mmmV /60105103003-3-傳感器原理與應(yīng)用46 重復(fù)性是指傳感器輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變重復(fù)性是指傳感器輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。動時所得特性曲線不一致的程度。 %100/EmaxFSxY%100)32(EFSxY或：或：產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：傳感器機械部分存在摩

28、擦、間隙、松動、積塵等傳感器機械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等3. 3. 重復(fù)性重復(fù)性（Repeatability） P11P11（1-121-12）P11P11（1-131-13）傳感器原理與應(yīng)用474.4.遲滯（滯環(huán)遲滯（滯環(huán)）（Hysteresis）傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱稱遲滯遲滯傳感器原理與應(yīng)用48遲滯誤差一般由滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示：遲滯誤差一般由滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示： m=Y2-Y1為正、反行程輸出值間的最大差值為正、反行程輸出值間的最大差值 。 例：例：一電子秤一電子秤 增加砝碼增加砝碼 10g 50

29、g 100g 200g 電橋輸出電橋輸出 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 減砝碼輸出減砝碼輸出 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv 4. 4. 遲滯（滯環(huán)遲滯（滯環(huán)）（Hysteresis）( (續(xù)續(xù)）%100EmaxFSYmP12P12（1-161-16）傳感器原理與應(yīng)用49 分辨率和分辯力都是表示傳感器能分辨率和分辯力都是表示傳感器能檢測檢測被測量的被測量的最小值最小值的性能指標(biāo)。的性能指標(biāo)。 分辨率分辨率是以滿量程的百分?jǐn)?shù)來表示，是以滿量程的百分?jǐn)?shù)來表示，無量綱無量綱； 分辯力分辯力是以最小量程的單位值來表示，是以最小量程的單位值來表示，有量綱有量綱。 穩(wěn)

30、定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性。的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性。5.5.分辨率和分辯力分辨率和分辯力（Resolution）6. 6. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性傳感器原理與應(yīng)用50傳感器的漂移是傳感器的漂移是指在外界的干擾下，傳感器輸出量發(fā)生與輸指在外界的干擾下，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化入量無關(guān)的、不需要的變化。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面： 一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。 最常見的漂移是最

31、常見的漂移是溫度漂移溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度出的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點漂移零點漂移和溫度和溫度靈敏度靈敏度漂移。漂移。 7. 7. 漂移漂移傳感器原理與應(yīng)用51與精確度有關(guān)指標(biāo)：與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度精密度、準(zhǔn)確度和精確度( (精度精度) )、精密度、精密度：說明測量傳感器輸出值的分散性說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量多次，其測量結(jié)果的分

32、散程度。測量多次，其測量結(jié)果的分散程度。例如，某測溫傳感器的精密度為例如，某測溫傳感器的精密度為0.50.5。 精密度是隨機誤差大小的標(biāo)志精密度是隨機誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機誤差小。，精密度高，意味著隨機誤差小。注意：注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。精密度高不一定準(zhǔn)確度高。、準(zhǔn)確度：、準(zhǔn)確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如。如, ,某流量傳感某流量傳感器的準(zhǔn)確度為器的準(zhǔn)確度為0.3m0.3m3 3/s/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m0.3m3 3/s/s。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的

33、標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準(zhǔn)準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準(zhǔn)確度高不一定精密度高。確度高不一定精密度高。8. 8. 精確度（補充）精確度（補充）傳感器原理與應(yīng)用52、精確度：、精確度：是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高。精密度和準(zhǔn)確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。代數(shù)和。（a a）準(zhǔn)確度高而精密度低）準(zhǔn)確度高而精密度低 （b b）準(zhǔn)確度低而精密度高）準(zhǔn)確度低而精密度高 （c c）精確度高）精確度高在測量中我們希望得到在測量中我們希望得到精確度高的結(jié)果精確度高的結(jié)果。傳感

34、器原理與應(yīng)用53三、傳感器的動態(tài)特性三、傳感器的動態(tài)特性u當(dāng)輸入量隨時間變化時當(dāng)輸入量隨時間變化時, ,如如 : :加速度、振動等，討論傳加速度、振動等，討論傳感器的感器的動態(tài)特性動態(tài)特性。u這時，被測量是時間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。這時，被測量是時間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。 動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入信號是指傳感器對于隨時間變化的輸入信號x(t)的響的響應(yīng)特性。應(yīng)特性。Y(t)=f x(t) 理想傳感器：理想傳感器： Y(t)與與x(t)的時間函數(shù)表達式相同；的時間函數(shù)表達式相同；實際實際傳感器傳感器： Y(t)與與x(t)的時間函數(shù)在一定條件下基本的時間函數(shù)在一定條件下

35、基本保持一致。保持一致。傳感器原理與應(yīng)用5454 動態(tài)特性的描述方法：動態(tài)特性的描述方法： 時間域時間域 微分方程微分方程 復(fù)頻域復(fù)頻域 傳遞傳遞函數(shù)函數(shù)H(S) 頻率域頻率域 頻率特性頻率特性H(j )微 分方 程傳遞函數(shù)H(s)頻率特性H圖圖 傳感器的輸出傳感器的輸出輸入關(guān)系輸入關(guān)系（a）時域；（）時域；（b）復(fù)頻域；（）復(fù)頻域；（c）頻域）頻域傳感器原理與應(yīng)用551 1數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學(xué)模型。分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學(xué)模型。線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)線性微分方程一常系數(shù)線性微分方程。對線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，主

36、要是分析數(shù)學(xué)模型的輸對線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學(xué)模型的輸入量入量x x與輸出量與輸出量y y之間的關(guān)系，通過對微分方程求解，得之間的關(guān)系，通過對微分方程求解，得出動態(tài)性能指標(biāo)。出動態(tài)性能指標(biāo)。P9 圖圖1-2 (a)傳感器的傳遞函數(shù)框圖傳感器的傳遞函數(shù)框圖傳感器原理與應(yīng)用56xbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101 y輸出量； x輸入量； t時間a0， a1， ，an 常數(shù)； b0， b1， ，bm 常數(shù) 輸出量對時間t的n階導(dǎo)數(shù)； 輸入量對時間t的m階導(dǎo)數(shù)nndtyd/mmdtxd/P8 （1-5）對于線性定常（時間不變）系統(tǒng)，其對于線性定常（時間不變

37、）系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型為高階常系為高階常系數(shù)線性微分方程，即數(shù)線性微分方程，即傳感器原理與應(yīng)用57當(dāng)傳感器的數(shù)學(xué)模型初值為當(dāng)傳感器的數(shù)學(xué)模型初值為0時，對其進行拉氏變換，即可時，對其進行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)0101)()()(asasabsbsbsHsXsYnnmm Y(s)傳感器輸出量的拉氏變換式；傳感器輸出量的拉氏變換式； X(s)傳感器輸入量的拉氏變換式；傳感器輸入量的拉氏變換式；可見，對一定常系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中可見，對一定常系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中各階導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)的各階導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)的s變量變量替換，即求出傳感器的傳遞函

38、數(shù)。替換，即求出傳感器的傳遞函數(shù)。P9 （1-7）動態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是動態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條指初始條件為件為0 0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。傳感器原理與應(yīng)用58 2.2.研究傳感器動態(tài)特性的方法及其指標(biāo)研究傳感器動態(tài)特性的方法及其指標(biāo) 方法：方法：瞬態(tài)響應(yīng)法；頻率響應(yīng)法。瞬態(tài)響應(yīng)法；頻率響應(yīng)法。 瞬態(tài)響應(yīng)法瞬態(tài)響應(yīng)法階躍輸入信號研究時域動態(tài)特性：階躍輸入信號研究時域動態(tài)特性： 上升時間上升時間 tr 響應(yīng)時間響應(yīng)時間 ts 延滯時間延滯時間 td 峰值時間峰值時間 tp 最大偏移最大偏移量量 p P14 圖圖1-7 傳感器階躍響應(yīng)特性傳感器階躍響應(yīng)特性 %100maxyyyP傳感器原理與應(yīng)用59例例2 2：動態(tài)測溫：動態(tài)測溫 設(shè)環(huán)境溫度為設(shè)環(huán)境溫度為T T0 0 , ,水槽中水的溫度為水槽中水的溫度為T, ,而且而且 T T0 傳感器突然插入被測介質(zhì)中；傳感器突然插入被測介質(zhì)中； 用熱電偶測溫用熱電偶測溫, ,理想情況測試曲線理想情況測試曲線T T是階躍變化的