傳感器基礎論

1、 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章主講教師：物電學院主講教師：物電學院 白成杰白成杰 傳感器原理與應用傳感器原理與應用課程概況課程概況 傳感器原理與應用傳感器原理與應用課程概況課程概況n課程內課程內容容 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章車胎壓力監(jiān)測車胎壓力監(jiān)測 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 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要求最高的濕度穩(wěn)定性芯片生產要求最高的濕度穩(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上海盧浦大橋通車上海盧浦大橋通車應力試驗應力試驗 未來世界是個充滿傳感器的世界，未來世界是個充滿傳感器的世界， 還會有：還會有：F 智能房屋（自動識別主人，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（自動調節(jié)溫度）智能衣服（自動調節(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、智能汽車（無人駕駛、GPSGPS衛(wèi)星定位）衛(wèi)星定位） 智能化設備智能化設備越來越多。越來越多。

3、使現場數據就近登陸，通過使現場數據就近登陸，通過 InternetInternet網與用戶之間異地交換數據網與用戶之間異地交換數據遠程控制等。遠程控制等。傳感器的數字化和網絡化傳感器的數字化和網絡化傳感器的數字化和網絡化關于傳感器概念的幾點說明 根據國標的定義，傳感器是一種按一定的精度把被測量轉換為與之有確定關系的、便于應用的某種物理量的測量器件或裝置，用于滿足系統(tǒng)信息傳輸、存儲、顯示、記錄及控制等要求。關于傳感器概念的幾點說明 傳感器首先是一種測量器件或裝置，它的作用體現在測量上。例如，我們常見的發(fā)電機，它是一種可以將機械能轉變成電能的轉換裝置，從能量轉換的角度看，它是一種發(fā)電設備，不能稱之

4、為傳感器；但從另一個角度看，人們可以通過發(fā)電機發(fā)電量的大小來測量調速系統(tǒng)的機械轉速，這時，發(fā)電機就可看成是一種用于測量轉速的測量裝置，是一種速度傳感器，通常稱之為測速發(fā)電機。應用傳感器的目的就是為了獲得被測量的準確信息，這也是本課程的學習目的。 傳感器定義中所謂“可用輸出信號”是指便于傳輸、轉換及處理的信號，主要包括氣、光和電等信號，現在一般就是指電信號(如電壓、電流、電勢及各種電參數等)；而“規(guī)定的測量量”一般是指非電量信號，主要包括各種物理量、化學量和生物量等。在工程中常需要測量的非電量信號有力、壓力、溫度、流量、位移、速度、加速度、轉速、濃度等。正是由于這類非電量信號不能像電信號那樣可由

5、電工儀表和電子儀器直接測量，所以就需要利用傳感器技術實現由非電量到電量的轉換。 傳感器的輸入和輸出信號應該具有明確的對應關系，并且應保證一定的精度。 關于“傳感器”這個詞，目前國外還有許多提法，如變換器(transducer)、轉換器(converter)、檢測器(detector)和變送器(transmitter)等，而根據我們國家的規(guī)定，傳感器定名為sensor ；當傳感器的輸出信號為標準信號(1V 5V 、4mA 20mA) 時，稱為變送器(transmitter)，注意二者不要混淆。 測量儀器一般由信號檢出器件和信號處理兩部分組成。測量儀器一般由信號檢出器件和信號處理兩部分組成。被測信

6、號被測信號輸出輸出廣義傳感器 檢出器檢出器 信號處理部分信號處理部分依靠傳感器結構參數（如形狀、尺寸等）的變依靠傳感器結構參數（如形狀、尺寸等）的變化，利用物理規(guī)律，實現信號的變換，從而檢化，利用物理規(guī)律，實現信號的變換，從而檢測出被測量，它是目前應用最多、最普遍的傳測出被測量，它是目前應用最多、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在特性及效應將被測有的內在特性及效應將被測量直接轉換成電量的傳感器量直接轉換成電量的傳感器。如熱敏電阻、光敏電阻。如熱敏電阻、光敏電阻。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感

7、器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章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性靈敏度，常用線性靈敏度，常用K或或S表示；表示； a2 an為非線性項的待定系為非線性項的待定系數。數。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn 傳感器原理與應用傳

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

9、則：61 21 sHsHsHsHpxy sH1 sH2 sHn 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章n在檢測控制系統(tǒng)和科學實驗中，需要對各種參數進行檢測和控制，而要達到比較優(yōu)良的控制性能，則必須要求傳感器能夠感測被測量的變化并且不失真地將其轉換為相應的電量，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)的輸出輸入關系特性，即系傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸出輸入關系特性，即系統(tǒng)輸出信號統(tǒng)輸出信號y(t ) 與輸入信號與輸入信號(被測量被測量) x(t ) 之間的關系。之間的關系。n根據傳感器輸入信號根據傳感器輸入信號x(t ) 是否隨時間變化，其基本特性是否隨時間變化，

10、其基本特性分為分為靜態(tài)特性靜態(tài)特性和和動態(tài)特性動態(tài)特性，它們是系統(tǒng)對外呈現出的外，它們是系統(tǒng)對外呈現出的外部特性，但與其內部參數密切相關。不同的傳感器內部部特性，但與其內部參數密切相關。不同的傳感器內部參數不同，因此其基本特性也表現出不同的特點。參數不同，因此其基本特性也表現出不同的特點。n一個高精度傳感器，必須具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特一個高精度傳感器，必須具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，才能保證信號無失真地按規(guī)律轉換。性，才能保證信號無失真地按規(guī)律轉換。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章1.4.1 當傳感器的輸入信號是常量，不隨時間變化當傳感器的輸入信號是常量，不隨時間變化(或變

11、化極或變化極緩慢緩慢)時，其輸出輸入關系特性稱為靜態(tài)特性。時，其輸出輸入關系特性稱為靜態(tài)特性。借助實驗方法確定傳感器靜態(tài)特性的過程稱為借助實驗方法確定傳感器靜態(tài)特性的過程稱為靜態(tài)靜態(tài)校準校準。當滿足靜態(tài)標準條件的要求，且使用的儀器設備具當滿足靜態(tài)標準條件的要求，且使用的儀器設備具有足夠高的精度時，測得的校準特性即為傳感器的有足夠高的精度時，測得的校準特性即為傳感器的靜態(tài)特性。靜態(tài)特性。由校準數據可繪制成特性曲線（即由校準數據可繪制成特性曲線（即校準曲線校準曲線，也稱，也稱為校正曲線），通過對校準數據或特性曲線的（回為校正曲線），通過對校準數據或特性曲線的（回歸）處理，可得到數學表達式形式的特性

12、，及描述歸）處理，可得到數學表達式形式的特性，及描述傳感器靜態(tài)特性的主要指標。傳感器靜態(tài)特性的主要指標。主要包括線性度、靈敏度、重復性、遲滯現象、分主要包括線性度、靈敏度、重復性、遲滯現象、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。 傳感器原理與應用傳感器原理與應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的若干是指已知某函數的若干離散函數離散函數值值f1,f2,fn，通過調整該函數中若干待定系數，通過調整該函數中若干待定系數f(1, 2,n)，使得該函數與已知點集的差別，使得該函數與已知點集的差別(最小二乘意最小二乘意義義)最小。最小。n如果待定

13、函數是線性，就叫如果待定函數是線性，就叫線性擬合線性擬合或者或者線性回歸線性回歸(主主要在統(tǒng)計中要在統(tǒng)計中)，否則叫作，否則叫作非非線性擬合線性擬合或者或者非非線性回歸線性回歸。表達式也可以是表達式也可以是分段函數分段函數，這種情況下叫作，這種情況下叫作樣條樣條擬合擬合。n一組觀測結果的數字統(tǒng)計與相應數值組的吻合。形象的一組觀測結果的數字統(tǒng)計與相應數值組的吻合。形象的說說,擬合就是把平面上一系列的點擬合就是把平面上一系列的點,用一條光滑的用一條光滑的曲線連曲線連接接起來。因為這條曲線有無數種可能起來。因為這條曲線有無數種可能,從而有各種擬合從而有各種擬合方法。擬合的曲線一般可以用函數表示，根據

14、這個函數方法。擬合的曲線一般可以用函數表示，根據這個函數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來擬合來擬合多項式多項式。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章）（71 00100maxFSyyE（F.S.是full scale的縮寫） 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章選擇擬合直線的方法 （1）端點直線法端點直線法:對應的線性度稱端點線性度。簡單直觀，擬合精度較低。最大正、負偏差不相等。 xOyymax 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 （2）端點平移直線法端點平移直線法: :對應的線性度稱獨立線性度。最大

15、正、負偏差相等。ymax|ymax|ymaxOyx 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 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的關系可由一代數方程表示，稱為傳感器的靜態(tài)數學模型，即式中 a0無輸入時的輸出，即零位輸出； a1傳感器的線性靈敏度； a2,a3 , , an非線性項的待定常數。從靜態(tài)模型考察幾種線性度從靜態(tài)模型考察幾種線性度）（ 11 2210 nnxaxaxaay 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 設a a0 0=0=0，即不考慮零位輸出不考慮零位輸出，則靜態(tài)特性曲線過原點。一般可分為以下幾種典型情況。Oxy1.理想的線性特性 當a2

16、a3an0時，靜態(tài)特性曲線是一條直線，傳感器的靜態(tài)特性為8)-(1 1xay 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 2.無奇次非線性項 當a3=a5=0時，靜態(tài)特性為 因不具有對稱性，線性范圍較窄，所以傳感器設計時一般很少采用這種特性。 Oxy9)-(1 44221xaxaxay 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章3.無偶次非線性項 當a2=a4=0時，靜態(tài)特性為 10)-(1 55331xaxaxayOxy 特性曲線關于原點對稱，在原點附近有較寬的線性區(qū)。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章4.一般情況 特性曲線過原點，但不對稱。Oxy nnxaxaxaxy221

17、)( )(4433221xaxaxaxaxy10A)-(1 )()()(553312xaxaxaxyxy 這就是將兩個傳感器接成這就是將兩個傳感器接成差動形式差動形式可拓寬可拓寬線性范圍的理論根據。線性范圍的理論根據。差動：數據量的差使得裝置動作。差動：數據量的差使得裝置動作。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 ）（111 xfdxxdfdxdySn）（121 xyk 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章yx0Rmax2Rmax1）（131 100 %yRFSmaxR 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章H 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章）（141 1

18、00 %yHFSmaxH 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章）（）（151 10032 %yFS ）（161 222 RHL 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章一個動態(tài)特性好的傳感器一個動態(tài)特性好的傳感器, , 其輸出將再現輸其輸出將再現輸入量的變化規(guī)律入量的變化規(guī)律, , 即具有相同的時間函數。實際即具有相同的時間函數。實際上輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函上輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數數, ,這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤這種輸出與輸入間的差異就是所

19、謂的動態(tài)誤差。差。動態(tài)特性是指傳感器對隨時間動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。變化的輸入量的響應特性。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章TtTT0tt0到到 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 造成熱電偶輸出波形失真和產生動態(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量快速溫度變化時會產生動態(tài)誤差。 動態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關之外, 還與傳感器輸入量的變化形式有關。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用

20、第一章第一章當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數信號當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數信號 （1-17） 時，其輸出特性稱為時，其輸出特性稱為階躍響應特性階躍響應特性。 00 10 tttu時域方法時域方法瞬態(tài)響應法（時間函數：瞬態(tài)響應法（時間函數：階躍函數階躍函數、脈沖函數、脈沖函數、斜坡函數）、斜坡函數）頻域方法頻域方法頻率響應法（頻率響應法（正弦信號正弦信號） 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章圖圖1-6 1-6 階躍響應特性階躍響應特性tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 ）（181 00100 yy

21、typp 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 dtetyYdtetysYtstj00j 3)-(1 dtetxXt j0j 思想：在采用正弦輸入研究傳感器頻域動態(tài)特性時，常思想：在采用正弦輸入研究傳感器頻域動態(tài)特性時，常用幅頻特性和相頻特性來描述傳感器的動態(tài)特性，其重用幅頻特性和相頻特性來描述傳感器的動態(tài)特性，其重要指標是頻帶寬度，簡稱帶寬。要指標是頻帶寬度，簡稱帶寬。過程：頻率響應函數過程：頻率響應函數幅頻特性函數、相頻特性函數幅頻特性函數、相頻特性函數 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一

22、章第一章 ）（191 jjjjjjj011011 asasabsbsbXYHnnnnmmmm 201 jjjjj）（ eAeXYXYH 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 XYHA j即即 ）（211 j22 IRHHHA 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 jj jjXYIH,XYRHmIeR ）（221 jjYRejXj11 XYImtgHHtgRI 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 多數傳感器多數傳感器輸出與輸入的關系均可用零階、一階輸出與輸入的關系均可用零階、一階或二階微分方程來描述，據此可把傳感器分為零階或二階微分方程來描述，據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)的動態(tài)特性，所以分析了零階、一階和二階系統(tǒng)的動態(tài)特性，就可以對各種傳感器的動態(tài)特性有基本了解。就可以對各種傳感器的動態(tài)特性有基本了解。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章由（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和頻率特性為：零階傳感器的傳遞函數和頻率特性為：）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdb

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

25、rctg)( 時時，當當1 )(K)(A 負號表示相位滯后負號表示相位滯后很小當)( 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 ）（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,隨著時間推移隨著時間推移y接近于接近于1；當；當t=時時,在一階系統(tǒng)中在一階系統(tǒng)中,時間常數值是決定響應速度的重要參數。時間常數值是決定響應速度的重要參數。 傳感器原理與應用傳感器原理與應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、阻尼器構成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量由彈簧、阻尼器構成的壓力傳感器，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)的頻率響應特性。應特性。解：根據系統(tǒng)中力的動態(tài)平衡關系：解：根據系統(tǒng)中力的動態(tài)平衡關系： fC+fK=F(t) 或或 txtydttdyKC tKxtKydttdyCtKyfdttdyCfkc 則則：，其其中中 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 ）（361 1111ssKCsH為時間常數為時間常數 傳感器原理與應用傳感器原理與應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( (j

27、 j) )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 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章0TTdtdThsmc ,01hsmcaa100abKmcdQdT dtTThsdQ)(0圖圖1-8 1-8 一階測溫傳感器一階測溫傳感器解：解： 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章1110 hsmcjjK)j(T)j(T)j(H 11122 )hsmc()(K)(A )hsmc(arctg)(arctg)( )e(KAT/ t 1)1 (tmchseAT 傳感器原理與應用傳感器原理與應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，如振動傳感器、壓力傳感器等屬于二階很多傳感器，如振動傳感器、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/ 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 ）（391 2200220ssKsH ）（401 2200220 jjKjH ）（411 2120220 KA）（421 2tanarc)(2020 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第一章第一章 阻尼比阻尼比 的影響較大，不同阻尼比情況下相對幅頻特性即的影響較大，不同阻尼比情況下相對幅頻特性即動態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線如圖。動態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線如圖。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() 當當0時，在時，在