第1章_傳感器概述

1、精品文檔精品文檔它是一種把被測的某種非電量轉(zhuǎn)換為傳感器可用非電z = (x)y =q(z)y = (z) = T (x): f (x)被測量3圖1-1傳感器的組成第1章傳感器概述1.1.1 概念1.1.2 傳感器（Transducer/Senso。的定義傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置，能完成檢測任務(wù)；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關(guān)系）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足測控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。傳

2、感器應(yīng)用場合（領(lǐng)域）不同，叫法也不同。如在過程控制中叫變送器。（標準化的傳感器）在射線檢測中則稱為發(fā)送器、接收器或探頭。作為對比，下面介紹一下敏感器:量的器件或裝置。設(shè)：x被測非電量z傳感器可用非電量y傳感器輸出電量敏感器傳輸函數(shù)：傳感器傳輸函數(shù)：敏感器傳感器復合函數(shù)：1.1.3 傳感器的組成傳感器由圖1-1所示的幾部分組成。其中，敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量；轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量；上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。由半導體材料制成的物性性傳感器基本是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件二合一，直接能將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出，如壓電傳感

3、器、光電池。熱敏電阻等。1.1.4 傳感器的分類傳感器的品種很多，原理各異，檢測對象門類繁多，因此其分類方法甚繁，至今尚無統(tǒng)一的規(guī)定。人們通常是站在不同的角度，突出某一側(cè)面而分類的。下面有幾種常見的分法。（ 1）按工作機理分類這種分類方法將物理、化學和生物等學科的原理、規(guī)律、效應(yīng)作為分類的依據(jù)，于是可分為物理型、化學型、生物型。其中按構(gòu)成原理可分為：結(jié)構(gòu)型、物性型和復合型三大類。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學的定律等構(gòu)成的，其性能與構(gòu)成材料關(guān)系不大。這是一類其結(jié)構(gòu)的幾何尺寸（如厚度、角度、位置等）在被測量作用下會發(fā)生變化，并可獲得比例于被測非電量的電信號的敏感元器件或裝置。物性型傳感器是利用物質(zhì)的某

4、種或某些客觀屬性構(gòu)成的，其性能與構(gòu)成材料的不同而有明顯的區(qū)別。這是一類由其構(gòu)成材料的物理特性、化學特性或生物特性直接敏感于被測非電量，并可將被測非電量轉(zhuǎn)換成電信號的敏感元器件或裝置。復合型傳感器是指將中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與物性型敏感元件復合而成的傳感器，之所以要采用中間環(huán)節(jié)是因為在大量被測非電量中，只有少數(shù)（如應(yīng)變、光、磁、熱、水分和某些氣體）可直接利用某些敏感材料的物質(zhì)特性轉(zhuǎn)換成電信號。所以為了增加非電量的測量種類，就必須將不能直接轉(zhuǎn)換成電信號的非電量變換成上述少數(shù)物理量中的一種，然后再利用相應(yīng)的物性型敏感元件將其轉(zhuǎn)換成電信號。這種分類方法的優(yōu)點是對于傳感器的工作原理分析的比較清楚，類別少，有利于從

5、原理與設(shè)計上進行歸納性的分析和研究。（ 2）按能量的轉(zhuǎn)換分類按能量關(guān)系分類可將傳感器分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型。能量控制型傳感器又稱為無源傳感器，它本身不是一個換能裝置，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用。所以它必須具有輔助能源，這類傳感器有電阻式、電容式和電感式等。無源傳感器常用電橋和諧振電路等電路測量。能量轉(zhuǎn)換型傳感器又稱換能器或有源傳感器，它一般是將非電能量轉(zhuǎn)換成電能量。通常它們配有電壓測量和放大電路，如壓電式、熱電式、壓阻式傳感器等等。（ 3）按輸入量分類按輸入量傳感器可分為常用的有機、光、電和化學等傳感器。例如：位移、速度、加速度、力、溫度和流量傳感器等。（4）按輸出信號的

6、性質(zhì)分類可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。1.1.4傳感器技術(shù)的發(fā)展方向（ 1）開發(fā)新的敏感、傳感材料：在發(fā)現(xiàn)力、熱、光、磁、氣體等物理量都會使半導體硅材料的性能改變，從而制成力敏、熱敏、光敏、磁敏和氣敏等敏感元件后，我們應(yīng)更重視基礎(chǔ)研究，尋找發(fā)現(xiàn)具有新原理、新效應(yīng)的敏感元件和傳感元件。沒有深入細致的研究，就沒有新傳感元件的問世，也就沒有新型傳感器，組成不了新型測試系統(tǒng)。（ 2）開發(fā)研制新型傳感器及組成新型測試系統(tǒng) MEMS技術(shù)要求研制微型傳感器。如用于微型偵察機的CCD傳感器、用于管道爬壁機器人的力敏、視覺傳感器。 研制仿生傳感器研制海洋探測用傳感器研制成分分析用傳感器研制微弱信號檢測傳感器

7、(3)研究新一代的智能化傳感器及測試系統(tǒng)如電子血壓計，智能水、電、煤氣、熱量表。它們的特點是傳感器與微型計算機有機結(jié)合，構(gòu)成智能傳感器。系統(tǒng)功能最大程度地用軟件實現(xiàn)。(4)傳感器發(fā)展集成化：固體功能材料的進一步開發(fā)和集成技術(shù)的不斷發(fā)展，為傳感器集成化開辟了廣闊的前景。所謂集成化，即在同一芯片上將更多同一類型的單個傳感器件集成為一維線型、二維陣列型傳感器；或?qū)鞲衅髋c調(diào)節(jié)、補償?shù)入娐芳梢惑w化。(5)多功能與多參數(shù)傳感器的研究：如同時檢測壓力、溫度和液位的傳感器已逐步走向市場。1.2傳感器的一般特性在生產(chǎn)過程和科學實驗中，要對各種各樣的參數(shù)進行檢測和控制，就要求傳感器能感受被測非電量的變化并將其

8、不失真地變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出一輸入特性。如果把傳感器看作二端口網(wǎng)絡(luò)，即有兩個輸入端和兩個輸出端，那么傳感器的輸出-輸入特性是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性。傳感器的基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。1.2.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指當被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入輸出關(guān)系。只考慮傳感器的靜態(tài)特性時，輸入量與輸出量之間的關(guān)系式中不含有時間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度，遲滯和重復性等。1 .線性度傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(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。從傳感器的性能看，希望具有線性關(guān)系，即

9、具有理想的輸出輸入關(guān)系。但實際遇到的傳感器大多為非線性，如果不考慮遲滯和蠕變等因素，傳感器的輸出與輸入關(guān)系可用一個多項式表示：y=a0+4為+a?X2+.+anXn(1-1)式中：ao輸入量x為零時的輸出量；a1,a2,，an非線性項系數(shù)。各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形狀各不相同。靜特性曲線可通過實際測試獲得。在實際使用中，為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系，因此引入各種非線性補償環(huán)節(jié)。如采用非線性補償電路或計算機軟件進行線性化處理，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，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段

10、，如圖1-2所示，使傳感器輸出一輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線。實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常用相對誤差L表示，即(1-2)Pl=2max100%YFS式中:ALmax最大非線性絕對誤差；Yfs滿量程輸出。從圖1-2中可見，即使是同類傳感器，擬合直線不同，其線性度也是不同的。選取擬合直線的方法很多，用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。2 .靈敏度靈敏度S是指傳感器的輸出量增量與與引起輸出量增量Ay的輸入量增量Ax的比值,即S='（1-3）二x（a）理論擬合（b）過零旋轉(zhuǎn)擬合C c)端點連線擬合(d)端點平移擬合圖1-2幾種直線擬

11、合方法對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，S=Ay/Ax為常數(shù)，即:S="0而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用S=dy/dx表示。傳感器的靈敏度如圖1-3所示。Ax(b)非線性傳感器(a)線性傳感器圖1-3傳感器的靈敏度3 .遲滯傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程期間其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯，如圖1-4所示。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。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機械零部件的缺陷所造成的，例如彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構(gòu)的間隙、緊固件松動等。遲滯大小通常由

12、實驗確定。遲滯誤差rH可由下式計算:Ch = - Hmax 100%2 Yfs(1-4)式中：AHmax正反行程輸出值間的最大差值。4.重復性圖1-4遲滯特性重復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, 的程度，如圖1-5所示。重復性誤差屬于隨機誤差，常用標準偏差 中的最大偏差 ARmax表示，即：所得特性曲線不一致 (T表不，也可用正反行程rR =-(2 3”YFS100%(1-5)(1-6)JRmax100%2Yfs圖1-5重復性5.漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。其中，零點漂移或靈敏度漂移又可分為時

13、間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移是指環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移。1.2.2傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。當被測量隨時間變化，是時間的函數(shù)時，則傳感器的輸出量也是時間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動特性來表示。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)。實際上除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。為了說明傳感器的動態(tài)特性，下面簡要介紹動態(tài)測溫的問題。在被測溫度隨時間變化或傳感器突然插入被測介質(zhì)

14、中以及傳感器以掃描方式測量某溫度場的溫度分布等情況下，都存在動態(tài)測溫問題。如把一支熱電偶從溫度為toC環(huán)境中迅速插入一個溫度為tC的恒溫水槽中（插入時間忽略不計），這時熱電偶測量的介質(zhì)溫度從to突然上升到t,而熱電偶反映出來的溫度從t°C變化到tC需要經(jīng)歷一段時間，即有一段過渡過程，如圖1-6所示。熱電偶反映出來的溫度與介質(zhì)溫度的差值就稱為動態(tài)誤差。造成熱電偶輸出波形失真和產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因，是因為溫度傳感器有熱慣性（由傳感器的比熱容和質(zhì)量大小決定）和傳熱熱阻，使得在動態(tài)測溫時傳感器輸出總是滯后于被測介質(zhì)的溫度變化。如帶有套管的熱電偶的熱慣性要比裸熱電偶大得多。這種熱慣性是熱電偶固有

15、的，這種熱慣性決定了熱電偶測量快速溫度變化時會產(chǎn)生動態(tài)誤差。影響動態(tài)特性的固有因素”任何傳感器都有，只不過它們的表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。圖1-6動態(tài)測溫動態(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)。也就是說，我們在研究傳感器動特性時，通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來考察傳感器的響應(yīng)的。雖然傳感器的種類和形式很多，但它們一般可以簡化為一階或二階系統(tǒng)（高階可以分解成若干個低階環(huán)節(jié)），因此一階和二階的傳感器是最基本的。傳感器的輸入量隨時間變化的規(guī)律是各種各樣的，下面在對傳感器動態(tài)特性進行分析時，采用最典型、最簡單、易實現(xiàn)的正弦信號和階躍信號作為標準輸入信號。對于正弦輸入信號

16、，傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；對于階躍輸入信號，則稱為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。1 .瞬態(tài)響應(yīng)特性傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時間響應(yīng)。在研究傳感器的動態(tài)特性時，有時需要從時域中對傳感器的響應(yīng)和過渡過程進行分析。這種分析方法是時域分析法，傳感器對所加激勵信號的響應(yīng)稱瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵信號有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。下面以傳感器的單位階躍響應(yīng)來評價傳感器的動態(tài)性能指標。（1） 一階傳感器的單位階躍響應(yīng)在工程上，一般將下式：工等+y(t)=Mt)(1-7)dt視為一階傳感器單位階躍響應(yīng)的通式。式中x(t)、y(t)分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數(shù)，表征傳感器的時間常數(shù)，具有時間“

17、秒”的量綱。一階傳感器的傳遞函數(shù)：H(s) =Y(S)X(S)(1-8)對初始狀態(tài)為零的傳感器，當輸入一個單位階躍信號J.0,t < 0 x(t)=1,t 0由于x(t)=1(t), x(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為：11Y(s)= H(s)X(s)= 一 1s 1 s一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號為：ty(t)=1-e(1-9)(1-10)相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖1-7所示。由圖可見，傳感器存在慣性，它的輸出不能立即復現(xiàn)輸 入信號，而是從零開始，按指數(shù)規(guī)律上升，最終達到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無窮大時才達到穩(wěn)態(tài)值，但實際上當t=4 °時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的 98.2

18、%,可以認為已達到穩(wěn)態(tài)。越小，響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線，因此，。值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。圖1-7 一階傳感器單位階躍響應(yīng)(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)的通式為:,2(1-11)-7P2nP2y(t)=,；x(t)dtdt式中:con傳感器的固有頻率；t-一傳感器的阻尼比。二階傳感器的傳遞函數(shù):H(s) =2''ns2 , 2nS .n2(1-12)傳感器輸出的拉氏變換:2Y(s)=H(s)X(s)=-247(1-13)ss,2s,，n二階傳感器對階躍信號的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比I和固有頻率以。固有頻率肉由傳感器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，叫越高，

19、傳感器的響應(yīng)越快。當以為常數(shù)時，傳感器的響應(yīng)取決于阻尼比G圖1-8為二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線。阻尼比E直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)。t=0,為臨界阻尼，超調(diào)量為100%,產(chǎn)生等幅振蕩，達不到穩(wěn)態(tài)。01,為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但達到穩(wěn)態(tài)所需時間較長。卜1,為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨E的減小而加長。許1時響應(yīng)時間最短。但實際使用中常按欠阻尼調(diào)整，I取0.70.8為最好。圖1-8二階傳感器單位階躍響應(yīng)(3)瞬態(tài)響應(yīng)特性指標給傳感器輸入一個單位階躍信號時，其輸出特性如圖1-9所示，瞬態(tài)響應(yīng)特性指標定義如下：時間常數(shù)t一階傳感器時間常數(shù)t越小，響應(yīng)速度越快。延時時間td:傳感器輸出達到

20、穩(wěn)態(tài)值的50%所需時間。上升時間tr：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需時間。最大超調(diào)量牛：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值，Dp=y（tp）_y（-）7100%y（二） 峰值時間tp：響應(yīng)曲線到達第一個峰值所需的時間。 響應(yīng)時間ts：響應(yīng)曲線衰減到穩(wěn)態(tài)值土5%或土2%范圍內(nèi)所需的時間。圖1-9瞬態(tài)響應(yīng)特性指標2.頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。（1）一階傳感器的頻率響應(yīng)將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的S用j3代替后，即可得頻率特性表達式，即：H(j )1(j ) 1(1-14)幅頻特性:A()=1 ( )2(1-15)

21、相頻特性:(1-16)()-arctan()圖1-10為一階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。(a)幅頻特性(b)相頻特性圖1-10 一階傳感器頻率響應(yīng)特性從式(1-15)、(1-16)和圖1-10看出，時間常數(shù)。越小，頻率響應(yīng)特性越好。當3<<1時，A(«)-1,©3)=0,表明傳感器輸出與輸入為線性關(guān)系，且相位差也很小，輸出y(t)比較真實地反映輸入x(t)的變化規(guī)律。因此，減小?？筛纳苽鞲衅鞯念l率特性。(2)二階傳感器的頻率響應(yīng)H(j )=(1-17)由二階傳感器的傳遞函數(shù)式(1-12)可寫出它的頻率特性表達式，即:2'1-(一)22j-n-n其幅頻特性和

22、相頻特性分別為:A()=(1-18)(1-19)尸02co邛()=-arctan-21一(7圖1-11為二階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。從式(1-17)、(1-18)和圖1-11可見，傳感器的頻率響應(yīng)特性的好壞主要取決于傳感器的固有頻率期和阻尼比G當31,叫<<時，A(co)=1,&3)很小，此時，傳感器的輸出y再現(xiàn)了輸入x(t)的波形。通常固有頻率con至少應(yīng)大于被測信號頻率3的35倍。為了減小動態(tài)誤差和擴大頻率響應(yīng)范圍，一般是提高傳感器固有頻率仰。而固有頻率1面與傳感器運動部件質(zhì)量m和彈性敏感元件的剛度k有關(guān)，即6n=(k/m)2。增大剛度k和減小質(zhì)量m可提高固有頻率，但

23、剛度k增加，會使傳感器靈敏度降低。所以在實際中，應(yīng)綜合各種因素來確定傳感器的各個特征參數(shù)。圖 1-11(b)相頻特性二階傳感器頻率響應(yīng)特性1.2.3傳感器的其它特性靜態(tài)特性和動態(tài)特性并不能完全描述傳感器的性能。表1-1列出在選擇傳感器時應(yīng)當考慮的傳感器和待檢測量有關(guān)的另一些特性。除那些傳感器特性以外，測量方法也必須始終適合于應(yīng)用。例如，在測量流量時，如果插入流量計對輸通段造成顯著妨礙，便會引起誤差。表1-1選擇傳感器時應(yīng)當考慮的一些特性待測的量輸出特性電源特性環(huán)境特性其它特性間隔靈敏度電壓環(huán)境溫度可靠性1目標精確度本底噪聲電流熱沖擊工作壽命分辨率彳口P、電壓、電功效功率溫度循環(huán)保護流、頻率穩(wěn)定

24、度信號類型：單頻率(交流電濕度購置費用端，差動，懸浮源)帶寬阻抗穩(wěn)定度振動重量，尺寸響應(yīng)時間若為數(shù)字輸出，的適用性則需編碼輸出阻抗化學試劑電纜敷設(shè)要求極值爆炸危險連干擾量灰塵裝配要求變更量浸漬安裝要求電磁環(huán)境出現(xiàn)故障時狀靜電放電態(tài)電禺輻射校準和測試費用維護費用更換費用大傳感器的靜態(tài)特性與動態(tài)特性必須與待測的量的要求相適合。1 .輸入特性：阻抗待檢測的量的輸出阻抗決定了傳感器的輸入阻抗。前面所說明的傳感器靜態(tài)特性和動態(tài)特性都不能反映組合的傳感器一一被測系統(tǒng)的真實性能。用方塊圖描述傳感器或測量系統(tǒng)忽略了傳感器要從測量系統(tǒng)提取某些功率這一事實。當這種功率提取使被測變量的值變更時，便視為存在加載誤差。

25、方框圖只適合用于方框之間沒有能量交換的場合。輸入阻抗的概念能使我們確定什么時候會出現(xiàn)加載誤差。當對一個量X1進行測量時，總是涉及到另一個量X2,因此，乘積X1X2具有功率的量綱。例如，在測量力時，總存在速度；測量流量時，存在壓力差；測量溫度時存在熱流；測量電流時，存在電壓差等。若非機械變量是在空間中的兩點或區(qū)域之間進行測量，則它們被指定為作用變量(電壓、壓力、溫度)；而若它們是在空間中的某一點或某個區(qū)域處進行測量，則被指定為流動變量(電流、體積流、熱流)。對于機械變量，采用相反的定義，即在某一點上的測量為作用變量(力、力矩)，而在兩點之間的測量為流動變量(線速度、角速度)。對于可以用線性關(guān)系來

26、描述的元件，輸入阻抗Z(s)定義為輸入作用變量的拉普拉斯變換與相關(guān)流動變量之商。輸入導納Y(s)定義為Z(s)的倒數(shù)。Z(s)和Y(s)往往隨頻率而變。當考慮很低的頻率時，則用剛性和柔性代替阻抗和導納。為了使加載誤差最小，測量作用變量時，必須使輸入阻抗很高。若Xi是作用變量，則得：Z(s) =Xi(s)X2(s)(1-20)從被測系統(tǒng)提取的功率為P=XiX2。若要使P維持最小，則必須使X2盡可能小。因此，輸入阻抗必須很高。為了在測量流動變量時維持P最小，必須使Xi很小，從而要求低輸入阻抗（即高輸入導納）。為了獲得高輸入阻抗，可能需要變更元件值或重新設(shè)計系統(tǒng)，并使用有源元件。對于有源元件，大部分

27、功率都來自輔助電源，而不是來自被測系統(tǒng)。另一個選擇方案是利用平衡法進行測量，因為只有當輸入變量的值改變時，才有顯著的耗用功率。傳感器的輸出阻抗決定了接口電路所需的輸入阻抗。電壓輸出要求高輸入阻抗，以使檢測電壓(1-21 )(1-22)Z：Vi=Vo=Zi+Zo接近傳感器的輸出電壓。相反，電流輸出則要求低輸入阻抗，以使輸入電流I=IZoio_ZiZo接近傳感器的輸出電流。2 .可靠性傳感器只有在規(guī)定條件和規(guī)定期間無故障工作才是可靠的。可靠性在統(tǒng)計學上被描述為：高可靠性意味著按要求工作的概率接近于1（即在所考慮的期間，該傳感器的部件幾乎不失效）。失效率是指某一產(chǎn)品每單位壽命測度（時間、周期）的失效

28、數(shù)與保持完好的產(chǎn)品數(shù)之比。1.3傳感器的標定和校準傳感器的標定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時，確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器的標定工作可分為如下幾個方面：（1）新研制的傳感器需進行全面技術(shù)性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進行量值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進傳感器設(shè)計的重要依據(jù)；（2）經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復測工作。傳感器的標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定。靜態(tài)標定目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。動態(tài)標定目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。1.3.1 傳感器的靜態(tài)特性標定1 .靜態(tài)標準條件沒有加速度、

29、振動、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測物理量)及環(huán)境溫度一般為室溫(20±5C)、相對濕度不大于85%,大氣壓力為101±7kPa的情況。2 .標定儀器設(shè)備精度等級的確定對傳感器進行標定，是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的各項性能指標，實際上也是確定傳感器的測量精度。標定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標定的傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標才是可靠的，所確定的精度才是可信的。3 .靜態(tài)特性標定的方法靜態(tài)特性的標定過程可按以下步驟進行：(1)將傳感器全量程(測量范圍)分成若干等間距點；(2)根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點地輸入標準量

30、值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；(3)將輸入值由大到小一點一點地減少，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；(4)按、所述過程，對傳感器進行正、反行程往復循環(huán)多次測試，將得到的輸出-輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；(5)對測試數(shù)據(jù)進行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態(tài)特性指標。1.3.2傳感器的動態(tài)特性標定傳感器的動態(tài)特性主要是研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)，和與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)。一階傳感器只有一個時間常數(shù)q二階傳感器則有固有頻率con和阻尼比I兩個參數(shù)。標準激勵信號是階躍變化和正弦變化的輸入信號。一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為tY(t)=1-e&quo

31、t;'Z=ln1-y(t)1則上式可變?yōu)閆=圖1-12一階系統(tǒng)時間常數(shù)的測定圖1-12表明z和時間t成線性關(guān)系，并且有=At/上,可以根據(jù)測得的y值作出z一t曲線，并根據(jù)At/區(qū)的值獲得時間常數(shù)多如圖1-13所示，二階欠阻尼傳感器(31)的單位階躍響應(yīng)為：y(t)=1一.e&ti/j1二02hsin(j1.nt+arcsin11一工2)最大超調(diào)量與阻尼比的關(guān)系：因此，測得M之后，便可根據(jù)下式求得阻尼比:InMy（t）圖1-13二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如果測得階躍響應(yīng)的較長瞬變過程，則可利用任意兩個過沖量Mi和Mi+n求得阻尼比"其中n是該兩峰值相隔的周期數(shù)(整數(shù))。_、.

32、24二2n2式中，、.n=lnM_Min當卜0.1時，以1代替Ji2此時不會產(chǎn)生過大的誤差（不大于0.6%）,則可用下式計算"即ln匹Min&2n 二若傳感器是精確的二階傳感器，則n值采用任意正整數(shù)所得的"直不會有差別。反之,若n取不同值獲得不同的"直，則表明該傳感器不是線性二階系統(tǒng)。根據(jù)響應(yīng)曲線測出振動周期Td,則有阻尼的固有頻率3d為:1,d-2Td則無阻尼固有頻率3n為:利用正弦輸入，測定輸出和輸入的幅值比和相位差來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根據(jù)幅頻特性，分別按下圖求得一階傳感器的時間常數(shù)T和欠阻尼二階傳感器的固有頻率和阻尼比，如圖1-22

33、所示。(a)由幅頻特性求時間常數(shù)t(b)欠阻尼二階傳感器的3n和(圖1-22正弦輸入測參數(shù)1.4傳感器選擇的一般原則1、根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。2、靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的廠擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性