第1章傳感器基礎(chǔ)論

1、 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章主講教師：物電學(xué)院主講教師：物電學(xué)院 白成杰白成杰 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用課程概況課程概況 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用課程概況課程概況n課程內(nèi)課程內(nèi)容容 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章車(chē)胎壓力監(jiān)測(cè)車(chē)胎壓力監(jiān)測(cè) 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 紡紡 織織 品品精確的 煙草烘干煙草烘干木材烘干木材烘干芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性紙紙 品品濕度傳感

2、器濕度傳感器NOXNO + NO2dust sootH2SH2OHCC-totalCO2COO2HCN HCl HF NH3SO2上海盧浦大橋通車(chē)上海盧浦大橋通車(chē)應(yīng)力試驗(yàn)應(yīng)力試驗(yàn) 未來(lái)世界是個(gè)充滿(mǎn)傳感器的世界，未來(lái)世界是個(gè)充滿(mǎn)傳感器的世界， 還會(huì)有：還會(huì)有：F 智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽(yáng)能提供能源）智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽(yáng)能提供能源） 智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度） 智能公路（自動(dòng)記錄公路的壓力、溫度、車(chē)流量）智能公路（自動(dòng)記錄公路的壓力、溫度、車(chē)流量） 智能汽車(chē)（無(wú)人駕駛、智能汽車(chē)（無(wú)人駕駛、GPSGPS衛(wèi)星定位）衛(wèi)星定位） 智能化設(shè)備智能化設(shè)備越來(lái)越多。越來(lái)越多。

3、使現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)就近登陸，通過(guò)使現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)就近登陸，通過(guò) InternetInternet網(wǎng)與用戶(hù)之間異地交換數(shù)據(jù)網(wǎng)與用戶(hù)之間異地交換數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制等。遠(yuǎn)程控制等。傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化關(guān)于傳感器概念的幾點(diǎn)說(shuō)明 根據(jù)國(guó)標(biāo)的定義，傳感器是一種按一定的精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量器件或裝置，用于滿(mǎn)足系統(tǒng)信息傳輸、存儲(chǔ)、顯示、記錄及控制等要求。關(guān)于傳感器概念的幾點(diǎn)說(shuō)明 傳感器首先是一種測(cè)量器件或裝置，它的作用體現(xiàn)在測(cè)量上。例如，我們常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)，它是一種可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的轉(zhuǎn)換裝置，從能量轉(zhuǎn)換的角度看，它是一種發(fā)電設(shè)備，不能稱(chēng)之

4、為傳感器；但從另一個(gè)角度看，人們可以通過(guò)發(fā)電機(jī)發(fā)電量的大小來(lái)測(cè)量調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，這時(shí)，發(fā)電機(jī)就可看成是一種用于測(cè)量轉(zhuǎn)速的測(cè)量裝置，是一種速度傳感器，通常稱(chēng)之為測(cè)速發(fā)電機(jī)。應(yīng)用傳感器的目的就是為了獲得被測(cè)量的準(zhǔn)確信息，這也是本課程的學(xué)習(xí)目的。 傳感器定義中所謂“可用輸出信號(hào)”是指便于傳輸、轉(zhuǎn)換及處理的信號(hào)，主要包括氣、光和電等信號(hào)，現(xiàn)在一般就是指電信號(hào)(如電壓、電流、電勢(shì)及各種電參數(shù)等)；而“規(guī)定的測(cè)量量”一般是指非電量信號(hào)，主要包括各種物理量、化學(xué)量和生物量等。在工程中常需要測(cè)量的非電量信號(hào)有力、壓力、溫度、流量、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、濃度等。正是由于這類(lèi)非電量信號(hào)不能像電信號(hào)那樣可由

5、電工儀表和電子儀器直接測(cè)量，所以就需要利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)由非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 傳感器的輸入和輸出信號(hào)應(yīng)該具有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且應(yīng)保證一定的精度。 關(guān)于“傳感器”這個(gè)詞，目前國(guó)外還有許多提法，如變換器(transducer)、轉(zhuǎn)換器(converter)、檢測(cè)器(detector)和變送器(transmitter)等，而根據(jù)我們國(guó)家的規(guī)定，傳感器定名為sensor ；當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(1V 5V 、4mA 20mA) 時(shí)，稱(chēng)為變送器(transmitter)，注意二者不要混淆。 測(cè)量?jī)x器一般由信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理兩部分組成。測(cè)量?jī)x器一般由信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理兩部分組成。被測(cè)信

6、號(hào)被測(cè)信號(hào)輸出輸出廣義傳感器 檢出器檢出器 信號(hào)處理部分信號(hào)處理部分依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（如形狀、尺寸等）的變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（如形狀、尺寸等）的變化，利用物理規(guī)律，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換，從而檢化，利用物理規(guī)律，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換，從而檢測(cè)出被測(cè)量，它是目前應(yīng)用最多、最普遍的傳測(cè)出被測(cè)量，它是目前應(yīng)用最多、最普遍的傳感器。如電容壓力傳感器。感器。如電容壓力傳感器。 利用某些功能材料本身所具利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)將被測(cè)有的內(nèi)在特性及效應(yīng)將被測(cè)量直接轉(zhuǎn)換成電量的傳感器量直接轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。如熱敏電阻、光敏電阻。如熱敏電阻、光敏電阻。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感

7、器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章1.3.1 1.3.1 ）（11 2210 nnxaxaxaay式中：式中：x為輸入量；為輸入量；y為輸出量；為輸出量；a0為零位輸出；為零位輸出； a1為傳感器為傳感器線(xiàn)性靈敏度，常用線(xiàn)性靈敏度，常用K或或S表示；表示； a2 an為非線(xiàn)性項(xiàng)的待定系為非線(xiàn)性項(xiàng)的待定系數(shù)。數(shù)。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn 傳感器原理與應(yīng)用傳

8、感器原理與應(yīng)用第一章第一章2. 2. ）（31 0 dtetysYst 011011bsbsbsXasasasYmmmmnnnn 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 ）（41 011011 asasabsbsbsXsYsHnnnnmmmm 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章62 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 ）（則：51 21 sHsHsHsHn 對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡(jiǎn)單對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡(jiǎn)單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。xy sH1 sH2 sHn 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章64 ）（則

9、則：61 21 sHsHsHsHpxy sH1 sH2 sHn 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章n在檢測(cè)控制系統(tǒng)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，而要達(dá)到比較優(yōu)良的控制性能，則必須要求傳感器能夠感測(cè)被測(cè)量的變化并且不失真地將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量，這種要求主要取決于傳感器的基本特性。 n傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系特性，即系傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系特性，即系統(tǒng)輸出信號(hào)統(tǒng)輸出信號(hào)y(t ) 與輸入信號(hào)與輸入信號(hào)(被測(cè)量被測(cè)量) x(t ) 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。n根據(jù)傳感器輸入信號(hào)根據(jù)傳感器輸入信號(hào)x(t ) 是否隨時(shí)間變化，其基本特性是否隨時(shí)間變化，

10、其基本特性分為分為靜態(tài)特性靜態(tài)特性和和動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性，它們是系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)出的外，它們是系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)出的外部特性，但與其內(nèi)部參數(shù)密切相關(guān)。不同的傳感器內(nèi)部部特性，但與其內(nèi)部參數(shù)密切相關(guān)。不同的傳感器內(nèi)部參數(shù)不同，因此其基本特性也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。參數(shù)不同，因此其基本特性也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。n一個(gè)高精度傳感器，必須具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特一個(gè)高精度傳感器，必須具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，才能保證信號(hào)無(wú)失真地按規(guī)律轉(zhuǎn)換。性，才能保證信號(hào)無(wú)失真地按規(guī)律轉(zhuǎn)換。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章1.4.1 當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間變化當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間變化(或變

11、化極或變化極緩慢緩慢)時(shí)，其輸出輸入關(guān)系特性稱(chēng)為靜態(tài)特性。時(shí)，其輸出輸入關(guān)系特性稱(chēng)為靜態(tài)特性。借助實(shí)驗(yàn)方法確定傳感器靜態(tài)特性的過(guò)程稱(chēng)為借助實(shí)驗(yàn)方法確定傳感器靜態(tài)特性的過(guò)程稱(chēng)為靜態(tài)靜態(tài)校準(zhǔn)校準(zhǔn)。當(dāng)滿(mǎn)足靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件的要求，且使用的儀器設(shè)備具當(dāng)滿(mǎn)足靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件的要求，且使用的儀器設(shè)備具有足夠高的精度時(shí)，測(cè)得的校準(zhǔn)特性即為傳感器的有足夠高的精度時(shí)，測(cè)得的校準(zhǔn)特性即為傳感器的靜態(tài)特性。靜態(tài)特性。由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可繪制成特性曲線(xiàn)（即由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可繪制成特性曲線(xiàn)（即校準(zhǔn)曲線(xiàn)校準(zhǔn)曲線(xiàn)，也稱(chēng)，也稱(chēng)為校正曲線(xiàn)），通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或特性曲線(xiàn)的（回為校正曲線(xiàn)），通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或特性曲線(xiàn)的（回歸）處理，可得到數(shù)學(xué)表達(dá)式形式的特性

12、，及描述歸）處理，可得到數(shù)學(xué)表達(dá)式形式的特性，及描述傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)。傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)。主要包括線(xiàn)性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯現(xiàn)象、分主要包括線(xiàn)性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯現(xiàn)象、分辨率與閾值、穩(wěn)定性、漂移、靜態(tài)誤差等。辨率與閾值、穩(wěn)定性、漂移、靜態(tài)誤差等。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章擬合擬合n所謂所謂擬合擬合是指已知某函數(shù)的若干是指已知某函數(shù)的若干離散函數(shù)離散函數(shù)值值f1,f2,fn，通過(guò)調(diào)整該函數(shù)中若干待定系數(shù)，通過(guò)調(diào)整該函數(shù)中若干待定系數(shù)f(1, 2,n)，使得該函數(shù)與已知點(diǎn)集的差別，使得該函數(shù)與已知點(diǎn)集的差別(最小二乘意最小二乘意義義)最小。最小。n如果待定

13、函數(shù)是線(xiàn)性，就叫如果待定函數(shù)是線(xiàn)性，就叫線(xiàn)性擬合線(xiàn)性擬合或者或者線(xiàn)性回歸線(xiàn)性回歸(主主要在統(tǒng)計(jì)中要在統(tǒng)計(jì)中)，否則叫作，否則叫作非非線(xiàn)性擬合線(xiàn)性擬合或者或者非非線(xiàn)性回歸線(xiàn)性回歸。表達(dá)式也可以是表達(dá)式也可以是分段函數(shù)分段函數(shù)，這種情況下叫作，這種情況下叫作樣條樣條擬合擬合。n一組觀(guān)測(cè)結(jié)果的數(shù)字統(tǒng)計(jì)與相應(yīng)數(shù)值組的吻合。形象的一組觀(guān)測(cè)結(jié)果的數(shù)字統(tǒng)計(jì)與相應(yīng)數(shù)值組的吻合。形象的說(shuō)說(shuō),擬合就是把平面上一系列的點(diǎn)擬合就是把平面上一系列的點(diǎn),用一條光滑的用一條光滑的曲線(xiàn)連曲線(xiàn)連接接起來(lái)。因?yàn)檫@條曲線(xiàn)有無(wú)數(shù)種可能起來(lái)。因?yàn)檫@條曲線(xiàn)有無(wú)數(shù)種可能,從而有各種擬合從而有各種擬合方法。擬合的曲線(xiàn)一般可以用函數(shù)表示，根據(jù)

14、這個(gè)函數(shù)方法。擬合的曲線(xiàn)一般可以用函數(shù)表示，根據(jù)這個(gè)函數(shù)的不同有不同的擬合名字。的不同有不同的擬合名字。n在在MATLAB中可以用中可以用polyfit來(lái)擬合來(lái)擬合多項(xiàng)式多項(xiàng)式。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（71 00100maxFSyyE（F.S.是full scale的縮寫(xiě)） 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章選擇擬合直線(xiàn)的方法 （1）端點(diǎn)直線(xiàn)法端點(diǎn)直線(xiàn)法:對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性度稱(chēng)端點(diǎn)線(xiàn)性度。簡(jiǎn)單直觀(guān)，擬合精度較低。最大正、負(fù)偏差不相等。 xOyymax 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 （2）端點(diǎn)平移直線(xiàn)法端點(diǎn)平移直線(xiàn)法: :對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性度稱(chēng)獨(dú)立線(xiàn)性度。最大

15、正、負(fù)偏差相等。ymax|ymax|ymaxOyx 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 在靜態(tài)條件下，若不考慮遲滯及蠕變，則傳感器的輸出量y與輸入量x的關(guān)系可由一代數(shù)方程表示，稱(chēng)為傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，即式中 a0無(wú)輸入時(shí)的輸出，即零位輸出； a1傳感器的線(xiàn)性靈敏度； a2,a3 , , an非線(xiàn)性項(xiàng)的待定常數(shù)。從靜態(tài)模型考察幾種線(xiàn)性度從靜態(tài)模型考察幾種線(xiàn)性度）（ 11 2210 nnxaxaxaay 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 設(shè)a a0 0=0=0，即不考慮零位輸出不考慮零位輸出，則靜態(tài)特性曲線(xiàn)過(guò)原點(diǎn)。一般可分為以下幾種典型情況。Oxy1.理想的線(xiàn)性特性 當(dāng)a2

16、a3an0時(shí)，靜態(tài)特性曲線(xiàn)是一條直線(xiàn)，傳感器的靜態(tài)特性為8)-(1 1xay 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 2.無(wú)奇次非線(xiàn)性項(xiàng) 當(dāng)a3=a5=0時(shí)，靜態(tài)特性為 因不具有對(duì)稱(chēng)性，線(xiàn)性范圍較窄，所以傳感器設(shè)計(jì)時(shí)一般很少采用這種特性。 Oxy9)-(1 44221xaxaxay 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章3.無(wú)偶次非線(xiàn)性項(xiàng) 當(dāng)a2=a4=0時(shí)，靜態(tài)特性為 10)-(1 55331xaxaxayOxy 特性曲線(xiàn)關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，在原點(diǎn)附近有較寬的線(xiàn)性區(qū)。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章4.一般情況 特性曲線(xiàn)過(guò)原點(diǎn)，但不對(duì)稱(chēng)。Oxy nnxaxaxaxy221

17、)( )(4433221xaxaxaxaxy10A)-(1 )()()(553312xaxaxaxyxy 這就是將兩個(gè)傳感器接成這就是將兩個(gè)傳感器接成差動(dòng)形式差動(dòng)形式可拓寬可拓寬線(xiàn)性范圍的理論根據(jù)。線(xiàn)性范圍的理論根據(jù)。差動(dòng)：數(shù)據(jù)量的差使得裝置動(dòng)作。差動(dòng)：數(shù)據(jù)量的差使得裝置動(dòng)作。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 ）（111 xfdxxdfdxdySn）（121 xyk 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章yx0Rmax2Rmax1）（131 100 %yRFSmaxR 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章H 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（141 1

18、00 %yHFSmaxH 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（）（151 10032 %yFS ）（161 222 RHL 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器, , 其輸出將再現(xiàn)輸其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律入量的變化規(guī)律, , 即具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際即具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際上輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函上輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù)數(shù), ,這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤這種輸出與輸入間的差異就是所

19、謂的動(dòng)態(tài)誤差。差。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。變化的輸入量的響應(yīng)特性。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章TtTT0tt0到到 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 造成熱電偶輸出波形失真和產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因, 是因?yàn)闇囟葌鞲衅饔袩釕T性（由傳感器的比熱容和質(zhì)量大小決定）和傳熱熱阻, 使得在動(dòng)態(tài)測(cè)溫時(shí)傳感器輸出總是滯后于被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。這種熱慣性是熱電偶固有的, 這種熱慣性決定了熱電偶測(cè)量快速溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。 動(dòng)態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外, 還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用

20、第一章第一章當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào) （1-17） 時(shí)，其輸出特性稱(chēng)為時(shí)，其輸出特性稱(chēng)為階躍響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性。 00 10 tttu時(shí)域方法時(shí)域方法瞬態(tài)響應(yīng)法（時(shí)間函數(shù)：瞬態(tài)響應(yīng)法（時(shí)間函數(shù)：階躍函數(shù)階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)）、斜坡函數(shù)）頻域方法頻域方法頻率響應(yīng)法（頻率響應(yīng)法（正弦信號(hào)正弦信號(hào)） 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章圖圖1-6 1-6 階躍響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 ）（181 00100 yy

21、typp 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 dtetyYdtetysYtstj00j 3)-(1 dtetxXt j0j 思想：在采用正弦輸入研究傳感器頻域動(dòng)態(tài)特性時(shí)，常思想：在采用正弦輸入研究傳感器頻域動(dòng)態(tài)特性時(shí)，常用幅頻特性和相頻特性來(lái)描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性，其重用幅頻特性和相頻特性來(lái)描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性，其重要指標(biāo)是頻帶寬度，簡(jiǎn)稱(chēng)帶寬。要指標(biāo)是頻帶寬度，簡(jiǎn)稱(chēng)帶寬。過(guò)程：頻率響應(yīng)函數(shù)過(guò)程：頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性函數(shù)、相頻特性函數(shù)幅頻特性函數(shù)、相頻特性函數(shù) 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一

22、章第一章 ）（191 jjjjjjj011011 asasabsbsbXYHnnnnmmmm 201 jjjjj）（ eAeXYXYH 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 XYHA j即即 ）（211 j22 IRHHHA 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 jj jjXYIH,XYRHmIeR ）（221 jjYRejXj11 XYImtgHHtgRI 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 多數(shù)傳感器多數(shù)傳感器輸出與輸入的關(guān)系均可用零階、一階輸出與輸入的關(guān)系均可用零階、一階或二階微分方程來(lái)描述，據(jù)此可把傳感器分為零階或二階微分方程來(lái)描述，據(jù)此可把傳感器分為零階傳感

23、器、一階傳感器和二階傳感器。傳感器、一階傳感器和二階傳感器。 所以分析了零階、一階和二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，所以分析了零階、一階和二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就可以對(duì)各種傳感器的動(dòng)態(tài)特性有基本了解。就可以對(duì)各種傳感器的動(dòng)態(tài)特性有基本了解。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章由（由（1-21-2）式，零階系統(tǒng)的微分方程為）式，零階系統(tǒng)的微分方程為 ）（231 00 tXbtYa ）（241 00 tKXtXabtY或或 ）（251 00 KabjXjYsXsYsH 零階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性為：零階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性為：）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdb

24、yadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章n輸出和輸入成正比，并且與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，輸出和輸入成正比，并且與信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，因此無(wú)幅值和相位失真問(wèn)題。因此無(wú)幅值和相位失真問(wèn)題。n具有理想的動(dòng)態(tài)特性。具有理想的動(dòng)態(tài)特性。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（261 001 xbyadtdya）（271 Kxydtdy ）（281 1 sKXsYs ）（ 291 1 sKsXsYsH 01aa 00abK 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 jK)j(X)j(Y)j(H 112 )(K)(A )(a

25、rctg)( 時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)1 )(K)(A 負(fù)號(hào)表示相位滯后負(fù)號(hào)表示相位滯后很小當(dāng))( 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 ）（341 1 /teKAy）（351 632011 KA.)e(KA)(y ）（331 0t 0 0 AttxKxydtdy tx01輸出的初值為輸出的初值為0,隨著時(shí)間推移隨著時(shí)間推移y接近于接近于1；當(dāng)；當(dāng)t=時(shí)時(shí),在一階系統(tǒng)中在一階系統(tǒng)中,時(shí)間常數(shù)值是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù)。時(shí)間常數(shù)值是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù)。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章圖圖 1-7 1-7 一階傳感器一階傳感器CKK x(t) =F(t)y(t)例例1- -1：由彈簧、

26、阻尼器構(gòu)成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量由彈簧、阻尼器構(gòu)成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量 為為F(t) = Kx (t)，輸出量為位移，輸出量為位移y(t )，分析系統(tǒng)的頻率響，分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。應(yīng)特性。解：根據(jù)系統(tǒng)中力的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系：解：根據(jù)系統(tǒng)中力的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系： fC+fK=F(t) 或或 txtydttdyKC tKxtKydttdyCtKyfdttdyCfkc 則則：，其其中中 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 ）（361 1111ssKCsH為時(shí)間常數(shù)為時(shí)間常數(shù) 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章令令H(s )中的中的s =j,即即= 0，則，則1j1jH由由( (

27、jj) )可以分析該系統(tǒng)的幅頻特性可以分析該系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性和相頻特性 ： arctg11A2 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章0TTdtdThsmc ,01hsmcaa100abKmcdQdT dtTThsdQ)(0圖圖1-8 1-8 一階測(cè)溫傳感器一階測(cè)溫傳感器解：解： 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章1110 hsmcjjK)j(T)j(T)j(H 11122 )hsmc()(K)(A )hsmc(arctg)(arctg)( )e(KAT/ t 1)1 (tmchseAT 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章所謂二階傳感器是指由二階微分方程所描述

28、的傳感器。所謂二階傳感器是指由二階微分方程所描述的傳感器。很多傳感器，如振動(dòng)傳感器、壓力傳感器等屬于二階很多傳感器，如振動(dòng)傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：傳感器，其微分方程為：）（371 001222 xbyadtdyadtyda 00012202xabydtdyaadtydaa 或或201200002 aaaaaabK ；令令靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度阻尼比阻尼比 ）（則：381 121 0220skxsyss固有頻率固有頻率,0=1/ 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 ）（391 2200220ssKsH ）（401 2200220 jjKjH ）（411 2120220 KA）（421 2tanarc)(2020 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章 阻尼比阻尼比 的影響較大，不同阻尼比情況下相對(duì)幅頻特性即的影響較大，不同阻尼比情況下相對(duì)幅頻特性即動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線(xiàn)如圖。動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線(xiàn)如圖。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707A() 當(dāng)當(dāng)0時(shí)，在時(shí)，在