傳感器原理與應(yīng)用 第1章 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)資料

1、傳感器 原理(yunl)與應(yīng)用技術(shù)共一百一十七頁(yè)課 程 概 述理論(lln)實(shí)驗(yàn)第一章 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)第二章 應(yīng)變(yngbin)式傳感器第三章 電容式傳感器第四章 電感式傳感器第五章 壓電式傳感器第六章 熱電式傳感器第七章 磁敏式傳感器第八章 光電式傳感器第九章 光纖傳感器主要內(nèi)容共一百一十七頁(yè)教材(jioci)與參考書(shū)教材：傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)，劉愛(ài)華，滿(mǎn)寶元編著(binzh)， 人民郵電出版社,2006年。參考書(shū)：傳感器原理與應(yīng)用.黃賢武,鄭筱霞主編， 電子科技大學(xué)出版社,1995年。傳感器原理及應(yīng)用.王化祥,張淑英主編， 天津大學(xué)出版社,1999年 。共一百一十七頁(yè)教學(xué)基本(jbn)要

2、求學(xué)會(huì)(xuhu)傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)。掌握各類(lèi)傳感器的基本特性和工作原理、典型測(cè)量電路。了解各類(lèi)傳感器的典型應(yīng)用。共一百一十七頁(yè)第1章 傳感器的基本概念1.1 學(xué)習(xí)(xux)傳感器的重要性1.2 傳感器的組成(z chn)與分類(lèi) 1.3 傳感器的數(shù)學(xué)模型概述1.4 傳感器的基本特性1.5 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)共一百一十七頁(yè)1.1 學(xué)習(xí)(xux)傳感器的重要性共一百一十七頁(yè) 傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置,即檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首。因此，傳感器成為(chngwi)感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。所以，8

3、0年代以來(lái)，世界各國(guó)都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)，倍受重視。共一百一十七頁(yè) 傳感器技術(shù)是材料學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、測(cè)量(cling)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、乃至系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、自動(dòng)化技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、信息產(chǎn)業(yè)、機(jī)械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、材料、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)防、農(nóng)林漁業(yè)、食品、煙酒制造、汽車(chē)、艦船、機(jī)器人、家電、公共安全等領(lǐng)域。 共一百一十七頁(yè) 傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息科學(xué)技術(shù)的三大支柱。 21世紀(jì)是

4、人類(lèi)全面進(jìn)入信息電子化的時(shí)代，隨著人類(lèi)探知領(lǐng)域和空間的拓展，使得人們需要獲得的自然信息的種類(lèi)日益增加，需要信息傳遞的速度加快，信息處理能力(nngl)增強(qiáng)，因此要求與此相對(duì)應(yīng)的信息獲取技術(shù)即傳感技術(shù)必須跟上信息化發(fā)展的需要。共一百一十七頁(yè)傳感器的主要(zhyo)應(yīng)用信息處理電信電話(huà)科技測(cè)試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機(jī)床機(jī)器人家用電器照相機(jī)汽車(chē)飛機(jī)船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機(jī)械能利用貨幣金融食品11155110103473659816127783431 3147111707693612621242014需要量共一百一十七頁(yè) 在電力、冶金、石化、化工(hugng)等流程

5、工業(yè)中，生產(chǎn)線(xiàn)上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)流程。通常建立24小時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 1、自動(dòng)(zdng)檢測(cè)與自動(dòng)(zdng)控制系統(tǒng)共一百一十七頁(yè)石化企業(yè)(qy)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)。共一百一十七頁(yè)共一百一十七頁(yè)共一百一十七頁(yè)共一百一十七頁(yè)在汽車(chē)、機(jī)床、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品出廠時(shí)，必須(bx)對(duì)其性能質(zhì)量檢測(cè)。 圖示為汽車(chē)出廠檢驗(yàn)原理框圖(kungt)，測(cè)量參數(shù)包括潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過(guò)對(duì)抽樣汽車(chē)的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。共一百一十七頁(yè)汽車(chē)(qch)扭距測(cè)量機(jī)床加工精度(jn d)測(cè)量共一百一十七頁(yè)2、汽車(chē)(qch)與傳感器 高級(jí)轎車(chē)需要

6、用傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、距離(jl)、轉(zhuǎn)速、加速度、濕度、電磁、光電、振動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，一般需要301 00種傳感器。共一百一十七頁(yè)3、傳感器與家用電器(ji yn din q)自動(dòng)電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子(dinz)熱水器、風(fēng)干器、電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照相機(jī)、電冰箱、電視機(jī)、錄像機(jī)、家庭影院等。共一百一十七頁(yè)全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度) 液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測(cè))。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器共一百一十七頁(yè)鼠標(biāo):光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器

7、麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡 + D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服PC機(jī)中的測(cè)試(csh)技術(shù)應(yīng)用共一百一十七頁(yè)樓宇控制(kngzh)與安全防護(hù)為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測(cè)試技術(shù)(jsh)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況。 圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車(chē)管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器人體探測(cè)器共一百一十七頁(yè)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器： 轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)(shju)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近距離傳感器、觸覺(jué)傳

8、感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。 4、傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用(yngyng)共一百一十七頁(yè)密歇根大學(xué)(dxu)的機(jī)械手裝配模型共一百一十七頁(yè)廣州中鳴數(shù)碼(shm)的機(jī)器狗共一百一十七頁(yè)共一百一十七頁(yè)機(jī)器人服務(wù)員共一百一十七頁(yè)沙漠(shm)機(jī)器人共一百一十七頁(yè)AGV自動(dòng)(zdng)送貨車(chē) 超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線(xiàn)色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車(chē)位置識(shí)別(shbi)；條形碼傳感器，貨品識(shí)別(shbi)。香港理工AGV模型共一百一十七頁(yè)2003年9月，全球現(xiàn)場(chǎng)直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘進(jìn)程，可能揭開(kāi)古埃及金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)之謎。一個(gè)小機(jī)器人通過(guò)了埃及最大的金字塔內(nèi)一條

9、狹窄的通道(tngdo)，試圖揭開(kāi)4600年前的秘密。它的探秘之行以發(fā)現(xiàn)了又一道封閉的石門(mén)而告終。 圖坦卡蒙的咒語(yǔ):“不論是誰(shuí)騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上(tu shn)降臨。”共一百一十七頁(yè)小機(jī)器人挑戰(zhàn)法老咒語(yǔ)，代替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道?！敖鹱炙握摺保?11，地面探測(cè)雷達(dá)、超聲波傳感器（測(cè)石頭厚度）。共一百一十七頁(yè)5、傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用(yngyng)對(duì)人體的健康狀況進(jìn)行(jnxng)診斷需要進(jìn)行多種生理參數(shù)的測(cè)量。 國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出了用于測(cè)量近紅外組織血氧參數(shù)的檢測(cè)儀器。人類(lèi)基因組計(jì)劃的研究也大大促進(jìn)了對(duì)酶、免疫、微生物、細(xì)胞、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、嗅覺(jué)、

10、味覺(jué)和體液組份以及血?dú)狻⒀獕?、血流量、脈搏等傳感器的研究。 醫(yī)學(xué)共一百一十七頁(yè)共一百一十七頁(yè)光纖流速傳感器熒光材料制作的電子鼻傳感器生物酶血樣分析傳感器熱/光電量共一百一十七頁(yè)6、傳感器與航空(hngkng)及航天飛行器：控制在預(yù)定軌道上速度、加速度、飛行距離測(cè)量周?chē)h(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)陀螺儀、陽(yáng)光傳感器、星光(xn un)傳感器、地磁傳感器航天共一百一十七頁(yè)7、傳感器與環(huán)境保護(hù)(hunjng boh) 保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)和江河湖海水質(zhì)檢測(cè)，需要大量用于污水流量、PH值、電導(dǎo)、濁度、COD、BOD、TP、TN、礦物油、氰化物、氨氮、總氮、總磷、金屬離子

11、濃度特別是重金屬離子濃度以及風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度(shd)、工業(yè)粉塵、煙塵、煙氣、SO2、NO、O3、CO等參數(shù)測(cè)量的傳感器，這些傳感器中大多數(shù)亟待開(kāi)發(fā)。 共一百一十七頁(yè)NOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 煙塵濁度(zhu d)測(cè)量共一百一十七頁(yè)共一百一十七頁(yè)8、傳感器與遙感技術(shù)飛機(jī)及航天飛行器：近紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)、微波、船舶：超聲波傳感器微波紅外接收傳感器紅外線(xiàn)分布差異礦藏埋藏地區(qū)地 面共一百一十七頁(yè)9、傳感器在軍事技術(shù)(jsh)領(lǐng)域的應(yīng)用 先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)總是最先被應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)。 以坦克、飛

12、機(jī)、軍艦為標(biāo)志的作戰(zhàn)平臺(tái)是傳統(tǒng)的主戰(zhàn)兵器(bngq)，各類(lèi)傳感器不過(guò)是配屬的保障設(shè)施。 而當(dāng)前由信息技術(shù)發(fā)展推動(dòng)的軍事革命把重點(diǎn)從作戰(zhàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)向如何觀察戰(zhàn)場(chǎng)、怎樣傳遞所觀察到的戰(zhàn)場(chǎng)情況、怎樣運(yùn)用那些性能優(yōu)越的精確武器的問(wèn)題上來(lái)，從重視軍艦、坦克和飛機(jī)轉(zhuǎn)為重視信息獲取技術(shù)和信息獲取裝置的作用，傳感器、通信以及精確制導(dǎo)武器等已在戰(zhàn)爭(zhēng)中至關(guān)重要的作用。共一百一十七頁(yè) 海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，伊拉克在科威特戰(zhàn)區(qū)部署了4280輛坦克，多國(guó)部隊(duì)只有3800輛坦克。 但結(jié)果是伊拉克的坦克89被毀，而多國(guó)部隊(duì)的坦克僅損失20輛。 這種懸殊的損毀比，正是由于雙方信息優(yōu)勢(shì)及精確(jngqu)制導(dǎo)武器方面的明顯差距造成的。共一百

13、一十七頁(yè) 由近期的幾場(chǎng)高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)可以看到，隨著新軍事革命浪潮的到來(lái)，高度信息化的武器平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮戰(zhàn)場(chǎng)主導(dǎo)作用。 數(shù)字化戰(zhàn)爭(zhēng)需要利用全方位、多手段的傳感器系統(tǒng)感知和收集戰(zhàn)場(chǎng)各種( zhn)信息，對(duì)這些信息進(jìn)行判讀、分析、綜合與管理，實(shí)現(xiàn)“傳感器-控制器-武器”一體化。 戰(zhàn)場(chǎng)生物傳感器不但能準(zhǔn)確識(shí)別各種生化戰(zhàn)劑，而且可與計(jì)算機(jī)配合，及時(shí)提出最佳防護(hù)和治療方案，還可通過(guò)測(cè)定炸藥、火箭推進(jìn)劑的降解情況來(lái)發(fā)現(xiàn)敵人庫(kù)存彈藥的數(shù)量和位置，成為偵察的有效手段。 共一百一十七頁(yè) 在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，新一代精確化和智能化的常規(guī)武器和電子武器可能在實(shí)質(zhì)上取代核武器的位置。 智能武器把巨大(jd)的殺傷力和

14、極高的精確性相結(jié)合，將會(huì)使軍事機(jī)構(gòu)思考未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的方式發(fā)生革命。 高技術(shù)常規(guī)武器成為比核武器更可靠的手段，打了不用管的制導(dǎo)炮彈能像導(dǎo)彈那樣捕捉和跟蹤目標(biāo)，射程遠(yuǎn)，威力大，價(jià)格低，命中率高，具有子母彈的打擊能力，以及破甲彈、動(dòng)能彈的攻擊方式。 共一百一十七頁(yè) 21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)將是知識(shí)密集、技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè)，設(shè)施農(nóng)業(yè)可以有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和增強(qiáng)抗災(zāi)能力，借助溫室及其配套裝置來(lái)調(diào)節(jié)和控制作物生產(chǎn)環(huán)境條件，擺脫自然制約，以達(dá)到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)。 信息獲取手段是實(shí)現(xiàn)高水平設(shè)施農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，設(shè)施農(nóng)業(yè)用傳感器的品種較多，主要用于溫度、濕度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤養(yǎng)分等參數(shù)的測(cè)量。信息獲取技術(shù)還在

15、農(nóng)田和果園(guyun)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生物學(xué)研究、農(nóng)藥殘留量檢測(cè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 10、傳感器與農(nóng)業(yè)(nngy)農(nóng)業(yè)共一百一十七頁(yè)1.2 傳感器的組成(z chn)與分類(lèi)1.2.1 傳感器的定義(dngy)1.2.2 傳感器的組成1.2.3 傳感器的分類(lèi)共一百一十七頁(yè) 將被測(cè)非電量信號(hào)(xnho)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系電量輸出的器件或裝置叫做傳感器，也叫變換器、換能器或探測(cè)器。 1.2.1 傳感器的定義(dngy)共一百一十七頁(yè)47 1.2.2 傳感器的組成(z chn)敏感元件輔助電路傳感元件 被測(cè)非電量 有用非電量有 用電 量信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路電 量圖1-1 傳感器組成(z chn)框

16、圖共一百一十七頁(yè)敏感元件：直接感受被測(cè)非電量(dinling)并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系的其它量的元件。傳感元件：又稱(chēng)變換器。能將敏感元件感受(gnshu)到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。共一百一十七頁(yè)敏感元件傳感元件(yunjin)壓力(yl)傳感器示例共一百一十七頁(yè)共一百一十七頁(yè)信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換(zhunhun)電路：能把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理、和控制的有用電信號(hào)的電路。常用的電路(dinl)有電橋、放大器、變阻器、振蕩器等。輔助電路通常包括電源等。共一百一十七頁(yè)1按工作機(jī)理分類(lèi)：根據(jù)物理和化學(xué) 等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)(xioyng)進(jìn)行分類(lèi)2按被測(cè)量分類(lèi)

17、(fn li)：根據(jù)輸入物理量的 性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。3按敏感材料分類(lèi)：根據(jù)制造傳感器 所使用的材料進(jìn)行分類(lèi)?？煞譃榘?導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。1.2.3 傳感器的分類(lèi)共一百一十七頁(yè)基本物理量派生物理量位移線(xiàn)位移長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度等角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)等速度線(xiàn)速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量等角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)等加速度線(xiàn)加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等角加速度角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力壓力重量、應(yīng)力、力矩等時(shí)間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等溫 度熱容量、氣體速度、渦流等光光通量與密度、光譜分布等共一百一十七頁(yè)4. 按能量的關(guān)系分類(lèi)：根據(jù)能量觀點(diǎn)(gundin)分類(lèi)，可將傳感器分為有源傳感器

18、和無(wú)源傳感器兩大類(lèi)。有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱(chēng)之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱(chēng)換能器。通常配合有電壓(diny)測(cè)量電路和放大器。如:壓電式、熱電式、電磁式等。共一百一十七頁(yè)無(wú)源傳感器又稱(chēng)為能量控制型傳感器。被測(cè)非電量?jī)H對(duì)傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用。所以(suy)必須具有輔助能源(電能)。如:電阻(dinz)式、電容式和電感式等。5. 其他：按用途、學(xué)科、功能和輸出信號(hào)的性質(zhì)等進(jìn)行分類(lèi)。共一百一十七頁(yè) 從系統(tǒng)角度看，一種傳感器就是一種系統(tǒng)。而一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來(lái)描述。即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入的關(guān)系(gun x)和特性，從而，用這種關(guān)系(gun x)

19、指導(dǎo)對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)、制造、校正和使用。 通常從傳感器的靜態(tài)輸入-輸出關(guān)系和動(dòng)態(tài)輸入-輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模型。1.3 傳感器的數(shù)學(xué)模型概述(i sh)共一百一十七頁(yè)1.3.1 靜態(tài)(jngti)模型 靜態(tài)模型是指在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的情況(qngkung)下，描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯特性，傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項(xiàng)式來(lái)表示：共一百一十七頁(yè) 1.3.2 動(dòng)態(tài)(dngti)模型 動(dòng)態(tài)模型是指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，描述其輸出和輸入信號(hào)的一種(y zhn)數(shù)學(xué)關(guān)系。 動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。共一百一十七頁(yè) 1 .微分方程(wi

20、 fn fn chn) 大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。描述(mio sh)模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實(shí)際的模型建立過(guò)程中，一般采用線(xiàn)性常系數(shù)微分方程來(lái)描述輸出量 y和輸入量 x 的關(guān)系。共一百一十七頁(yè) 其通式(tngsh)如下：an,an-1a0和bm,bm-1b0 為傳感器的結(jié)構(gòu)(jigu)參數(shù)。除b0 0外，一般取b1,b2bm為零. 共一百一十七頁(yè)如果(rgu)y(t)在t0時(shí)， y(t) =0，則y(t) 的拉氏變換可定義為 2. 傳遞函數(shù) 式中s=+j，0。 對(duì)微分方程(wi fn fn chn)兩邊取拉氏變換，則得共一百一十七頁(yè)定義輸出y(t)的拉氏變換(binhun)Y

21、(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，則對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t0時(shí)， y(t)=0。對(duì)于傳感器被激勵(lì)之前所有(suyu)的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。共一百一十七頁(yè)63對(duì)于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)(shdng)，可忽略相互間的影響，傳感器的等效傳遞函數(shù)可按代數(shù)方式求得。顯然H(s)與輸入量x(t)無(wú)關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而(yn r)H(s)可以簡(jiǎn)單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關(guān)系。共一百一十七頁(yè)若傳感器由r個(gè)環(huán)節(jié)(hunji)串聯(lián)而成 對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)(xtng)，可以將其看作是一

22、些較為簡(jiǎn)單系統(tǒng)(xtng)的串聯(lián)與并聯(lián)。共一百一十七頁(yè)65若傳感器由p個(gè)環(huán)節(jié)(hunji)并聯(lián)而成共一百一十七頁(yè)1.4.1 靜態(tài)(jngti)特性 1.4 傳感器的基本(jbn)特性1線(xiàn)性度：輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線(xiàn)偏離直線(xiàn)的程度。又稱(chēng)非線(xiàn)性誤差。可用下式表示:max輸出量與輸入量實(shí)際曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)之間的最大偏差yFS輸出滿(mǎn)量程值共一百一十七頁(yè)傳感器的靜態(tài)模型有三種有用的特殊(tsh) 形式：（1） 理想(lxing)的線(xiàn)性特性（2） 僅有偶次非線(xiàn)性項(xiàng)（3） 僅有奇次非線(xiàn)性項(xiàng)共一百一十七頁(yè)（1） （2） （3）三種(sn zhn)形式所呈現(xiàn)的非線(xiàn)性程度 圖1-2 三種特殊形式(xngs

23、h)的特性曲線(xiàn) 共一百一十七頁(yè)2.靈敏度：在穩(wěn)態(tài)下輸出增量(zn lin)與輸入增量(zn lin)的比值： 對(duì)線(xiàn)性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)(jngti)特性的斜率：非線(xiàn)性傳感器靈敏度是一個(gè)變量，只能表示傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。 共一百一十七頁(yè)3.重復(fù)性： 輸入量按同一方向作全程(qunchng)多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線(xiàn)不一致的程度。 圖1-3 重復(fù)性yx0Rmax2Rmax1共一百一十七頁(yè)4.遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象：表明傳感器在正向行程和反向行程期間，輸出-輸入特性(txng)曲線(xiàn)不重合的程度。H0 x yyFS xFS圖1-4 遲滯特性共一百一十七頁(yè)對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)(xnho)

24、x，在x連續(xù)增大的行程中，對(duì)應(yīng)某一輸出量yi，與在x連續(xù)減小的行程中，對(duì)應(yīng)某一輸出量yd之間的差值叫滯環(huán)誤差，即所謂的遲滯現(xiàn)象。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用H表示(biosh)，它與滿(mǎn)量程輸出值的比值稱(chēng)最大滯環(huán)率：共一百一十七頁(yè)5分辨率與閾值(y zh) ：傳感器在規(guī)定的范圍所能檢測(cè)輸入量的最小變化量。閾值是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。6穩(wěn)定性：在室溫條件(tiojin)下，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔， 傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。共一百一十七頁(yè)7漂移(pio y)：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。漂移包括零點(diǎn)漂

25、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(hunmn)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。共一百一十七頁(yè)8靜態(tài)(jngti)誤差（精度） 靜態(tài)(jngti)誤差是傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。求靜態(tài)誤差是把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線(xiàn)上對(duì)應(yīng)值的殘差看成是隨機(jī)分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，取2或3值即為傳感器的靜態(tài)誤差?；蛴孟鄬?duì)誤差表示：也可以由非線(xiàn)性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差這幾個(gè)單項(xiàng)誤差綜合而得，即共一百一十七頁(yè)1. 動(dòng)態(tài)(dngti)誤差在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)(xnho)情況下，輸出與

26、輸入間的差異即為動(dòng)態(tài)誤差。 1.4.2 動(dòng)態(tài)特性 圖1-5 熱電偶測(cè)溫過(guò)程測(cè)試曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差TtTT0tt0例：用一只熱電偶測(cè)量某一容器的液體溫度T，若環(huán)境溫度為T(mén)0，把置于環(huán)境溫度之中的熱電偶立即放入容器中（若TT0)。共一百一十七頁(yè)（1）階躍響應(yīng)(xingyng) 2. 研究(ynji)傳感器動(dòng)態(tài)特性的方法及其指標(biāo)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)為階躍響應(yīng)特性。共一百一十七頁(yè)圖1-6 階躍響應(yīng)特性tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t共一百一十七頁(yè) 最大超調(diào)量p： 響應(yīng)(xingyng)曲線(xiàn)偏離階躍曲線(xiàn)的最大值。 當(dāng)穩(wěn)態(tài)值為1

27、，則最大百分比超調(diào)量為： 延滯(yn zh)時(shí)間td：階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50%所需要的時(shí)間。 共一百一十七頁(yè) 上升時(shí)間tr： A響應(yīng)曲線(xiàn)從穩(wěn)態(tài)值10%90%所需要(xyo)的時(shí)間。 B響應(yīng)曲線(xiàn)從穩(wěn)態(tài)值5%95%所需要(xyo)的時(shí)間。 C響應(yīng)曲線(xiàn)從零到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。 對(duì)有振蕩的傳感器常用C，對(duì)無(wú)振蕩的傳感器常用A。共一百一十七頁(yè) 峰值(fn zh)時(shí)間tp： 響應(yīng)曲線(xiàn)(qxin)到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。 響應(yīng)時(shí)間ts： 響應(yīng)曲線(xiàn)衰減到穩(wěn)態(tài)值之差不超過(guò)5%或2%時(shí)所需要的時(shí)間。有時(shí)稱(chēng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。共一百一十七頁(yè)（2）頻率響應(yīng)(pn l xin yn)在定常線(xiàn)性系統(tǒng)中，拉氏變換(

28、binhun)是廣義的傅氏變換(binhun)，取s=+j中的=0，則s=j，即拉氏變換局限于s平面的虛軸，則得到傅氏變換： 同樣有：共一百一十七頁(yè) H（j）稱(chēng)為傳感器的頻率響應(yīng)(pn l xin yn)函數(shù)。 H（j）是一個(gè)復(fù)函數(shù)(hnsh)，它可以用指數(shù)形式表示，即共一百一十七頁(yè)即 A()稱(chēng)為傳感器的幅頻特性，也稱(chēng)為傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度（或增益）。A()表示(biosh)傳感器的輸出與輸入的幅度比值隨頻率而變化的大小。其中(qzhng)共一百一十七頁(yè) 若以 分別(fnbi)表示H（j）的實(shí)部和虛部，則頻率特性的相位角:（）表示傳感器的輸出信號(hào)相位隨頻率(pnl)而變化的關(guān)系。共一百一十七頁(yè)對(duì)

29、于傳感器 通常是負(fù)的，表示傳感器輸出滯后(zh hu)于輸入的相位角度，而且 隨而變，故稱(chēng)之為傳感器相頻特性。共一百一十七頁(yè)3. 典型(dinxng)環(huán)節(jié)傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析（1）零階傳感器系統(tǒng)(xtng)由（1-2）式，零階系統(tǒng)的微分方程為或零階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性為：共一百一十七頁(yè)（2）一階系統(tǒng)(xtng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)微分方程：對(duì)上式進(jìn)行(jnxng)拉氏變換，得則傳遞函數(shù)為時(shí)間常數(shù)，靜態(tài)靈敏度其中共一百一十七頁(yè)頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論(toln)：越小，頻率響應(yīng)(pn l xin yn)特性越好。負(fù)號(hào)表示相位滯后共一百一十七頁(yè)越小，階躍響應(yīng)(xingyng

30、)特性越好。若輸入為階躍函數(shù)一階系統(tǒng)微分方程 的解為：討論(toln)：tx01輸出的初值為0,隨著時(shí)間推移y接近于1；當(dāng)t=時(shí),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)。共一百一十七頁(yè)圖 1-7 一階傳感器CKK x(t) =F(t)y(t)例1-1：由彈簧阻尼器構(gòu)成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量 為F(t) = Kx (t)，輸出量為位移(wiy)y(t )，分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。解：根據(jù)牛頓第二(d r)定律： fC+fK=F(t) 或 共一百一十七頁(yè)由（1-29）式為時(shí)間常數(shù)(sh jin chn sh)共一百一十七頁(yè)令H(S )中的s =j,即= 0，則系統(tǒng)的頻率響應(yīng)(pn l

31、xin yn)函數(shù)H（j）為 由(j)可以分析(fnx)該系統(tǒng)的幅頻特性Aj）和相頻特性（j） ：共一百一十七頁(yè)例1-2：一階測(cè)溫傳感器系統(tǒng)中，已知敏感部分(b fen)的質(zhì)量為m，比熱為c，表面積為s，傳熱系數(shù)為h（w/ m2k）。給出輸入量T0與輸出量T之間的微分方程，并推導(dǎo)其幅頻特性、相頻特性及階躍響應(yīng)特性。 圖1-8 一階測(cè)溫傳感器解：共一百一十七頁(yè)頻率響應(yīng)(pn l xin yn)特性幅頻特性相頻特性階躍響應(yīng)(xingyng)特性共一百一十七頁(yè)（3）二階傳感器的數(shù)學(xué)模型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(yl)傳感器等屬于二階傳感器，其微分

32、方程為：靜態(tài)靈敏度阻尼比固有頻率,0=1/共一百一十七頁(yè)共一百一十七頁(yè) 阻尼比的影響較大，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)(jngti)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)0時(shí)，在=1處A()趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為諧振。 隨著的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。 當(dāng)0.707時(shí)，不再出現(xiàn)諧振，這時(shí)A()將隨著的增大而單調(diào)(dndio)下降。共一百一十七頁(yè)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.

33、6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0()相頻特性共一百一十七頁(yè) 二階傳感器的階躍響應(yīng)(xingyng)特性 隨阻尼比的不同(b tn)，有幾種不同(b tn)的解：y/K210t=01.510.60.2單位階躍響應(yīng)通式=0(零阻尼)：輸出變成等幅振蕩，即 共一百一十七頁(yè)01(欠阻尼)：該特征方程具有(jyu)共軛復(fù)數(shù)根方程(fngchng)通解根據(jù)t，ykA，求出A3；據(jù)初始條件求出A1、A2則 共一百一十七頁(yè)其曲線(xiàn)如圖，是一衰減振蕩(zhndng)過(guò)程, 越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。y/K210t=01.510.60.2共一百一十七頁(yè)1（過(guò)阻尼）：

34、特征方程具有(jyu)兩個(gè)不同的實(shí)根過(guò)渡(gud)函數(shù)為：=1 (臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/,過(guò)渡函數(shù)為 上兩式表明，當(dāng)1時(shí)，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個(gè)一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相同，后者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不同。共一百一十七頁(yè) 實(shí)際傳感器， 值一般可適當(dāng)安排，兼顧過(guò)沖量(chngling)m不要太大，穩(wěn)定時(shí)間t不要過(guò)長(zhǎng)的要求。在0.60.7范圍內(nèi)，可獲得較合適的綜合特性。對(duì)正弦輸入來(lái)說(shuō)，當(dāng)=0.60.7時(shí)，幅值比A()/k在比較寬的范圍內(nèi)變化較小。計(jì)算表明在00.58范圍內(nèi)，幅值比變化不超過(guò)5，相頻特性()接近于線(xiàn)性關(guān)系。共一百一十七頁(yè) 對(duì)于高階傳感器，在寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)方程后， 可根據(jù)式具體情況寫(xiě)出傳遞函數(shù)、頻率特性等。在求出特征方程共軛復(fù)根和實(shí)根后，可將它們(t men)分解為若干個(gè)二階模型和一階模型研究其過(guò)渡函數(shù)。有些傳感器可能難于寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)方程，這時(shí)可采用實(shí)驗(yàn)方法，即通過(guò)輸入不同頻率的周期信號(hào)與階躍信號(hào)，以獲得該傳感器系統(tǒng)的幅頻特性、相頻特性與過(guò)渡函數(shù)等。 共一百一十七頁(yè)1.5 傳感器的標(biāo)定(bio dn)與校準(zhǔn)1.5.1 傳感器的標(biāo)定(bio dn) 壓電式壓力傳感器電荷信號(hào)