第2章_傳感器概述

1、第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第第2章章 傳感器概述傳感器概述2.1 傳感器的組成部分傳感器的組成部分2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第第2章章 傳傳 感感 器器 概概 述述2.1傳感器的組成和分類(lèi)傳感器的組成和分類(lèi) 傳感器的定義：傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。信號(hào)的器件或裝置。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 傳感器的輸出信號(hào)通常是電量傳感器的輸出信號(hào)通常是電量, 它便于傳輸、它便于傳輸、 轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換、 處理、處理、 顯示等。顯示等

2、。 電量有很多形式電量有很多形式, 如電壓、電流、電容、電阻等如電壓、電流、電容、電阻等, 輸輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。 通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 其中其中, 敏感元件敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分; 轉(zhuǎn)換元件是指轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。量的電信號(hào)部分。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述壓 力 作 用膜片形變（應(yīng)變）應(yīng)變片電阻改變敏感元件

3、敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件壓力傳感器示例壓力傳感器示例第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱, 因此需因此需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大、運(yùn)算要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用中的應(yīng)用, 傳感器的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可能傳感器的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可能安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。在同一芯片上。 此外此外, 信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源傳

4、感器工作必須有輔助的電源, 因此因此, 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。傳感器組成框圖如圖的一部分。傳感器組成框圖如圖 2 - 1 所示。所示。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述圖圖 2- 1 傳感器組成框圖傳感器組成框圖 傳感器的組成傳感器的組成第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 傳感器技術(shù)是一門(mén)知識(shí)密集型技術(shù)傳感器技術(shù)是一門(mén)知識(shí)密集型技術(shù), 它與許多學(xué)科有關(guān)。它與許多學(xué)科有關(guān)。 傳傳感器的原理各種各樣，其種類(lèi)十分繁多感器的原理各種各樣，其種類(lèi)十分繁多, 分類(lèi)方法也很多分類(lèi)方法也很多, 但目前但目前一般采用兩種分

5、類(lèi)方法一般采用兩種分類(lèi)方法: 一是按被測(cè)參數(shù)分類(lèi)一是按被測(cè)參數(shù)分類(lèi), 如溫度、壓力、位如溫度、壓力、位移、速度等移、速度等; 二是按傳感器的工作原理分類(lèi)二是按傳感器的工作原理分類(lèi), 如應(yīng)變式、電容式、如應(yīng)變式、電容式、壓電式、壓電式、 磁電式等。本書(shū)是按后一種分類(lèi)方法來(lái)介紹各種傳感器磁電式等。本書(shū)是按后一種分類(lèi)方法來(lái)介紹各種傳感器的的, 而傳感器的工程應(yīng)用則是根據(jù)工程參數(shù)進(jìn)行敘述的。而傳感器的工程應(yīng)用則是根據(jù)工程參數(shù)進(jìn)行敘述的。 對(duì)于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人來(lái)說(shuō)對(duì)于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人來(lái)說(shuō), 應(yīng)先從工作原理應(yīng)先從工作原理出發(fā)出發(fā), 了解各種各樣傳感器了解各種各樣傳感器,而對(duì)工程

6、上的被測(cè)參數(shù)應(yīng)著重于如何而對(duì)工程上的被測(cè)參數(shù)應(yīng)著重于如何合理選擇和使用傳感器。合理選擇和使用傳感器。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性 在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中, 要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制和控制, 就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并將其不失真就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量地變換成相應(yīng)的電量, 這取決于傳感器的基本特性這取決于傳感器的基本特性, 即輸出即輸出輸輸入特性。如果把傳感器看作二端口網(wǎng)絡(luò)入特性。如果把傳感器看作二端口網(wǎng)絡(luò), 即有兩個(gè)輸入端和兩即有兩個(gè)輸入

7、端和兩個(gè)輸出端個(gè)輸出端, 那么傳感器的輸出那么傳感器的輸出-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(dòng)態(tài)特性來(lái)關(guān)的外部特性。傳感器的基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。描述。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述穩(wěn)定性(零漂)傳感器傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動(dòng)電磁場(chǎng)線性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響傳感器輸入輸出作用圖輸出取決于傳感器本身，可通過(guò)傳感器本身的改善來(lái)加取決于傳感器本身，可通過(guò)傳感器本身的改善來(lái)加以抑制，有時(shí)也可以對(duì)外界條件加以限制。以抑制，有時(shí)也可以對(duì)外界條件加以限制。衡量傳感器靜態(tài)特衡量傳感

8、器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)性的主要技術(shù)指標(biāo)第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述一、一、 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系。只考慮傳感器的靜態(tài)狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系。只考慮傳感器的靜態(tài)特性時(shí)特性時(shí), 輸入量與輸出量之間的關(guān)系式中不含輸入量與輸出量之間的關(guān)系式中不含有時(shí)間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性有時(shí)間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、度、 靈敏度靈敏度, 遲滯和重復(fù)性等。遲滯和重復(fù)性等。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 1. 線性度線性度 傳感器的線性

9、度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。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。輸出與輸入關(guān)系可分為線性特性和非線性特性。 從傳感器的性能看從傳感器的性能看, 希望具有線性關(guān)系希望具有線性關(guān)系, 即具有理想的輸出輸即具有理想的輸出輸入關(guān)系。入關(guān)系。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述但實(shí)際遇到的傳感器大多為非線性但實(shí)際遇到的傳感器大多為非線性,如果不考慮遲滯和如果不考慮遲滯和蠕變等因素蠕變等因素, 傳感器的輸出與輸入關(guān)系可用一個(gè)多項(xiàng)傳感器的輸出與輸入關(guān)系可用一個(gè)多項(xiàng)式表示：式表示： y=a0+a1x+a2x2+anxn (

10、2 - 1) 式中式中: a0輸入量輸入量x為零時(shí)的輸出量為零時(shí)的輸出量; a1, a2, , an非線性項(xiàng)系數(shù)。非線性項(xiàng)系數(shù)。 各項(xiàng)系數(shù)不同各項(xiàng)系數(shù)不同, 決定了特性曲線的具體形式各決定了特性曲線的具體形式各不相同。不相同。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 靜態(tài)特性曲線可通過(guò)實(shí)際測(cè)試獲得。在實(shí)際使用中靜態(tài)特性曲線可通過(guò)實(shí)際測(cè)試獲得。在實(shí)際使用中, 為了標(biāo)為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便定和數(shù)據(jù)處理的方便, 希望得到線性關(guān)系希望得到線性關(guān)系, 因此引入各種非線性因此引入各種非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。如采用非線性補(bǔ)償電路或計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行線性化處補(bǔ)償環(huán)節(jié)。如采用非線性補(bǔ)償電路或計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行線性化處理理, 從而

11、使傳感器的輸出與輸入關(guān)系為線性或接近線性。從而使傳感器的輸出與輸入關(guān)系為線性或接近線性。 但如但如果傳感器非線性的方次不高果傳感器非線性的方次不高,輸入量變化范圍較小時(shí)輸入量變化范圍較小時(shí), 可用一條可用一條直線（切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段直線（切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段, 如圖如圖 2 - 2 所所示示, 使傳感器輸出使傳感器輸出輸入特性線性化。所采用的直線稱(chēng)為擬合輸入特性線性化。所采用的直線稱(chēng)為擬合直線。直線。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述圖圖 2 2 幾種直線擬合方法幾種直線擬合方法(a) 理論擬合；理論擬合； (b) 過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合； (c) 端點(diǎn)

12、連線擬合；端點(diǎn)連線擬合； (d) 端點(diǎn)平移擬合端點(diǎn)平移擬合 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述%100maxFSLYLr（2-2）式中式中: Lmax最大非線性絕對(duì)誤差最大非線性絕對(duì)誤差; YFS滿量程輸出。滿量程輸出。 從圖從圖 2 - 2 中可見(jiàn)中可見(jiàn), 即使是同類(lèi)傳感器即使是同類(lèi)傳感器, 擬合直線不同擬合直線不同, 其線性度也是不同的。其線性度也是不同的。 選取擬合直線的方法很多選取擬合直線的方法很多, 用最小用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。 實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱(chēng)為傳感器的非線性實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱(chēng)為傳感器的非線

13、性誤差（或線性度）誤差（或線性度）, 通常用相對(duì)誤差通常用相對(duì)誤差L表示表示, 即即 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述2 靈敏度靈敏度 靈敏度靈敏度S是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽渴侵競(jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽縴 與引起輸與引起輸出量增量出量增量y的輸入量增量的輸入量增量x的比值的比值, 即即S=y/x （2 - 3） 對(duì)于線性傳感器對(duì)于線性傳感器, 它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率率, 即即S=y/x為常數(shù)為常數(shù), 而非線性傳感器的靈敏度為一而非線性傳感器的靈敏度為一變量變量, 用用S=dy/dx表示。傳感器的靈敏度如圖表示。傳感器的靈敏度如圖2 - 3 所所示。示。 第2

14、章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 3. 遲滯遲滯 傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間其輸出輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱(chēng)為遲滯輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱(chēng)為遲滯, 如圖如圖 2 - 4 所示。所示。 也就是說(shuō)也就是說(shuō), 對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)對(duì)于同一大小的輸入信號(hào), 傳感器的正反行程輸出信傳感器的正反行程輸出信號(hào)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號(hào)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(jī)械零部件的缺陷所造成的件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷所造

15、成的, 例如彈性敏例如彈性敏感元件的彈性滯后、運(yùn)動(dòng)部件摩擦、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件感元件的彈性滯后、運(yùn)動(dòng)部件摩擦、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動(dòng)等。松動(dòng)等。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述%100maxFSY（2-4）式中式中: Hmax正反行程輸出值間的最大差值。正反行程輸出值間的最大差值。 遲滯大小通常由實(shí)驗(yàn)確定。遲滯誤差遲滯大小通常由實(shí)驗(yàn)確定。遲滯誤差H可由下式計(jì)算可由下式計(jì)算:第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述4. 重復(fù)性重復(fù)性 重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)多次變化時(shí), 所

16、得特性曲線不一致的程度所得特性曲線不一致的程度, 如圖如圖 2 - 5 所示。所示。 重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差, 常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示, 也可用正反也可用正反行程中的最大偏差表示行程中的最大偏差表示, 即即 %100)32(FSRY（2-5）%100maxFSRYR（2-6）第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述5漂移：在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的、漂移：在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂

17、移和溫度漂移。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化。變化。 溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 例如：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位溫度變化下的輸出漂移，用例如：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位溫度變化下的輸出漂移，用 表示，其表達(dá)式為：表示，其表達(dá)式為： yt ：測(cè)試溫度下的輸出：測(cè)試溫度下的輸出 y20：20時(shí)輸出時(shí)輸出式中，式中，t=t-20，h的單位是小時(shí)。的單位是小時(shí)。20tyyt h 第2章 傳感器概述第

18、2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述xi（mm）012345yi（mV）上行程上行程049142025下行程下行程0510162125上行程上行程0510151925下行程下行程0511162025例：有一個(gè)位移傳感器，對(duì)位移在例：有一個(gè)位移傳感器，對(duì)位移在05mm的范圍進(jìn)的范圍進(jìn)行了兩個(gè)循環(huán)的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表所示。請(qǐng)以輸行了兩個(gè)循環(huán)的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表所示。請(qǐng)以輸出的平均值求端點(diǎn)連線擬合直線，并問(wèn)傳感器的靈出的平均值求端點(diǎn)連線擬合直線，并問(wèn)傳感器的靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性誤差各是多少？敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性誤差各是多少？第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述二、二、

19、傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性說(shuō)明：說(shuō)明：為使傳感器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線一致或?yàn)槭箓鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)和輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線一致或相近，相近，要求傳感器不僅具有良好的靜特性，也應(yīng)具有良好要求傳感器不僅具有良好的靜特性，也應(yīng)具有良好的動(dòng)特性的動(dòng)特性；動(dòng)態(tài)性是傳感器輸出值能真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量能力的反動(dòng)態(tài)性是傳感器輸出值能真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量能力的反映。映。動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。應(yīng)特性。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸

20、入量的響應(yīng)特性，亦即輸出對(duì)輸入變化的動(dòng)態(tài)跟隨能力。的響應(yīng)特性，亦即輸出對(duì)輸入變化的動(dòng)態(tài)跟隨能力。 當(dāng)被測(cè)當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化量隨時(shí)間變化,是時(shí)間的函數(shù)時(shí)是時(shí)間的函數(shù)時(shí), 則傳感器的輸出量也是時(shí)間則傳感器的輸出量也是時(shí)間的函數(shù)的函數(shù),其間的關(guān)系要用動(dòng)特性來(lái)表示。其間的關(guān)系要用動(dòng)特性來(lái)表示。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)輸入量的變化規(guī)律其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律, 即具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際上除了具有理想的比例特性外即具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際上除了具有理想的比例特性外, 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)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),這種輸出與這

21、種輸出與輸入間輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述tx(t)y(t)tx(t)y(t)真實(shí)再現(xiàn)不真實(shí)再現(xiàn)第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 為了說(shuō)明傳感器的動(dòng)態(tài)特性為了說(shuō)明傳感器的動(dòng)態(tài)特性, 下面簡(jiǎn)要介紹動(dòng)態(tài)測(cè)溫的問(wèn)下面簡(jiǎn)要介紹動(dòng)態(tài)測(cè)溫的問(wèn)題。題。 在被測(cè)溫度隨時(shí)間變化或傳感器突然插入被測(cè)介質(zhì)中以在被測(cè)溫度隨時(shí)間變化或傳感器突然插入被測(cè)介質(zhì)中以及傳感器以掃描方式測(cè)量某溫度場(chǎng)的溫度分布等情況下及傳感器以掃描方式測(cè)量某溫度場(chǎng)的溫度分布等情況下, 都存都存在動(dòng)態(tài)測(cè)溫問(wèn)題。如把一支熱電偶從溫度為在動(dòng)態(tài)測(cè)溫問(wèn)題。如把一支熱電偶從溫度為t0環(huán)境

22、中迅速插環(huán)境中迅速插入一個(gè)溫度為入一個(gè)溫度為t的恒溫水槽中（插入時(shí)間忽略不計(jì)）的恒溫水槽中（插入時(shí)間忽略不計(jì)）, 這時(shí)這時(shí)熱電偶測(cè)量的介質(zhì)溫度從熱電偶測(cè)量的介質(zhì)溫度從t0突然上升到突然上升到t, 而熱電偶反映出來(lái)的而熱電偶反映出來(lái)的溫度從溫度從t0變化到變化到t需要經(jīng)歷一段時(shí)間需要經(jīng)歷一段時(shí)間, 即有一段過(guò)渡過(guò)程即有一段過(guò)渡過(guò)程, 如圖如圖 2 - 6 所示。熱電偶反映出來(lái)的溫度與介質(zhì)溫度的差值就所示。熱電偶反映出來(lái)的溫度與介質(zhì)溫度的差值就稱(chēng)為動(dòng)態(tài)誤差。稱(chēng)為動(dòng)態(tài)誤差。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 造成熱電偶輸出波形失真和產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因造成熱電偶

23、輸出波形失真和產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因, 是因?yàn)闇厥且驗(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。如帶有套管的熱電偶的熱慣性要比裸熱電偶大得多。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的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。溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。影響動(dòng)態(tài)特性的影響動(dòng)態(tài)特性的“固有因素固有因素”任何傳

24、感器都有任何傳感器都有, 只不過(guò)它們的表只不過(guò)它們的表現(xiàn)形式和作用程度不同而已?，F(xiàn)形式和作用程度不同而已。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 動(dòng)態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外動(dòng)態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外, , 還與還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說(shuō)傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說(shuō), ,我們?cè)谖覀冊(cè)谘芯總鞲衅鲃?dòng)特性時(shí)研究傳感器動(dòng)特性時(shí), , 通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來(lái)考察傳感器的響應(yīng)的。律來(lái)考察傳感器的響應(yīng)的。 時(shí)域分析時(shí)域分析標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和脈沖信號(hào) 頻域分析頻域分析輸入為正弦信號(hào)輸入為正弦信號(hào)第2

25、章 傳感器概述第2章 傳感器概述 0stY Sy t edt 011011bSbSbSXaSaSaSYmmmmnnnn 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 110110mmmmnnnnY Sb sb sbH SX Sa sa sa第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 12pH SHSHSHS則： 12rH SH SHSH S則：xySH1SH2SHnxySH1SH2SHn第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 雖然傳感器的種類(lèi)和形式很多雖然傳感器的種類(lèi)和形式很多, 但它們一般可以簡(jiǎn)化為一階但它們一般可以簡(jiǎn)化為一階或二階系統(tǒng)（高階可以分解成若干個(gè)低階環(huán)節(jié)）或二

26、階系統(tǒng)（高階可以分解成若干個(gè)低階環(huán)節(jié)）, 因此一階和因此一階和二階傳感器是最基本的。二階傳感器是最基本的。 傳感器的輸入量隨時(shí)間變化的規(guī)律是各種各樣的傳感器的輸入量隨時(shí)間變化的規(guī)律是各種各樣的, 下面在對(duì)傳下面在對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析時(shí)，采用最典型、最簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的感器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析時(shí)，采用最典型、最簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的正弦信號(hào)和階躍信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)。正弦信號(hào)和階躍信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)。 對(duì)于正弦輸入信號(hào)對(duì)于正弦輸入信號(hào), 傳感器的響應(yīng)稱(chēng)為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；對(duì)于階躍輸傳感器的響應(yīng)稱(chēng)為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；對(duì)于階躍輸入信號(hào)入信號(hào), 則稱(chēng)為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。則稱(chēng)為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)

27、響應(yīng)。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述傳感器的動(dòng)態(tài)特性一般用線性常系數(shù)微分方程來(lái)描述：傳感器的動(dòng)態(tài)特性一般用線性常系數(shù)微分方程來(lái)描述：零階系統(tǒng)零階系統(tǒng)一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)幾個(gè)重要參數(shù)幾個(gè)重要參數(shù)xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111( )( )y tKx t( )( )( )dy ty tK x tdt2222( )( )2( )nnnd y tdy ty tKxdtdtKn第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述1. 瞬態(tài)響應(yīng)特性瞬態(tài)響應(yīng)特性 傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng)。在研究傳感器的動(dòng)態(tài)傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)

28、是時(shí)間響應(yīng)。在研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)特性時(shí), 有時(shí)需要從時(shí)域中對(duì)傳感器的響應(yīng)和過(guò)渡過(guò)程有時(shí)需要從時(shí)域中對(duì)傳感器的響應(yīng)和過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行分析。這種分析方法是時(shí)域分析法進(jìn)行分析。這種分析方法是時(shí)域分析法, 傳感器對(duì)所加傳感器對(duì)所加激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)稱(chēng)瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵(lì)信號(hào)有階躍函數(shù)、激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)稱(chēng)瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵(lì)信號(hào)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(lái)評(píng)價(jià)傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。應(yīng)來(lái)評(píng)價(jià)傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述零階傳感器的輸入零階傳感器的輸入/ /輸出關(guān)系為：輸出關(guān)系為：yKxb 零階傳感器的階躍響應(yīng)

29、零階傳感器的階躍響應(yīng)( )y t( )x ttt0t0t00b完全跟蹤，無(wú)滯后完全跟蹤，無(wú)滯后（又稱(chēng)比例系統(tǒng)）（又稱(chēng)比例系統(tǒng)）第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述2) 一階傳感器的單位階躍響應(yīng)一階傳感器的單位階躍響應(yīng) 在工程上在工程上, 一般將下式一般將下式:)()()(txtydttdy（2-7）視為一階傳感器單位階躍響應(yīng)的通式。視為一階傳感器單位階躍響應(yīng)的通式。 式中式中x(t)、 y(t)分別為分別為傳感器的輸入量和輸出量傳感器的輸入量和輸出量,均是時(shí)間的函數(shù)均是時(shí)間的函數(shù), 表征傳感器的時(shí)間表征傳感器的時(shí)間常數(shù)常數(shù), 具有時(shí)間具有時(shí)間“秒秒”的量綱。的量綱。 第2章 傳感器概述第2章

30、傳感器概述 一階傳感器的傳遞函數(shù)：一階傳感器的傳遞函數(shù)：11)()()(sSXSYsH（2-8）對(duì)初始狀態(tài)為零的傳感器,當(dāng)輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)0t01t0時(shí),由于x(t)=1(t),x(s)=,傳感器輸出的拉氏變換為Y(s)=H(s)X(s)=（2-9）x(t)=s111ss1第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為 y(t)=1-e- (2 - 10) 相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖 2 - 7 所示。所示。 由圖可見(jiàn)由圖可見(jiàn), 傳感器存在傳感器存在慣性慣性, 它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào), 而是從零開(kāi)

31、始而是從零開(kāi)始, 按指數(shù)按指數(shù)規(guī)律上升規(guī)律上升, 最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于趨于無(wú)窮大時(shí)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值無(wú)窮大時(shí)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值, 但實(shí)際上當(dāng)?shù)珜?shí)際上當(dāng)t=4時(shí)其輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)其輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的的98.2%, 可以認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)態(tài)可以認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。越小越小, 響應(yīng)曲線越接近于輸響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線入階躍曲線, 因此因此, 值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。 t第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述3）二階傳感器系統(tǒng)）二階傳感器系統(tǒng)二階系統(tǒng)微分方程為：221002dydyaaa

32、yb xdtdt001020 22nbaaKaaa a令；靈敏度靈敏度阻尼比阻尼比固有頻率固有頻率22222nnnd ydyyKxdtdt則：則：第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 二階傳感器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)在很大程度上取決于二階傳感器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比阻尼比和固有頻率和固有頻率n。固有頻率。固有頻率n由傳感器主要由傳感器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定, n越高越高, 傳感器的響應(yīng)越快。當(dāng)傳感器的響應(yīng)越快。當(dāng)n為常數(shù)時(shí)為常數(shù)時(shí), 傳感器的響應(yīng)取決于阻尼比傳感器的響應(yīng)取決于阻尼比。 2222nnnKH Sss傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)為：第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第

33、2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 =1(臨界阻尼臨界阻尼)：階躍響應(yīng)是一個(gè)不振蕩的衰減過(guò)程，：階躍響應(yīng)是一個(gè)不振蕩的衰減過(guò)程，響應(yīng)時(shí)間最短。響應(yīng)時(shí)間最短。() ：是：是實(shí)際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整實(shí)際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整, 取取 0.70.8 為最好。為最好。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t二階傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)二階傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 dtetyjY dtetySYtjst00dtetxjXtj0頻域分析頻域分析

34、第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述jjjYHX jjjjjYYHeAeXX第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 XYHAj即即 22jRIAHHH第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述11jImXjIm()Re()YjRejYHjtgtgHjX 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用用j代替后代替后, 即可得頻率即可得頻率特性表達(dá)式特性表達(dá)式, 即即2)(11)(wwA1)(1)(jwjwH相頻特性相頻特性 ()=-arctan() 幅頻特性幅頻特性(2-14)(2-15)(2-16) 圖圖 2 - 9 為一階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。為

35、一階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述從式（2-15）、（2-16）和圖2-9看出,時(shí)間常數(shù)越小,頻率響應(yīng)特性越好。,A（）1,（）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(shí)地反映輸入x(t)的變化規(guī)律。因此,減小可改善傳感器的頻率特性。時(shí)，當(dāng)1第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述2)二階傳感器的頻率響應(yīng)二階傳感器的頻率特性表達(dá)式、幅頻特性、相頻特性分別為0202)(11)(wwjwwjwH0202)(11)(wwjwwwA200)(12arctan)(wwwww(2-17)(2-18)(2-19)第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述

36、圖2-10為二階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。從式（2-18）、（2-19）和圖2-10可見(jiàn),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n和阻尼比。當(dāng)1,n時(shí),A（）1,（）很小,此時(shí),傳感器的輸出y(t)再現(xiàn)了輸入x(t)的波形。通常固有頻率n至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率的35倍,即n（35）。為了減小動(dòng)態(tài)誤差和擴(kuò)大頻率響應(yīng)范圍,一般是提高傳感器固有頻率n。而固有頻率n與傳感器運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量m和彈性敏感元件的剛度k有關(guān),即n=（k/m）1/2。增大剛度k和減小質(zhì)量m可提高固有頻率,但剛度k增加,會(huì)使傳感器靈敏度降低。所以在實(shí)際中,應(yīng)綜合各種因素來(lái)確定傳感器的各個(gè)特征參數(shù)。第2章 傳感器概述第2

37、章 傳感器概述第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述3)頻率響應(yīng)特性指標(biāo)(1)頻帶：傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍為傳感器頻帶或通頻帶,對(duì)應(yīng)有上、下截止頻率。(2)時(shí)間常數(shù)：用時(shí)間常數(shù)來(lái)表征一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性。越小,頻帶越寬。(3)固有頻率n：二階傳感器的固有頻率n表征了其動(dòng)態(tài)特性。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述 通頻帶通頻帶0.707 ：傳感器的對(duì)：傳感器的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時(shí)時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。 工作頻帶工作頻帶0.95 (或或0.90 )：當(dāng)：當(dāng)傳感器幅值誤差為傳感器幅值誤差為5(或或10)時(shí)，增益保持在一定值內(nèi)的頻率范時(shí)

38、，增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍。圍。 跟隨角跟隨角0.707 ：當(dāng)：當(dāng) 0.707時(shí)，對(duì)應(yīng)于相頻特性上的相角。時(shí)，對(duì)應(yīng)于相頻特性上的相角。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述三三 傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定為什么要對(duì)傳感器標(biāo)定？為什么要對(duì)傳感器標(biāo)定？ 制造、裝配完成后作標(biāo)定試驗(yàn)判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；工制造、裝配完成后作標(biāo)定試驗(yàn)判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；工作一定時(shí)間或維修后要標(biāo)定。作一定時(shí)間或維修后要標(biāo)定。傳感器的標(biāo)定即通過(guò)試驗(yàn)確定傳感器的輸入量和輸出量之間傳感器的標(biāo)定即通過(guò)試驗(yàn)確定傳感器的輸入量和輸出量之間的關(guān)系。有兩層含義：的關(guān)系。有兩層含義：確定性能指標(biāo)確定性能指標(biāo)；明確各性能指標(biāo)的；明確各性能

39、指標(biāo)的適用工作環(huán)境。適用工作環(huán)境。標(biāo)定分類(lèi)標(biāo)定分類(lèi)：靜態(tài)標(biāo)定，確定線性度、靈敏度、滯后、重復(fù)性：靜態(tài)標(biāo)定，確定線性度、靈敏度、滯后、重復(fù)性等指標(biāo)；動(dòng)態(tài)標(biāo)定，確定時(shí)間常數(shù)、固有頻率、阻尼比等等指標(biāo)；動(dòng)態(tài)標(biāo)定，確定時(shí)間常數(shù)、固有頻率、阻尼比等指標(biāo)。指標(biāo)。標(biāo)定方法：標(biāo)定方法：將已知的被測(cè)量（標(biāo)準(zhǔn)量）輸入待標(biāo)定傳感器，將已知的被測(cè)量（標(biāo)準(zhǔn)量）輸入待標(biāo)定傳感器，得到輸出量；對(duì)輸入量、輸出量處理比較，得到一系列表得到輸出量；對(duì)輸入量、輸出量處理比較，得到一系列表征兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，進(jìn)而得到各項(xiàng)性能指標(biāo)。征兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，進(jìn)而得到各項(xiàng)性能指標(biāo)。第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述標(biāo)定系統(tǒng)：標(biāo)定

40、系統(tǒng)：絕對(duì)法標(biāo)定系統(tǒng)和比較法標(biāo)定系統(tǒng)絕對(duì)法標(biāo)定系統(tǒng)和比較法標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定裝置待標(biāo)定傳感器輸出量測(cè)量標(biāo)定裝置待標(biāo)定傳感器輸出量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)傳感器要求：標(biāo)定時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的精度要比待標(biāo)定傳感器的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)（至少高1/3以上）第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述一、傳感器靜特性的標(biāo)定一、傳感器靜特性的標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件：靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件： 無(wú)速度、振動(dòng)、沖擊；環(huán)境溫度無(wú)速度、振動(dòng)、沖擊；環(huán)境溫度205，相對(duì)濕度不大于，相對(duì)濕度不大于85%；氣壓為（氣壓為（1017）kPa。靜態(tài)標(biāo)定步驟：靜態(tài)標(biāo)定步驟：1.傳感器量程分成若干等距點(diǎn)；傳感器量程分成若干等距點(diǎn)；2.由小到大、逐點(diǎn)遞增輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄對(duì)應(yīng)輸出值

41、；由小到大、逐點(diǎn)遞增輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄對(duì)應(yīng)輸出值；3.由大到小、逐點(diǎn)遞減，并記錄對(duì)應(yīng)輸出值；由大到小、逐點(diǎn)遞減，并記錄對(duì)應(yīng)輸出值；4.按按2、3過(guò)程，正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試，將得到的輸出過(guò)程，正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試，將得到的輸出-輸輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或繪制曲線；入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或繪制曲線；5.對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，獲得校正曲線，確定線性度、靈敏度、遲滯、對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，獲得校正曲線，確定線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性等指標(biāo)。重復(fù)性等指標(biāo)。 第2章 傳感器概述第2章 傳感器概述二、傳感器動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)確定法二、傳感器動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)確定法動(dòng)態(tài)標(biāo)定，動(dòng)態(tài)標(biāo)定，就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)的具體數(shù)就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)