傳感技術(shù)與應(yīng)用第二版第章：傳感技術(shù)的基本概念與特性電子(“傳感器”文檔)共13張

第2章：傳感技術(shù)概論本章要求：1、掌握傳感器的根本定律、靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性及其參數(shù)；2、傳感器的定義、組成和分類(lèi)；3、了解傳感器的新型資料及其開(kāi)展方向。本章重點(diǎn)：傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。本章難點(diǎn)：傳感器的動(dòng)態(tài)特性。2.1、傳感技術(shù)的定義傳感器〔transducer/sensor〕國(guó)家規(guī)范規(guī)定：能感受規(guī)定的被丈量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或安裝稱(chēng)為傳感器。狹義地講：能把被測(cè)非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件或安裝稱(chēng)為傳感器。傳感器的定義包含著三層含義：〔1〕傳感器是一種丈量安裝；〔2〕在規(guī)定的條件下感受外界信息；〔3〕按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成易于傳輸與處置的電信息。2.2傳感器的組成傳感器普通由敏感元件、傳感元件、丈量電路和輔助電源等四部分組成。如圖2-1所示。1、敏感元件：是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)非電量信號(hào)，并將非電量信號(hào)按一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換成易于轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的另一種非電量信號(hào)的元件。2、傳感元件：是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵龅姆请娦盘?hào)或直接將被測(cè)非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的元件。3、丈量電路：能將傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處置和控制的有用電信號(hào)的電路。4、輔助電源：為傳感元件和丈量電路供應(yīng)能源。2.3、傳感器的分類(lèi)與要求一、傳感器的分類(lèi)傳感器最流行的分類(lèi)方法有兩種：一種是按被測(cè)物理量分類(lèi)；另一種是按傳感器任務(wù)原理分類(lèi)。1、按任務(wù)原理或根本效應(yīng)分類(lèi)：物理型、電化學(xué)型、生物型。2、在物理型傳感器中，按構(gòu)成原理分類(lèi)：〔1〕、物性型傳感器；〔2〕、構(gòu)外型傳感器3、按能量關(guān)系分類(lèi)：〔1〕、能量轉(zhuǎn)換型傳感器；〔2〕、能量控制型傳感器4、在物理型傳感器中，按作用原理分類(lèi)：〔1〕、電學(xué)式傳感器?！?〕、磁學(xué)式傳感器?！?〕、光電式傳感器。〔4〕、電勢(shì)型傳感器?！?〕、電荷傳感器。〔6〕、半導(dǎo)體傳感器?！?〕、諧振式傳感器。5、按輸出量分類(lèi)：模擬式、數(shù)字式。6、化學(xué)型傳感器。它可分為電位式、極普式和電解式三種傳感器。7、生物傳感器。二、對(duì)傳感器有以下要求：1、有足夠的容量。2、靈敏度高，精度適當(dāng)。3、呼應(yīng)速度快，任務(wù)穩(wěn)定，可靠性好。4、適用性和順應(yīng)性強(qiáng)。5、運(yùn)用經(jīng)濟(jì)。三、采用傳感器實(shí)現(xiàn)非電量的電丈量，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)〔1〕具有丈量的延續(xù)性。〔2〕具有丈量的遠(yuǎn)距性?！?〕丈量的準(zhǔn)確度高、靈敏度高和分辨力高?！?〕反響速度快?！?〕從被測(cè)物取用功率小。2.4、傳感技術(shù)的根本定律

一、守恒定律。二、場(chǎng)的定律。三、物質(zhì)定律。四、統(tǒng)計(jì)法那么。2.5、新型敏感資料1、新型敏感資料有三種：半導(dǎo)體資料，陶瓷資料，有機(jī)資料。2、新型敏感資料的根本特性〔1〕敏感性?！?〕可靠性?！?〕可加工性。〔4〕經(jīng)濟(jì)性。有機(jī)警感資料具有如下優(yōu)點(diǎn)：〔1〕有機(jī)資料柔性好，可加工成柔性器件；〔2〕高分子資料易加工成均勻大面積器件；〔3〕合成分子的自在度大，敏感特性多樣化。2.6、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器所測(cè)非電量方式：〔1〕、靜態(tài)信號(hào)；〔2〕、動(dòng)態(tài)信號(hào)因此，傳感器的輸出－輸入特性也有兩種：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。二、靜態(tài)特性1、定義：靜態(tài)特性表示傳感器在被丈量處于穩(wěn)定形狀時(shí)的輸出－輸入關(guān)系；2、代數(shù)方程式：3、這種多項(xiàng)式代數(shù)方程能夠有4種情況：如圖2-2所示。①理想線(xiàn)性：y=a1x②奇次項(xiàng)非線(xiàn)性③偶次項(xiàng)非線(xiàn)性④普通非線(xiàn)性4、線(xiàn)性化補(bǔ)償方法有三種：①、擬合直線(xiàn)法。②、差動(dòng)法。③、非線(xiàn)性補(bǔ)償法。5、線(xiàn)性傳感器的優(yōu)點(diǎn)： ①、簡(jiǎn)化實(shí)際分析和設(shè)計(jì)計(jì)算；②、有利于儀表標(biāo)定和數(shù)據(jù)處置；③、可使儀表刻度均勻，提高丈量精度；④、防止復(fù)雜的非線(xiàn)性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。6、靜態(tài)特性參數(shù)〔1〕、線(xiàn)性度?！?〕、靈敏度與靈敏度誤差?！?〕、遲滯?！?〕、反復(fù)性。〔5〕、分辨力?！?〕、閥值?！?〕、穩(wěn)定值?！?〕、漂移。〔9〕、精度〔靜態(tài)誤差〕。2.7、傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性——傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入鼓勵(lì)的呼應(yīng)特性即為動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)誤差——輸出與輸入之間的差別，稱(chēng)動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差包括兩部分：〔1〕輸出量到達(dá)穩(wěn)定形狀以后與理想輸出量之間的差別；〔2〕當(dāng)輸入量發(fā)生躍變時(shí)，輸出量由一個(gè)穩(wěn)定形狀到另一個(gè)穩(wěn)定形狀之間的過(guò)渡形狀。研討動(dòng)態(tài)特性的方法有兩種：即時(shí)域法和頻域法。在時(shí)域內(nèi)研討動(dòng)態(tài)特性采用瞬態(tài)呼應(yīng)法。輸入的時(shí)間函數(shù)為階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)，工程上常輸入規(guī)范信號(hào)為階躍函數(shù)。在頻域內(nèi)研討動(dòng)態(tài)特性采用頻率呼應(yīng)法。輸入的規(guī)范函數(shù)為正弦函數(shù)。一、傳感器的階躍呼應(yīng)特性階躍呼應(yīng)的目的可參見(jiàn)圖2-6所示：〔1〕時(shí)間常數(shù)τ。即傳感器輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值yc的63.2％所需時(shí)間。〔2〕上升時(shí)間Tr。它有三種定義方法：①、傳感器輸出值由穩(wěn)態(tài)值的10％上升到90％所需的時(shí)間；適用于無(wú)振蕩的傳感器。②、呼應(yīng)曲線(xiàn)從零上升到穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間；適用于有振蕩的傳感器。③、傳感器輸出值由穩(wěn)態(tài)值的5％上升到95％所需的時(shí)間；適用于普通傳感器?！?〕呼應(yīng)時(shí)間TS。輸出值到達(dá)允許誤差范圍〔±5％或±2％〕所需時(shí)間。〔4〕峰值時(shí)間TP。呼應(yīng)曲線(xiàn)從0上升到第一個(gè)峰值的時(shí)間?！?〕延遲時(shí)間Td。呼應(yīng)曲線(xiàn)從零上升到穩(wěn)定值的50％所需的時(shí)間?！?〕超調(diào)量αP。呼應(yīng)曲線(xiàn)第一次超越穩(wěn)態(tài)值之后的峰值高度?！?〕衰減率ψ。指相鄰兩個(gè)波峰〔或波谷〕高度下降的百分?jǐn)?shù)〔8〕穩(wěn)態(tài)誤差eSS。在無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間后，傳感器的穩(wěn)態(tài)輸出值與目的值之間的偏向δSS的相對(duì)值。輸入的時(shí)間函數(shù)為階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、斜坡函數(shù)，工程上常輸入規(guī)范信號(hào)為階躍函數(shù)。①理想線(xiàn)性：y=a1x有機(jī)警感資料具有如下優(yōu)點(diǎn)：因此，傳感器的輸出－輸入特性也有兩種：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性?！?〕、磁學(xué)式傳感器。1、在時(shí)域內(nèi)，傳感器無(wú)失真測(cè)試條件為5、按輸出量分類(lèi)：模擬式、數(shù)字式?！?〕丈量的準(zhǔn)確度高、靈敏度高和分辨力高。②、有利于儀表標(biāo)定和數(shù)據(jù)處置；一種是按被測(cè)物理量分類(lèi)；輸入的規(guī)范函數(shù)為正弦函數(shù)。6、相頻特性φ〔ω〕＝arctg一、守恒定律。2、在頻域內(nèi)，傳感器的頻率呼應(yīng)為②、有利于儀表標(biāo)定和數(shù)據(jù)處置；〔1〕、能量轉(zhuǎn)換型傳感器；〔2〕、磁學(xué)式傳感器。〔3〕丈量的準(zhǔn)確度高、靈敏度高和分辨力高?！病?％或±2％〕所需時(shí)間。動(dòng)態(tài)特性——傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入鼓勵(lì)的呼應(yīng)特性即為動(dòng)態(tài)特性。在無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間后，傳感器的穩(wěn)態(tài)輸出值與目的值之間〔1〕具有丈量的延續(xù)性。2、新型敏感資料的根本特性二、靜態(tài)特性二、靜態(tài)特性傳感器普通由敏感元件、傳感元件、丈量電路和輔助電源等四部分組成。②、呼應(yīng)曲線(xiàn)從零上升到穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間；6、相頻特性φ〔ω〕＝arctg本章重點(diǎn)：傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。二、傳感器的頻率呼應(yīng)特性1、微分方程n2、拉氏變換 Y(S)[anSn+an-1Sn-1+……+a1s+a0]=X(S)[bmSm+bm-1Sm-+……+b1S+b0]3、傳送函數(shù)4、付氏變換5、幅頻特性(動(dòng)態(tài)靈敏度)6、相頻特性φ〔ω〕＝arctg式中：HR〔ω〕――表求H〔jω〕的實(shí)部。HI〔ω〕――表示H〔jω〕的虛部。2.8、傳感器無(wú)失真測(cè)試條件1、在時(shí)域內(nèi)，傳感器無(wú)失真測(cè)試條件為y〔t〕=A0x〔t-τ0〕2、在頻域內(nèi)，傳感器的頻率呼應(yīng)為H〔Jω〕