傳感器原理第一講

1、傳感器原理第一講 第1頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 1. 工作原理模型敏感元件轉換元件測量電路電源被測量輸出量轉換元件(a)自源型輸入輸出熱電偶-+第2頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日(b)輔助能源型轉換元件輔助電源輸入輸出第3頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日(C)補償型環(huán)境影響轉換元件轉換元件轉換電路電源輸入輸出環(huán)境影響轉換元件轉換元件轉換電路電源輸入輸出差動補償參比補償第4頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 2.傳感器的分類 1）依據輸入量：壓力，溫度，速度， 電荷，角度，氣味 2）依

2、據材料：半導體，陶瓷，金屬， 光纖，高分子 3）依據工作原理：電感式，電容式， 應變式，壓電式 4）依據基本效應：物理型，化學型， 生物型 5） 第5頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日二.傳感器的一般數學模型和特性 1）靜態(tài)模型 忽略遲滯和蠕變 ：輸入量：輸出量 ：零位輸出 ：傳感器的靈敏度：非線性項的待定常數遲滯：輸入量正行程（增加）和反行程（減少）過程中，輸出輸入曲線的不重合現象蠕變：輸出輸入值隨時間而變化的現象第6頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日：當時， 特點：通過原點直線方程線性靈敏度越大，越靈敏第7頁，共54頁，2022年，5月20日

3、，16點31分，星期日 例： y10-.18-.080.11.8133x-1-.68-.5-.10.1.51第8頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 特點: 線性差 不對稱 原點附近有近似線性范圍，但很窄。 具有奇次項非線性第9頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 列： Y-3-0.65-0.1000.10.653 x-1-0.5-0.100.10.51第10頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日特點：通過原點 對稱 原點附近在較大范圍內近似線性第11頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 “a”均不為零特點：

4、 通過原點； 原點附近在一定范圍內 有線性近似。 y1-.344-.090.111.925x-1-.5-.010.1.51第12頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 2）靜態(tài)特性指標 靜態(tài)特性：被測量穩(wěn)態(tài)下的輸出輸入關系 線性度：校準曲線與擬合直線間最大偏差 與滿量程輸出值的百分比。 a)校準曲線：即實測值。 測試條件：標準大氣壓101.3+/-8KPa 溫度：20（+/-)5C 相對濕度：85% 無震動、無沖擊、無加速度 測試方法：一定等級標準器給出輸入量 測取相應輸出量 繪制成校準曲線 擬合直線：替代校準曲線的使輸出輸入線性化的直線 第13頁，共54頁，2022年，5

5、月20日，16點31分，星期日 b)表示：線性度 校-擬間最大偏差 無輸入時的輸出 c)擬合方法： 擬合方法不同，線性度表征值也不同 理論擬合：擬合直線為理論直線（0-滿量程） 端基擬合：把校準曲線兩端點連線作為擬合直線 最佳擬合：使正負偏差相等 最小二乘法：第14頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 理論擬合 端點擬合 最佳擬合（理論線性度） （端基線性度） (獨立線性度）第15頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第16頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 最小二乘法：原理：使各點誤差的平方和為最小 設：有幾個校準點 假定擬合

6、直線為：對應于各個校準點，擬合直線與校準點的誤差為求其最?。?第17頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日可以求出：第18頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 靈敏度 k(x) 定義：穩(wěn)態(tài)下，輸出變化量與 輸入變化量之比。理想傳感器：一般傳感器：其擬合的直線斜率K非線性誤差大時：影響靈敏度的因素： 工作點 輸入量靈敏度界限：使輸出變化的輸入最小變化值電影片段第19頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 精確度（精度） 1）影響精確度的因素： a)隨機誤差： 同一測試者 同一測量儀器 反復測量 結果分散 同一被測量 表示為精密度 ，表

7、示分散程度。 b)系統(tǒng)誤差：由于測量系統(tǒng)的原因使測量結果有規(guī)律的偏離真值，表示為 正確度 表示測量值與真值的符合程度。 2)上述兩因素之和即為精確度 第20頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日精確度等級A 定義：表示在規(guī)定條件下，允許的最大 絕對誤差值對其測量范圍的百分比。 ：測量范圍內允許的最大絕對誤差 ： 滿量程輸出 A的一般標準：0.001,0.005,0.02,0.051.5，2.5例：滿量程為1000V，A的標準為：0.05 此儀表允許的最大誤差為0.5V第21頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 指傳感器能夠檢測到的最小值 最小檢測能力主

8、要與傳感器和系統(tǒng)噪音有關 遲滯： 對相同工作條件下，在全測量范圍作 正行程和反行程中輸入輸出曲線不重 合。 重復性：輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次 變動，其曲線不一致的程度。 零點飄移： 在零輸入時隨時間其輸出的變化。 溫漂： 在溫度變化時傳感器輸出值的變 化。 最小監(jiān)測量（分辨率）第22頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日3）傳感器的動態(tài)特性為什么要研究傳感器的動態(tài)特性 變化的輸入信號對輸出的影響 對傳感器的應用重要 對理解和研制高性能傳感器重要第23頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 3） 傳感器的動態(tài)特性： 討論動態(tài)特性的方法： 1建立物理模

9、型 2建立數學模型 3求解方程 假設有如下近似： 1工作范圍在工作點附近線性的 2系統(tǒng)參數不隨時間變化定長的（時間不變系統(tǒng)） 因此：根據線性時不變系統(tǒng)的分析方法，任何線性系統(tǒng)都可以用線性常微分方程表示 對于以 和 表示輸出與輸入LTI系統(tǒng) 和 表示總可以用n階線性常微方 程相聯系。第24頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 動態(tài)特性定義：對于隨時間變化的信號其輸出的響應特性 分析方法： 根據其工作機理建立數學模型 得到運動方程求解運動方程得到動態(tài)響應特性 直觀理解：輸出應準確地再現輸入的狀態(tài) 否則得不到完整的所需信號， 實際上，理想的傳感器不存在，實際情況的 描述與結論即

10、動態(tài)特性。 討論方法的可信度：系統(tǒng)模型的近似：線性的，定常的 線性的：滿足比例特性又同時滿足疊加特性 定常的：參數不隨時間變化 分析的合理性：大多數傳感器都工作在其工作點附近 前面分析了工作點附近有線性區(qū)第25頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第26頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日傳感器的階： n=0 為零階傳感器 n=1 為一階傳感器 n=2 為二階傳感器 n=3 為高階傳感器第27頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日傳遞函數 G(s)=L(響應函數) / L(激勵函數) LY(t)=Y(t)exp(-st)dt = Y

11、(s) LX(t)= X(t)exp(-st)dt = X(s)第28頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第29頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日頻率特性幅頻特性：A()為傳遞函數 的幅值，是的函數相頻特性：為傳遞函數的幅角()=arctanW()第30頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第31頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日傳遞函數的分解 代數方程的性質： 基 本 定 理：在復數域中至少有一個根基本定理推論： 每個n次代數方程在復數域中有n個根，且只有 n個根 任意實數方程 f(x)=0 的復根只可

12、能是成對的共 軛復根，個數是偶數 第32頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 任意實系數奇次方程 f(x)=0 至少有一個實根 任意實系數偶次方程 f(x)=0 至少有一正一負兩個實根 每個實系數多項式都可以分解為實系數的一次因式和二次因式之積 由于 是實數多項式，符合上述條件，故有： W(s)= 其中：第33頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日 任意實系數奇次方程 f(x)=0 至少有一個實根 任意實系數偶次方程 f(x)=0 至少有一正一負兩個實根 每個實系數多項式都可以分解為實系數的一次因式和二次因式之積 由于 是實數多項式，符合上述條件，故有

13、：系統(tǒng)由若干0階、1階、2階系統(tǒng)組成，1階、 2階是最基本響應 W(s)= 其中第34頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日系統(tǒng)的串聯、并聯 設：兩個系統(tǒng) G(s)1,G(s)2 串聯：在其阻抗匹配時（互不影響工作） G(s)=G(s)1G(s)2 并聯： G(s)=G(s)1+G(s)2+ 串聯 并聯G(s)1G(s)2G(s)2G(s)1第35頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第36頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第37頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第38頁，共54頁，2022年，5月20日，

14、16點31分，星期日特點：輸出幅值隨輸入頻率提高而下降輸出相位隨輸入頻率提高而加大第39頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第40頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第41頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日Bode圖： =0.05=0.1=0.4=0.7=1.0=0.1=0.5 =1.0=0.05-40db 2000-90-180/0第42頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第43頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日五 傳感器的階躍響應 討論階躍響應是因為階躍信號是基本瞬變信號 1零

15、階：輸出輸入成正比。 2一階：第44頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第45頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日不同阻尼的響應曲線： =0 =0.2 =0.6 =1.0 =1.5=0=0.2=0.6=1.0=1.5第46頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日六 動態(tài)特性的評價： 大多傳感器是近似于0、1、2階或其組合 比上述分析復雜。一般是通過實驗同條件 指數來表示其動態(tài)特性。 1與頻率響應有關指數： (1)頻帶：增益值保持在一定值內的頻率范圍 (2)時間常數：，越小頻帶越寬 (3)固有頻率： 2與階越響應的有關指數： (1)時

16、間常數：近似于一階傳感器 響應曲線上升至穩(wěn)定值的63.2時所需時間。 (2)上升時間t輸出由穩(wěn)定值10變化到90所需時間 (3)響應時間：輸出到達穩(wěn)定值的95所需時間 (4)超調量：輸出超出穩(wěn)定值的最大量 (5)峰值時間：階越響應達到第一峰值所需時間 第47頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日七、傳感器的理論基礎引言：一般課題的研究方法與驟1）課題來源： 用戶、實際、創(chuàng)想2）課題條件： 有界、半無屆、無界3）課題分析：查資料、課題難點、解決思路、 方案及方案論證4）方案設計：理論、分析、計算、設計5）實驗室樣機7）中試8）批量生產第48頁，共54頁，2022年，5月20日

17、，16點31分，星期日理論基礎1）定律 守恒定律：能量、動量、電荷、 場的定律：動力場、光場、電磁場、 物質定律：胡克定律、熱平衡現象、 傳輸現象、量子現象、2） 法則 統(tǒng)計法則：熱噪聲電壓、3）效應 光電效應第49頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日電光效應磁光效應電磁效應熱電效應、熱釋電效應熱磁效應壓電效應壓阻效應壓磁效應約瑟夫效應（Josephson)(量子干涉效應）多普勒效應第50頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日聲電、聲光效應聲多普勒效應放射線效應擊波（沖擊波）效應吸附效應（表面場效應）與化學有關效應： 克頓效應（旋光性物質） 中鹽效應 飽和效應 電泳效應、第51頁，共54頁，2022年，5月20日，16點31分，星期日第二章：應變式傳感器問題與思路一般課題的研究方法 課題：用戶提出；實際遇到，想定（發(fā)明 創(chuàng)造） 課