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：信息學(xué)院主講教師：信息學(xué)院 徐衛(wèi)志徐衛(wèi)志 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 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章思考與討論思考與討論n傳感器在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。 紡紡 織織 品品精確的 煙

2、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)

3、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。 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)化思考與討論 傳感器的重要作用 傳感器的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)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

4、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

5、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)，

6、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

7、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。 思考與討論 傳感器的由哪些部分組成？ 傳感器的有哪些分類(lèi)？ 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)

8、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65 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 sHsHsHs

9、Hn 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67 ）（則則：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

10、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，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

11、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

12、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，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

13、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

14、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)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)

15、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，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）（ 1

16、1 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)a2a3an0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

17、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)( )(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 xy

18、k 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）（141 100 %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)用第一章第一章思考與討論思考與討論n解釋傳感器的各種靜態(tài)特性？ 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好

19、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?/p>

20、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(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

21、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 yytypp 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

22、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

23、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（1-2

24、1-2）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 xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn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

25、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 )(arctg)( 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

26、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)用第一章第一章傳感器的動(dòng)態(tài)特性是什么？其分析方法有哪傳感器的動(dòng)態(tài)特性是什么？其分析方法有哪幾種？幾種？思考與討論思考與討論 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、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

27、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( (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)

28、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

29、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 2200220jjKjH ）（411 2120220KA）（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

30、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=1處處A()趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為諧振。趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為諧振。 隨著隨著的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。 當(dāng)當(dāng)0.707時(shí)，不再出現(xiàn)諧振，這時(shí)時(shí)，不再出現(xiàn)諧振，這時(shí)A()將隨著將隨著的增大而單調(diào)下的增大而單調(diào)下降。降。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章

31、第一章0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0() 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 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章待標(biāo)定待標(biāo)定傳感器傳感器已知非電量已知非電量輸入量輸入量標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備設(shè)備輸出量輸出量電量電量 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 傳感

32、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 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（12 ALR ）（22 2 dAALdALdLAdR 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（32 AdAdLdLRdR 42 222）（ rdrrrdrAdA ll+ dl2r2(r-dr)F圖圖2-1 金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng) 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章金金屬屬的的徑徑向向應(yīng)應(yīng)變變金金屬屬的的軸軸向向應(yīng)應(yīng)變變令令yxrdrLdL 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（

33、或或）（72 2162 21 xxxd)(RdRd)(RdR 將式（將式（2-42-4）、（）、（2-52-5）代入（）代入（2-32-3）式得：）式得：）（令令82 21 xxSd)(RdRK 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章）（，或92 RdRK KRdRxSxS所以所以 dR/R。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線(xiàn)性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)有線(xiàn)性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)K KS S表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻變片后，其電阻應(yīng)變特性與應(yīng)變特性與金屬單絲金屬單

34、絲情況不同。因情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測(cè)應(yīng)變特性重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變 在在很寬的范圍內(nèi)均為線(xiàn)性關(guān)系。很寬的范圍內(nèi)均為線(xiàn)性關(guān)系。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線(xiàn)材的恒小于線(xiàn)材的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)KS。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。應(yīng)。 KRR ）（或或142 RRK 傳感器原理與應(yīng)用傳感器

35、原理與應(yīng)用第一章第一章金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變 使敏感柵電阻發(fā)生變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變化，而其橫向應(yīng)變 r r也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。變化。 應(yīng)變片的這種既受軸應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱(chēng)為阻變化的現(xiàn)象稱(chēng)為。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章當(dāng)當(dāng)r=0時(shí)，可得時(shí)，可得 RRKx ryRRK rnnlrnKKHxy 121 當(dāng)當(dāng)=0

36、時(shí)，可得時(shí)，可得：橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱(chēng)為橫向效應(yīng)橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱(chēng)為橫向效應(yīng)系數(shù)系數(shù)H。即：。即：可見(jiàn)，可見(jiàn)，r愈小、愈小、l愈大，則愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長(zhǎng)越愈小。即敏感柵越窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為性與卸載特性不重合，即為。機(jī)械應(yīng)變機(jī)械應(yīng)變 R R卸載卸載加載加載指指示示應(yīng)應(yīng)變變 i i 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第

37、一章 機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。 產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘?/p>

38、結(jié)劑固化不充分等。分等。 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用第一章第一章對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變片的，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變片的。產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱(chēng)為其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱(chēng)為。一般蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。的方向與原應(yīng)變量的方向相反。由于膠層之間發(fā)生由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)滑動(dòng)”，使力傳到，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。 傳感器