傳感器及其一般特性-力學(xué)基礎(chǔ)實驗課件-中國科技大學(xué)-04

第四章、傳感器及其一般特性

●傳感器的作用和重要性●傳感器的定義和組成●傳感器的分類及工作原理●傳感器的基本特性和表征●傳感器標(biāo)定

人體與智能機器的對應(yīng)關(guān)系人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），作出相應(yīng)的動作。而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電子計算機相當(dāng)于人的大腦，而傳感器則相當(dāng)于人的五官部分（“電五官”）。傳感器實際上是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號。傳感器所探測的對象近來顯著地增加，因而其品種也極其繁多。為了對各種各樣的信號進行檢測、控制，就必須獲得盡量簡單易于處理的信號，這樣的要求只有電信號能夠滿足。電信號能較容易地進行放大、反饋、濾波、微分、存貯、遠距離操作等。§4.1傳感器的作用和重要性作為人腦的一種模擬的電子計算機的發(fā)展極為迅速，可是起五種感覺模擬作用的傳感器卻發(fā)展很慢，因而如果不進行傳感器的開發(fā)，現(xiàn)在的電子計算機將不能適應(yīng)實際需要?，F(xiàn)代社會要求傳感器、電子計算機和執(zhí)行器三者都能相互協(xié)調(diào)才行。這樣，傳感器就成了現(xiàn)代科學(xué)的耳目，它日益受到人們的普遍重視，這已成為現(xiàn)代傳感器技術(shù)的必然趨勢?！?.1傳感器的作用和重要性●傳感器的發(fā)展促使科學(xué)研究不斷得以深入，科學(xué)技術(shù)的進步也在不斷帶動傳感器技術(shù)的更新?lián)Q代。

●傳感器技術(shù)在工業(yè)自動化、軍事國防和以宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)為代表的尖端科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用?！裢瑫r，它正以自己的巨大潛力，向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透；生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、安全防范、家用電器、網(wǎng)絡(luò)家居等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展?！?.1傳感器的作用和重要性●社會需求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強大動力。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是微電子技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，以及“電腦”的普及，傳感器在新的技術(shù)革命中的地位和作用將更為突出，一股競相開發(fā)和應(yīng)用傳感器的熱潮已在世界范圍內(nèi)掀起?！?.1傳感器的作用和重要性●“電五官”落后于“電腦”的現(xiàn)狀，已成為微型計算機進一步開發(fā)和應(yīng)用的一大障礙●許多有競爭力的新產(chǎn)品開發(fā)和卓有成效的技術(shù)改造，都離不開傳感器●傳感器的應(yīng)用直接帶來了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益●集傳感、執(zhí)行等多種功能于一身的器件正在興起§4.1傳感器的作用和重要性●傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。包含一下幾個方面的內(nèi)涵：●傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)●它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等●輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電、聲，但主要是電量●輸入輸出有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。§4.2傳感器的定義和組成電路被測量

敏感元件轉(zhuǎn)化元件轉(zhuǎn)換電路§4.2傳感器的定義和組成●傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成：●敏感元件（Sensitiveelement）：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件?！褶D(zhuǎn)換元件（Transductionelement）：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。●轉(zhuǎn)換電路（Transductioncircuit）：將轉(zhuǎn)換電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器種類繁多，目前常用的分類有兩種：●根據(jù)被測量的特征進行分類●根據(jù)傳感器的工作原理進行分類§4.3傳感器的分類及工作原理被測量類別被

測

量流動與熱力學(xué)量

溫度、壓力、真空度、流量、流速、湍流度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴散系數(shù)、粘度、密度機械量位移（線位移、角位移），尺寸、形狀；力、力矩、應(yīng)力；重量、質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度；振動幅度、頻率、加速度、噪聲按被測量進行分類§4.3傳感器的分類及工作原理被測量類別被

測

量物性和成分量氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分；酸堿度（PH值）、鹽度、濃度其它狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、材料內(nèi)部裂縫或缺陷、氣體泄漏、表面質(zhì)量

§4.3傳感器的分類及工作原理電阻式、光電式、電感式、諧振式、電容式、霍爾式、阻抗式、超聲式、磁電式、同位素式、熱電式、電化學(xué)式、壓電式、微波式等。

按輸出量的變換原理進行分類§4.3傳感器的分類及工作原理機械式傳感器原理：在測試技術(shù)中，以彈性體作為傳感器的敏感元件，對力、壓力、溫度等物理量進行測量，而輸出彈性元件本身的彈性變形，經(jīng)放大后成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測量的大小。

典型應(yīng)用：用于測力或稱重的環(huán)性測力計、彈簧稱等；用于測量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測量的雙金屬片等§4.3傳感器的分類及工作原理優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等缺點：彈性變形不宜過大，以減小線形誤差。

此外，由于放大和指針環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙的影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。機械式傳感器電阻式傳感器

電阻式傳感器是一種把被測量轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和應(yīng)變片式兩類。

1、變阻器式傳感器

原理：它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

ρ——電阻率l——電阻絲長度A——電阻絲截面積

變阻器式傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。缺點是分辨力不高。

電阻式傳感器2、電阻應(yīng)變式傳感器

優(yōu)點：體積小、動態(tài)響應(yīng)快測量精度高、使用簡便

（1）金屬電阻應(yīng)變片把應(yīng)變片用特制膠水粘固在彈性元件或需要測量變形的物體表面上。在外力作用下，電阻絲隨該物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。由此，將被測量轉(zhuǎn)化為電阻變化。

（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。

2、電阻應(yīng)變式傳感器

尺寸變化影響金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻變化可簡化為

λEε項是由電阻率變化引起的。對半導(dǎo)體而言，后者遠遠大于前者。這樣，半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度這一數(shù)值比金屬絲電阻應(yīng)變片大50——70倍。金屬絲電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要區(qū)別在于：前者利用導(dǎo)體形變引起的電阻的變化，后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起的電阻的變化。

優(yōu)點是靈敏度高，缺點是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度大以及在較大應(yīng)變作用下，非線形誤差大。

（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片

（3）電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用方式1）直接用來測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力2）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。在這種情況下，彈性元件得到與被測量成正比的應(yīng)變，在由應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

電感式傳感器

將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換為線圈自感量或互感量變化的裝置。電感式傳感器可分為自感型和互感型兩大類

1、自感型（1）可變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器的原理圖。

自感量可用下式表示式中N——線圈匝數(shù)——磁路總電阻由于兩側(cè)氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵磁阻之和：所以式中

——空氣磁導(dǎo)率A——鐵芯截面積δ——氣隙長度

線圈的自感量L與鐵芯截面積A成正比，而與氣隙長度δ成反比。（2）渦電流式

渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。動畫是一個高頻反射式渦電流傳感器的工作原理。

1、自感型金屬板置于一只線圈附近，相互間距為δ。當(dāng)線圈中有一高頻交變電流I通過時，便產(chǎn)生磁通Φ。此交變磁通通過鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感應(yīng)電流i1。這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為渦電流或渦流。這種渦電流也將產(chǎn)生交變磁通Φ1

。根據(jù)楞次定律，渦電流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反，Φ1總是抵抗Φ的變化。由于渦流磁場的作用，使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化，變化程度與距離δ有關(guān)。

渦電流式傳感器的測量電路一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路。（2）渦電流式

應(yīng)用舉例渦流傳感器測量鋼板厚度動畫測量轉(zhuǎn)速動畫當(dāng)線圈輸入交流電流時，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與電流的變換率成正比，即（右圖）小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理。在沒有輸入信號時，鐵心處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點殘余電壓減?。划?dāng)有輸入信號時，鐵心移上或移下，輸出電壓經(jīng)過交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。

電感式傳感器2、互感型——差動變壓器式傳感器

電容式傳感器

1、電容式傳感器工作原理設(shè)平板電容器兩極板間距離為δ，有效覆蓋面積為A，極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)ε，真空介電常數(shù)，則電容器的電容量為如果在δ、A、ε三個參數(shù)中保持其中的兩個不變，而只改變一個參數(shù)，則電容器的電容量將隨之發(fā)生變化。所以電容式傳感器可以分成三種類型：極距變化型（變δ）、面積變化型（變A）和介質(zhì)變化型（變ε）。

1）極距變化型

當(dāng)極距有微小變化dδ時，引起電容變化量dC為傳感器靈敏度為優(yōu)點：可進行動態(tài)非接觸式測量電容式傳感器2）面積變化型

保持電容器極板距離、介質(zhì)不變，僅改變極板間的相對覆蓋面積。則此中傳感器靈敏度為常數(shù)通常電容傳感器的覆蓋面積與線形位移間有良好的線性關(guān)系，故面積變化型傳感器有著良好的線性關(guān)系。3）介質(zhì)變化型

利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。常用于液位測量，或某些材料的厚度、溫度、濕度等參數(shù)的變化測量電容式傳感器1.電橋型電路2.直流極化電路3.諧振電路4.調(diào)頻電路5.運算放大器電路

2、測量電路

應(yīng)用：測量轉(zhuǎn)速電容式傳感器壓電式傳感器是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)將被測量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。1、壓電效應(yīng)某些物質(zhì)如石英，當(dāng)受到外力時，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面上有電荷出現(xiàn)，形成電場；當(dāng)外力消失時，材料又重新回復(fù)到原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

相反，如果這些物質(zhì)置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。（傳感和執(zhí)行）壓電式傳感器2、壓電材料常用的壓電材料大致分為三類：壓電單晶（機械強度好）、壓電陶瓷（壓電常數(shù)大）和有機壓電薄膜（可大量生產(chǎn)）。3、壓電傳感器及其等效電路

1）壓電傳感器可看作是電荷發(fā)生器，它又是一個電容器。壓電式傳感器壓電傳感器可以等效成與一個電容器并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個電壓源，如圖所示。2）等效電路壓電式傳感器4、測量電路

1.電壓放大器電路2.電荷放大器電路5、壓電式傳感器的特點及應(yīng)用特點：1.剛性好，固有頻率高2.靈敏度高且穩(wěn)定3.較好的線性，通常無滯后4.系統(tǒng)使用和調(diào)整方便應(yīng)用：

壓電式力傳感器壓電式加速度計壓電式傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的傳感器稱為電磁感應(yīng)式傳感器原理：基于電磁感應(yīng)定律：感應(yīng)電動勢取決于匝數(shù)W和磁通變化率dφ/dt，即1、動圈式當(dāng)線圈在磁場運動時所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為（線速度型）（角速度型）2、磁阻式物體運動——磁路磁阻改變——磁通變化——產(chǎn)生感應(yīng)電動勢

磁電式傳感器半導(dǎo)體有一個重要的特性是對光、熱、力、磁、氣體、溫度等理化量的敏感性。利用半導(dǎo)體材料的這些特性，作為非電量電測的轉(zhuǎn)換元件，是近代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的一個重要的方面。半導(dǎo)體的特點是他們是一些物性型傳感器，通常可以作成結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的器件，他們的功耗低、安全可靠、壽命長；他們對被測量敏感，響應(yīng)速度快；易于實現(xiàn)集成化。半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器種類：光敏傳感器、固態(tài)圖象傳感器、熱敏電阻、氣敏傳感器、濕敏傳感器、集成傳感器等等。1、分類

按照調(diào)制方式光纖傳感器可以分為強度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制四類。2、光纖傳感器原理當(dāng)光由大折射率的介質(zhì)射入小折射率的介質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時將出現(xiàn)全反射現(xiàn)象。光波以全反射方式沿光纖傳播。光纖傳感器3、傳感器的特點1）不受電磁干擾，電氣絕緣性能好，可在強電磁干擾下完成傳統(tǒng)的傳感器難以完成的某些參量的測量。2）光波傳輸無電能和電火花，不會引起被測介質(zhì)的燃燒和爆炸。而且耐高壓耐腐蝕。3）重量輕、體積小、可撓性好，可在狹小的空間使用4）具有良好的幾何形狀適應(yīng)性5）頻帶寬，動態(tài)范圍大，對被測對象不產(chǎn)生影響，利于提高精度6）利用現(xiàn)有的光通訊技術(shù)，易于實現(xiàn)遠距離測控根據(jù)測試目的和實際條件，合理的選用傳感器§4.4傳感器的基本特性及表征足夠的容量——傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定的過載能力。靈敏度高，精度適當(dāng)——即要求其輸出信號與被測信號成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定，可靠性好。使用性和適應(yīng)性強——體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態(tài)影響小；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)對接。使用經(jīng)濟——成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準(zhǔn)。

傳感器的基本特性傳感器的輸出-輸入關(guān)系特性是傳感器的基本特性，從誤差角度去分析輸出-輸入特性是測量技術(shù)所要研究的主要內(nèi)容之一。輸出-輸入特性雖是傳感器的外部特性，但與其內(nèi)部參數(shù)有密切關(guān)系。傳感器特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。衡量傳感器的特性又有靜態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)之分?！?.4.1靜態(tài)特性

傳感器在穩(wěn)態(tài)信號作用下，其輸出-輸入的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、零點漂移和溫度漂移等技術(shù)指標(biāo)，傳感器本身的特點、被測量及外界條件都可能影響這些技術(shù)指標(biāo)。

1.線性度

所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度。又稱為非線性誤差。?Lmax—輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差；

YFS—輸出滿量程值。實際上許多傳感器的輸出-輸入特性是非線性的，如果不考慮遲滯和蠕變效應(yīng)一般可用下列多項式表示輸出y與輸入x特性。其表達式如下：

y＝a0＋a1x＋a2x

2＋…＋an

x

n

a0—零位輸出；a1—傳感器線性靈敏度；a2，a3，…，an—待定常數(shù)。

1.線性度對于上式對應(yīng)三種特殊情況：（1）理想的線性特性

如圖（a）所示的直線，表達式變?yōu)?/p>

y=a1x

a1為常數(shù)，即為傳感器的靈敏度。（2）僅有偶次非線性項如圖（b）所示。其輸出-輸入特性方程為

y=a0+a2x2

+a4x4+…其線性范圍較窄，一般傳感器設(shè)計很少采用這種特性。（3）僅有奇次非線性項如圖（c）所示，其輸出－輸入特性方程式為：y=a1x

+a3x3+a5x5+…

具有這種特性的傳感器，一般在輸入量x相當(dāng)大的范圍內(nèi)具有較寬的準(zhǔn)線性。這是比較接近于理想直線的非線性特性。

在使用非線性特性的傳感器時，如果非線性項的方次不高，在輸入量變化范圍不大的條件下，可以用切線或割線等直線來近似地代表實際曲線的一段，如圖虛線所示。這種方法稱為傳感器非線性特性的“線性化”，所采用的直線稱為擬合直線。實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差，如圖中所示的?Lmax值，取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價非線性誤差（或線性度）的指標(biāo)。

輸出－輸入特性的非線性YFSyyyYFSYFSxmxmxmxxxΔLmaxΔLmaxΔLmax2.靈敏度

（a）傳感器的靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時，輸出增量Δy與輸入增量Δx的比值，對于線性傳感器，其靈敏度就是靜態(tài)特性的斜率，如圖（a）所示，即：而非線性傳感器的靈敏度是一個變量，如圖（b）所示，即用dy/dx表示傳感器在某一工作點的靈敏度。y0xyy0(a)x0(b)ΔxΔyyK=Δy/Δx靈敏度定義3.遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象

遲滯特性能表明傳感器在正向（輸入量增大）行程和反向（輸入量減?。┬谐唐陂g，輸出-輸入特性曲線不重合程度。

YFSyxXFS?Hmax遲滯現(xiàn)象0

對于同一大小的輸入信號x，在x連續(xù)增大的行程中，對應(yīng)某一輸出量為yi，在x連續(xù)減小過程中，對應(yīng)于輸出量為yd之間的差值叫滯環(huán)誤差，這就是遲滯現(xiàn)象，該誤差用?H表示為：?H＝|yi-yd|在整個測量范圍內(nèi)的最大滯環(huán)誤差用?Hmax表示，它與滿量程輸出值YFS的比值稱為最大滯環(huán)率δH，即：4.重復(fù)性

重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致的程度y重復(fù)性0△Rm1△Rm2yFSxFSx不重復(fù)性誤差屬隨機誤差性質(zhì)，重復(fù)性誤差為：其中σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，如果誤差服從高斯分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差可以按貝塞爾公式計算：

yi－某次測量值；－各次測量值的平均值，；n－測量次數(shù)。5.零點漂移

傳感器無輸入信號時，定時進行讀數(shù)，其輸出偏離零值，即為零點漂移，其值為：△Y0為最大零點偏差，Δt為零點漂移的時間。

6.溫度漂移

溫度漂移表示溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1℃，輸出最大偏差與滿量程的百分比表示，即：

△Y0輸出最大偏差，△YFS滿量程輸出，△T溫度變化范圍。

測量范圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量測量起始點不靈敏的程度。(如壓力傳感器）分辨率：指能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量，表明測試裝置分辨輸入量微小變化的能力。如：A/D轉(zhuǎn)換．穩(wěn)定性：是指在一定工作條件下，當(dāng)輸入量不變時，輸出量隨時間變化的程度?？煽啃裕菏桥c測試裝置無故障工作時間長短有關(guān)的一種描述。7靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述

傳感器的動態(tài)特性：輸入量隨時間變化時傳感器的響應(yīng)特性。動態(tài)誤差：實際的傳感器，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù),輸出與輸入間有差異。誤差原因：溫度傳感器的熱慣性（比熱容、質(zhì)量）和傳熱熱阻動態(tài)測溫

§4.4.2動態(tài)特性

傳感器的種類和形式很多，但它們的動態(tài)特性一般都可以用下述的n階微分方程來描述：式中，a0、a1、…,an,b0、b1、….,bm是與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的常系數(shù)。1、傳感器的基本動態(tài)特性方程a0y(t)=b0x(t)通常將該代數(shù)方程寫成

y(t)=kx(t)k=b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)

1）、零階系統(tǒng)

一階系統(tǒng)微分方程

上式通常改寫成為式中：τ——傳感器的時間常數(shù)，τ=a1/a0

k——傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k=b0/a02）、一階系統(tǒng)

二階系統(tǒng)的微分方程通常改寫為式中：k——傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k=b0/a0；ξ——傳感器的阻尼系數(shù)，

ωn——傳感器的固有頻率，3）、二階系統(tǒng)a0-γa2-m動態(tài)特性的傳遞函數(shù):在線性系統(tǒng)中初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。單位階躍響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號:階躍信號和脈沖信號。2、瞬態(tài)響應(yīng)特性:時域分析法t≤0t>0k=1一階傳感器微分方程為：當(dāng)單位階躍輸入輸入拉氏變換則輸出拉氏變換：拉氏反變換：

（1）、一階傳感器的單位階躍響應(yīng)圖:一階傳感器單位階躍響應(yīng)1、一階傳感器具有慣性2、t=4τ,認為達到穩(wěn)態(tài)3、τ越小，動態(tài)誤差小由圖

（1）、一階傳感器的單位階躍響應(yīng)（續(xù)）微分方程為設(shè)傳感器的靜態(tài)靈敏度k=1，其二階傳感器的傳遞函數(shù)為傳感器輸出的拉氏變換為（2）、二階傳感器的單位階躍響應(yīng)（2）、二階傳感器的單位階躍響應(yīng)（續(xù)）ξ＝1為臨界阻尼，響應(yīng)時間最短；

ξ>1為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但反應(yīng)遲鈍，動作緩慢，達到穩(wěn)態(tài)所需的時間較長；

ξ<1為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩(wěn)態(tài)所需的時間隨著ξ減少而加長。

ξ＝0，零阻尼，超調(diào)量為100％，產(chǎn)生等幅振蕩，達不到穩(wěn)態(tài)。頻率響應(yīng)法測量系統(tǒng)特性

優(yōu)點：簡單，信號發(fā)生器，雙蹤示波器就可以缺點：效率低3、頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性:傳感器對不同頻率正弦輸入信號的響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)法：幅值比和相位差。加速度(壓電)步進電機步進電機阻尼環(huán)(1)一階傳感器的頻率響應(yīng)

圖:一階傳感器頻率響應(yīng)特性一階系統(tǒng)是低通環(huán)節(jié),只<<1/時，幅頻響應(yīng)才接近于1截止頻率：幅值比下降到零頻率下倍時對應(yīng)的頻率幅頻特性相頻特性隨頻率增加誤差變大由圖幅頻特性相頻特性

（2）二階傳感器的頻率響應(yīng)曲線

設(shè)計傳感器時，應(yīng)使ξ<1，固有頻率ωn大于被測信號頻率的（3～5）倍

利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量（標(biāo)準(zhǔn)量），或用基準(zhǔn)量來確定傳感器電輸出量與非電輸入量之間關(guān)系的過程，稱為傳感器標(biāo)定。

1．傳感器標(biāo)定、校準(zhǔn)與檢定概念

傳感器或儀器在制造、裝配完畢后必須對設(shè)計指標(biāo)進行一系列試驗，進行全面檢測，確定其實際性能，這個稱之為標(biāo)定過程。

§4.5傳感器標(biāo)定§4.5.1傳感器標(biāo)定方法和內(nèi)容

經(jīng)使用一段時間（中國計量法規(guī)定一般為一年）或修理后，必須對其主要技術(shù)指標(biāo)再次進行檢測試驗，即校準(zhǔn)試驗，以確保其性能指標(biāo)達到要求。檢定必須嚴(yán)格按照檢定規(guī)程運作，對所檢儀器給出具有法律效應(yīng)合格或不合格的結(jié)論。2．傳感器標(biāo)定的方法與特點

標(biāo)定的基本方法是將已知的被測量（亦即標(biāo)準(zhǔn)量）輸入給待標(biāo)定的傳感器，同時得到傳感器的輸出量；對所獲得的傳感器輸入量和輸出量進行處理和比較，從而得到一系列表征兩者對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，進而得到傳感器性能指標(biāo)的實測結(jié)果。標(biāo)定系統(tǒng)分為絕對法標(biāo)定系統(tǒng)和比較法標(biāo)定系統(tǒng)。傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定兩種。

3.靜態(tài)標(biāo)定

確定傳感器靜態(tài)指標(biāo)，主要是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進行標(biāo)定的，主要用于檢驗、測試其靜態(tài)特性指標(biāo)。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件主要包括沒有加速度、振動、沖擊（除參數(shù)本身是被測量）及環(huán)境溫度（一般為室溫20℃±5℃）、相對濕度不大于85％、氣壓為（101±7）kPa等條件。一般的靜態(tài)標(biāo)定包括如下步驟：（1）將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點。

（2）根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大、逐點遞增輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄與各點輸入值相對應(yīng)的輸出值。（3）將輸入量值由大到小、逐點遞減，同時記錄下與各點輸入值相對應(yīng)的輸出值。（4）按上述步驟（2）、（3）所述過程，對傳感器進行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次（一般為3～10次）測試，將得到的輸出-輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線。（5）對測試數(shù)據(jù)進行必要處理。輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測出傳感器的輸出，給出標(biāo)定曲線、標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計算靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。4.動態(tài)標(biāo)定

傳感器的動態(tài)標(biāo)定就是通過實驗得到傳感器動態(tài)性能指標(biāo)，確定方法常常因傳感器的形式（如電的、機械的、氣動的等）不同而不完全一樣，但從原理上一般可分為階躍信號響應(yīng)法、正弦信號響應(yīng)法、隨機信號響應(yīng)法和脈沖信號響應(yīng)法等。1．靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備

傳感器靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備分類：力標(biāo)定設(shè)備（如測力砝碼、拉壓式測力計）、壓力標(biāo)定設(shè)備（如活塞式壓力計、水銀壓力計、麥?zhǔn)险婵沼嫞?、位移?biāo)定設(shè)備（如量塊、直尺等）、溫度標(biāo)定設(shè)備（如鉑電阻溫度計、鉑銠－鉑熱電偶、基準(zhǔn)光電高溫比較儀）等。（1）力標(biāo)定設(shè)備

1）測力砝碼我國基準(zhǔn)測力裝置是固定式裝基準(zhǔn)測力機，下圖采用杠桿式砝碼標(biāo)定裝置?！?.5.2常用傳感器標(biāo)定設(shè)備12341-支架2-傳感器3-杠桿4-砝碼

21341－傳感器2－工作活塞，3－液壓缸4－液體5－砝碼6－加力活塞7－測力液壓缸8－導(dǎo)管5678杠桿式砝碼標(biāo)定裝置液壓式測力機工作原理2）拉壓式（環(huán)形）測力計

環(huán)形測力計是一種標(biāo)準(zhǔn)推力標(biāo)定裝置，它由液壓缸產(chǎn)生測力，測出測力環(huán)變形量作為標(biāo)準(zhǔn)輸入?？梢杂酶軛U放大機構(gòu)和百分表結(jié)構(gòu)來讀測力環(huán)變形量，也可用光學(xué)顯微鏡讀取。若用光學(xué)干涉法讀取，則精度更高（2）壓力標(biāo)定設(shè)備1）活塞式壓力計

利用上圖的液壓式測力機原理和不同的結(jié)構(gòu)形式，再將傳感器受力由點改成面接觸結(jié)構(gòu)，就形成了活塞式壓力計，如下圖所示。其中，砝碼1經(jīng)油路產(chǎn)生的壓力作為標(biāo)準(zhǔn)壓力作用在待標(biāo)定的傳感器6上。1234567891-標(biāo)準(zhǔn)壓力表2-砝碼3-活塞4-進油閥5-油杯6-被標(biāo)傳感器7-針形閥8-手輪9-