傳感器原理及應(yīng)用第一章

檢測(cè)就是去認(rèn)識(shí)科學(xué)家西門(mén)子（W.Ven.Siemens）傳感器與測(cè)試技術(shù)主講：趙華

機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院第一章概述教學(xué)目的與要求：要求學(xué)生了解傳感器的地位和作用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì);

理解傳感器的定義、組成和分類(lèi)方法;掌握傳感器的靜、動(dòng)態(tài)基本特性。教學(xué)重點(diǎn)：傳感器的基本特性教學(xué)難點(diǎn)：動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)

測(cè)試技術(shù)就是采用一定的科學(xué)手段來(lái)獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理各種信息的技術(shù)，包含測(cè)量和試驗(yàn)兩個(gè)方面。在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、文化教育、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域都起著相當(dāng)重要的作用。測(cè)試技術(shù)是：國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”

科學(xué)研究的“先行官”

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的“戰(zhàn)斗力”

法庭審判的“物化法官”

測(cè)試是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)量。

試驗(yàn)是對(duì)未知事物探索認(rèn)識(shí)的過(guò)程。

測(cè)量是為確定被測(cè)對(duì)象量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。門(mén)捷列夫：科學(xué)是從測(cè)量開(kāi)始的一、測(cè)試技術(shù)的基本概念

完成測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱兩類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)中的測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)控制中的測(cè)試系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)/位移傳感器＋測(cè)速、測(cè)振儀轉(zhuǎn)速控制/調(diào)節(jié)二、測(cè)試系統(tǒng)的組成①狀態(tài)檢測(cè)中的測(cè)試系統(tǒng)典型組成：傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理、顯示與記錄測(cè)試對(duì)象傳感器信號(hào)調(diào)理顯示/記錄電源數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理信號(hào)處理傳感器

一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)（通常是電信號(hào)）輸出的器件和裝置常用的渦流探頭＋前置器加速度傳感器力傳感器智能式壓力變送器信號(hào)調(diào)理

對(duì)（傳感器輸出的）信號(hào)進(jìn)行變換、隔離、濾波、放大、驅(qū)動(dòng)等，以便進(jìn)一步傳輸和處理高阻輸入、低阻輸出規(guī)范輸出B&K

測(cè)量放大器2525放大、自動(dòng)量程低通和高通濾波器（用戶自定義）通道：1輸入電荷量：≤104pC增益：1-1000mV/pC輸出：±5V濾波單元信號(hào)處理

對(duì)來(lái)自信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)的信號(hào)，進(jìn)行各種運(yùn)算、分析，并輸出結(jié)果模擬信號(hào)處理運(yùn)算：微分、積分、對(duì)數(shù)

數(shù)字信號(hào)處理信號(hào)量化編程處理：信號(hào)分析顯示記錄

以觀察者易于識(shí)別的形式來(lái)顯示測(cè)量的結(jié)果，或者將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)②自動(dòng)控制中的測(cè)試系統(tǒng)

將測(cè)量結(jié)果輸入到控制計(jì)算機(jī)，以進(jìn)行控制運(yùn)算，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其運(yùn)行于預(yù)期的狀態(tài)測(cè)控對(duì)象控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元電源傳感器信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集

顯示記錄數(shù)據(jù)處理測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)處理計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)例傳感技術(shù)是自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的第一基礎(chǔ)。眼（視覺(jué)）

耳（聽(tīng)覺(jué)）

鼻（嗅覺(jué)）皮膚（觸覺(jué)）

舌（味覺(jué)）感知外界信息→大腦→肌體人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較三、傳感器的定義人的體力和腦力勞動(dòng)通過(guò)感覺(jué)器官接收外界信號(hào)，將這些信號(hào)傳送給大腦，大腦把這些信號(hào)分析處理傳遞給肌體。如果用機(jī)器完成這一過(guò)程，計(jì)算機(jī)相當(dāng)人的大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)人的肌體，傳感器相當(dāng)于人的五官和皮膚。傳感器是人體感官的補(bǔ)充和延伸，有人又稱“電五官”。

傳感器外界信息感官大腦肌體計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器的定義:廣義：

傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。狹義：

能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/7665—2005）對(duì)傳感器（Sensor/transducer）定義是：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置.①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；②輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。以上定義表明傳感器有以下含義：按使用的場(chǎng)合不同又稱為:發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭

傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成：敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本電路電量輸出被測(cè)量四、傳感器的組成

實(shí)際上，有些傳感器很簡(jiǎn)單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。

敏感元件感受被測(cè)量;

轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量;

基本電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量;傳感器分類(lèi)方法較多,大體有以下幾種：

1）

按傳感器檢測(cè)的范疇分類(lèi)物理量傳感器化學(xué)量傳感器生物量傳感器２）按傳感器的輸出信號(hào)分類(lèi)模擬傳感器數(shù)字傳感器五、傳感器的分類(lèi)４）按傳感器的功能分類(lèi)單功能傳感器多功能傳感器智能傳感器３）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類(lèi)結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器復(fù)合型傳感器++++++

壓電式傳感器是一種可逆型換能器，機(jī)械能電能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。

加速度計(jì)6）按傳感器的能源分類(lèi)有源傳感器無(wú)源傳感器５）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類(lèi)機(jī)—電傳感器光—電傳感器熱—電電傳感器磁—電傳感器電化學(xué)傳感器國(guó)標(biāo)制定的傳感器分類(lèi)體系表將傳感器分為：物理量、化學(xué)量、生物類(lèi)傳感器三大門(mén)類(lèi)；含12個(gè)小類(lèi)：力學(xué)量、熱學(xué)量、光學(xué)量、磁學(xué)量、電學(xué)量、聲學(xué)量、射線、氣體、離子、溫度傳感器以及生化量、生理量傳感器。各小類(lèi)按兩個(gè)層次又分若干品種

構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是：傳感器技術(shù)（信息采集）；通信技術(shù)（信息傳輸）；計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）；它們?cè)谛畔⑾到y(tǒng)中分別起到

“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。

在利用信息的過(guò)程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。

六、傳感器的應(yīng)用及發(fā)展1、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長(zhǎng)時(shí)間的天體演化、短的瞬間反應(yīng)。超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、弱磁場(chǎng)等極端技術(shù)研究。傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)。

●1665年虎克利用光學(xué)顯微鏡觀察軟木栓，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞，促進(jìn)了生物學(xué)的發(fā)展；●愛(ài)因斯坦：通過(guò)實(shí)驗(yàn)于1905年提出了狹義相對(duì)論；1915年提出了廣義相對(duì)論；大家知道，當(dāng)時(shí)的相對(duì)論并未被世人承認(rèn)，直到50年后的天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)才證實(shí)了相對(duì)論的正確性；中央控制☆高性能傳感器的集合體——“阿波羅10”（3295個(gè)檢測(cè)點(diǎn)）溫度傳感器559個(gè)壓力傳感器140個(gè)信號(hào)傳感器501個(gè)遙控傳感器142個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的靈魂是傳感技術(shù)

☆一架飛機(jī)需要3600只傳感器及其配套的監(jiān)測(cè)儀器

☆一輛汽車(chē)需要30～150只傳感器及其配套的監(jiān)測(cè)儀器機(jī)電工程中的應(yīng)用

1)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)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。

廣州中鳴數(shù)碼機(jī)器狗在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。

2)AGV（AutomatedGuidedVehicle）

自動(dòng)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；紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車(chē)位置識(shí)別；條形碼傳感器，貨品識(shí)別

香港理工AGV模型選擇刀桿垂直方向的振動(dòng)加速度作為原始特征信號(hào)，用加速度傳感器拾取。3）生產(chǎn)加工過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析切削過(guò)程刀具磨損的狀態(tài)識(shí)別機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析BA頻譜分析－低通濾波器1000Hz417.9未切削時(shí)的頻譜開(kāi)始切削后的頻譜切削時(shí)間增加，刀具有磨損刀具有磨損更多01002003004005006007008009001000051015202530417.9f/HzS(

f

)0100200300400500600700800051015202530398.4S(

f

)f/Hz01002003004005006007008009001000051015202530417.9328.1S(

f

)f/Hz01002003004005006007008009001000051015202530417.978.1S(

f

)f/Hz常見(jiàn)故障：質(zhì)量不平衡軸彎曲不對(duì)中摩擦油膜渦動(dòng)松動(dòng)裂紋點(diǎn)蝕斷齒裂紋轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測(cè)距傳感器、紅外接近開(kāi)關(guān)傳感器等密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠4）流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（溫度、壓力、流量、液位、濃度等)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程，通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄漏檢測(cè)5）產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量

在汽車(chē)、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。

圖示為汽車(chē)出廠檢驗(yàn)原理框圖，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。汽車(chē)扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量6）樓宇控制與安全防護(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)，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紅外人體探測(cè)器7）家庭與辦公自動(dòng)化

在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測(cè)試技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。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

醫(yī)療診斷

最新濕度測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域

紡

織

品精確的

煙草烘干木材烘干

芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性紙

品專(zhuān)為您的需求所設(shè)計(jì)的濕度傳感器煙氣測(cè)量NOXNO+NO2dustsootH2SH2OHC

C-totalCO2

COO2

HCNHClHFNH3

SO2

鼠標(biāo):光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡

PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用

傳感器發(fā)展趨勢(shì)：

20世紀(jì)70年代以來(lái)以電量為輸出的傳感器得到飛速發(fā)展，現(xiàn)代傳感器已是測(cè)量?jī)x器、智能化儀表、自動(dòng)控制系統(tǒng)等裝置必不可少的感知元件。幾十年來(lái)傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)方面：

1.提高與改善傳感器的技術(shù)指標(biāo)；

2.尋找新原理、新材料、新工藝。2、傳感器技術(shù)的發(fā)展

(一)改善傳感器的性能的技術(shù)途徑

為改善傳感器性能采用多種技術(shù)途徑：

差動(dòng)技術(shù)；平均技術(shù)；補(bǔ)償修正技術(shù)；隔離抗干擾抑制、穩(wěn)定性處理等等。1．差動(dòng)技術(shù)差動(dòng)技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動(dòng)技術(shù)，還可使靈敏度增大。

2．平均技術(shù)

在傳感器中普遍采用平均技術(shù)可產(chǎn)生平均效應(yīng)，其原理是利用若干個(gè)傳感單元同時(shí)感受被測(cè)量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個(gè)單元可能帶來(lái)的誤差均可看作隨機(jī)誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為δΣ=±δ/√n式中n—傳感單元數(shù)。

可見(jiàn)，在傳感器中利用平均技術(shù)不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號(hào)量，即增大傳感器靈敏度。3．補(bǔ)償與修正技術(shù)

補(bǔ)償與修正技術(shù)的運(yùn)用大致針對(duì)兩種情況：★針對(duì)傳感器本身特性★針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境對(duì)于傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測(cè)出其大小和方向，采用適當(dāng)?shù)姆椒右匝a(bǔ)償或修正。針對(duì)傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也是提高傳感器精度的有力技術(shù)措施。不少傳感器對(duì)溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必要時(shí)可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費(fèi)用太高，或使用現(xiàn)場(chǎng)不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補(bǔ)償又常常是可行的。這時(shí)應(yīng)找出溫度對(duì)測(cè)量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補(bǔ)償措施。補(bǔ)償與修正，可以利用電子線路（硬件）來(lái)解決，也可以采用微型計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。4．屏蔽、隔離與干擾抑制

傳感器大都要在現(xiàn)場(chǎng)工作，現(xiàn)場(chǎng)的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關(guān)性能。為了減小測(cè)量誤差，保證其原有性能，就應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界因素對(duì)傳感器的影響。其方法有：

減小傳感器對(duì)影響因素的靈敏度降低外界因素對(duì)傳感器實(shí)際作用的程度

對(duì)于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對(duì)于如溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分離或抑制，減小其影響。

5．穩(wěn)定性處理

在使用傳感器時(shí)，若測(cè)量要求較高，必要時(shí)也應(yīng)對(duì)附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)行老化處理。

提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對(duì)材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。

造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時(shí)間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。

傳感器作為長(zhǎng)期測(cè)量或反復(fù)使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過(guò)精度指標(biāo)，尤其是對(duì)那些很難或無(wú)法定期標(biāo)定的場(chǎng)合。目前傳感器總的發(fā)展趨勢(shì)是：

（1）

發(fā)展、利用新效應(yīng)；（2）

開(kāi)發(fā)新材料；（3）

提高傳感器性能和檢測(cè)范圍；（4）

微型化與微功耗；（5）

集成化與多功能化；（6）

傳感器的智能化；（7）

傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

該課程主要講授把各種幾何量、機(jī)械量以及其他有關(guān)轉(zhuǎn)換成電量的各種傳感器，包括基本轉(zhuǎn)換電路和電測(cè)方法。

傳感器是與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密相連的一門(mén)學(xué)科，涉及到機(jī)、光、電等多方面知識(shí)。傳感器與生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)研究的關(guān)系十分密切，這些決定了該課程綜合性、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。

七、本課程的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容基礎(chǔ)知識(shí)定義、分類(lèi)發(fā)展趨勢(shì)選用原則一般特性傳感器原理測(cè)試技術(shù)溫度傳感器磁敏傳感器光電傳感器應(yīng)變傳感器電感傳感器電容傳感器壓電傳感器其他傳感器多傳感器融合檢測(cè)電路現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)課程主要內(nèi)容傳感器的工作原理、檢測(cè)電路及其典型應(yīng)用穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動(dòng)電磁場(chǎng)線性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響

輸出衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)八、傳感器的特性靜態(tài)特性只是動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)特例。

靜態(tài)特性:當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)，輸出與輸入之間的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性:當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。

x(t)h(t)

y(t)

輸入（激勵(lì)）傳感器特性

輸出（響應(yīng)）其中：a0，a1，…，an和b0，b1，…，bm均為常數(shù)，則稱該系統(tǒng)為定常線性系統(tǒng)或時(shí)不變線性系統(tǒng)。傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來(lái)描述。

傳感器輸入X輸出Y

理想的傳感器應(yīng)該具有單值的、確定的輸入－輸出關(guān)系。對(duì)于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對(duì)應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸出和輸入成線性關(guān)系最佳。一般情況下，由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動(dòng)等各種因素以及外界條件的影響，輸出輸入不會(huì)符合所要求的線性關(guān)系，且輸出輸入對(duì)應(yīng)關(guān)系的唯一確定性也不能實(shí)現(xiàn)。xy線性xy線性xy非線性例：余弦信號(hào)通過(guò)非線性系統(tǒng)（二極管），則輸出被整流，其頻率成分被改變。輸出信號(hào)yx0y(t)|X()|0|Y()|020非線性系統(tǒng)特性輸入信號(hào)tx(t)（一）傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo)

當(dāng)輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的信號(hào)時(shí)（如溫度、壓力），討論傳感器的靜態(tài)特性，輸入輸出關(guān)系稱靜態(tài)特性。靜態(tài)特性指標(biāo)包括：線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度、穩(wěn)定性等等

y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn靜態(tài)測(cè)量：理想線性系統(tǒng)：y=(b0/a0)x=Sx

y與x是單調(diào)、線性、比例關(guān)系實(shí)際線性系統(tǒng)：靜態(tài)特性：在靜態(tài)測(cè)量的情況下，描述實(shí)際測(cè)試裝置與理想定常線性系統(tǒng)

的接近程度。靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得。為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。這時(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理。1．線性度

在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，傳感器靜態(tài)特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示：式中：y—輸出量；x—輸入量；a0—零點(diǎn)輸出；

a1—理論靈敏度；a2、a3、…、an—非線性項(xiàng)系數(shù)。

各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn

傳感器的線性度(非線性誤差)通常用相對(duì)誤差表示：YXYiXiLmaxY=kx+bΔLmax一最大非線性誤差；

yFS—滿量程輸出線性度γL—在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來(lái)線性化。各種直線擬合方法0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合若實(shí)際測(cè)試點(diǎn)有n個(gè)，則第i個(gè)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即Δi=yi-(kxi+b)然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。最小二乘法求取的擬合直線擬合精度最高，也是最常用的方法。

0yx⊿HmaxyFS遲滯特性式中△Hmax—正反行程間輸出的最大差值。傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。2．遲滯（回程誤差）一個(gè)電子秤稱重加砝碼10g---50g---100g---200g電橋輸出0.5mv---2mv---4mv---10mv減砝碼輸出1mv---5mv---8mv---10mv

回程誤差是由遲滯現(xiàn)象產(chǎn)生的，即由于裝置內(nèi)部的彈性元件、磁性元件的滯后特性以及機(jī)械部分的摩擦、間隙、灰塵積塞等原因造成的。yx0⊿Rmax2⊿Rmax1傳感器輸入量按同一方向作多次測(cè)量時(shí)，輸出特性不一致的程度?！鱎max1正行程的最大重復(fù)性偏差，△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。3．重復(fù)性重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即當(dāng)特性曲線呈非線性關(guān)系時(shí)，靈敏度的表達(dá)式為：xxyyy△y△y△x△x00(a)(b)x4、靈敏度：測(cè)試系統(tǒng)對(duì)輸入量變化反應(yīng)的能力輸入x有一個(gè)變化量?x，它引起系統(tǒng)輸出y發(fā)生相應(yīng)的變化量?y，則定義靈敏度對(duì)于理想的定常線性系統(tǒng)，靈敏度為靈敏度的量綱：輸出量綱/輸入量綱（如：V/mm，V/℃，mV/℃，mV/g）

靈敏度越高越敏感，易受干擾5．分辨力與閾值分辨力——指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。分辨率——分辨力與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。閾值——在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力。

6．穩(wěn)定性表示傳感器在一較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力。溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟认螺敵隽堪l(fā)生的變化?？垢蓴_穩(wěn)定性指?jìng)鞲衅鲗?duì)外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動(dòng)的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場(chǎng)干擾的能力等。表示法：重復(fù)性的數(shù)值差/觀測(cè)時(shí)間例如：2.1mV/8h、1％F.S/Y

7．靜態(tài)誤差取2σ或3σ值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對(duì)誤差來(lái)表示，即

靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差,看成是隨機(jī)分布,求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差,即靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。yi—各測(cè)試點(diǎn)的殘差；

n一測(cè)試點(diǎn)數(shù)。與精度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度(精度)8、精度準(zhǔn)確度：說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志。精密度：說(shuō)明測(cè)量傳感器輸出值的分散性，精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志。精確度：是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高。（a）準(zhǔn)確度高而精密度低（b）準(zhǔn)確度低而精密度高（c）精確度高

工作溫度-196～+200℃測(cè)量范圍0.001～800MPa重復(fù)性0.5～1%FS靈敏度0.2～1000PC/MPa非線性0.3～1%FS遲滯1%FS固有頻率75～500kHz溫度漂移0.02～0.5%FS/℃加速度靈敏度0.01～100MPa/g靈敏度溫度系數(shù)0.02～0.5%/℃壓電式加速度傳感器常見(jiàn)性能參數(shù)（二）傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)

當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí),如:加速度、振動(dòng)等，討論傳感器的動(dòng)態(tài)特性。這時(shí)被測(cè)量是時(shí)間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。用時(shí)域法表示成：

用頻域法表示為：

動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鬏敵鰧?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。除理想狀態(tài)，多數(shù)傳感器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的，輸出信號(hào)一定不會(huì)與輸入信號(hào)有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸入輸出之間的差異就是動(dòng)態(tài)誤差；

例：動(dòng)態(tài)測(cè)溫

水溫T℃熱電偶環(huán)境溫度To℃T＞To時(shí)間響應(yīng)和頻率響應(yīng)是動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)出的重要特征1．傳遞函數(shù)拉普拉斯變換微分特性測(cè)試系統(tǒng)輸入X（t）輸出Y（t）傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)的物理意義：1）傳遞函數(shù)反映了測(cè)量系統(tǒng)的固有特性，不隨輸入信號(hào)、輸出信號(hào)的變化而變化；2）不同類(lèi)型的測(cè)量系統(tǒng)可用同一種形式的傳遞函數(shù)表達(dá)。3）傳遞函數(shù)與微分方程等價(jià)。

2.頻率響應(yīng)函數(shù)

對(duì)于穩(wěn)定的常系數(shù)線性系統(tǒng)，可用傅里葉變換代替拉氏變換

稱為頻率響應(yīng)函數(shù)，簡(jiǎn)稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。頻率響應(yīng)是傳遞函數(shù)的一個(gè)特例，是在頻域?qū)鞲衅鱾鬟f信息特性的描述。

頻率響應(yīng)函數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)函數(shù)，可表示為：其中

——系統(tǒng)的幅頻特性

——系統(tǒng)的相頻特性

——幅頻特性曲線

——相頻特性曲線

H（jω）=P（ω）+jQ（ω）

H（jω）=A（ω）ejφ(ω)

對(duì)數(shù)幅頻特性曲線：20logA()(dB)-log

對(duì)數(shù)相頻特性曲線：()-log實(shí)際用伯德圖（Bode）一階系統(tǒng)的Bode圖-40-20020L()/dB-20dB/dec()/-90o-450

依次用不同頻率fi的簡(jiǎn)諧信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)測(cè)出激勵(lì)和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差φi。依據(jù)：頻率保持性若x(t)=Acos(ωt+φx)

則y(t)=Bcos(ωt+φy)用頻率響應(yīng)函數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是它可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)求得。頻率響應(yīng)函數(shù):直觀的反映了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同頻率成分輸入信號(hào)的扭曲情況。

從系統(tǒng)最低測(cè)量頻率fmin到最高測(cè)量頻率fmax，逐步增加正弦激勵(lì)信號(hào)頻率f，記錄下各頻率對(duì)應(yīng)的幅值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性。

幅頻、相頻特性分別表征系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)中各個(gè)頻率分量幅值的縮放能力和相位角前后移動(dòng)的能力。A(i)=Yi/Xi,(i)=iA()動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度3、脈沖響應(yīng)函數(shù)

若裝置的輸入為單位脈沖δ(t)，因δ(t)的拉普拉斯變換為1，傅立葉變換為1，因此裝置的輸出y（t）的拉普拉斯變換是H（s），即

Y（s）=H（s），或y（t）=L-1[H（S）]=h（t）

h（t）稱為裝置的脈沖響應(yīng)函數(shù)或權(quán)函數(shù)。脈沖響應(yīng)函數(shù)可視為系統(tǒng)特性的時(shí)域描述。動(dòng)態(tài)特性：傳遞函數(shù)——復(fù)數(shù)域描述頻響函數(shù)——頻域描述脈沖響應(yīng)函數(shù)——時(shí)域描述h(t)H(s)H()傅里葉變換拉普拉斯變換s=j高階系統(tǒng)的分解其中，。

任何一個(gè)高于二階的系統(tǒng)都可以看成是若干個(gè)一階和二階系統(tǒng)的并聯(lián)或串聯(lián)，一階和二階系統(tǒng)是分析和研究高階、復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)。串聯(lián)環(huán)節(jié)H1(s)H2(s)Hn(s)X(s)X1(s)X2(s)Xn-1(s)Y(s)...H(s)H(s)=H1(s)H2(s)···

Hn(s)X(s)Y(s)并聯(lián)環(huán)節(jié)Y(s)H1(s)+X(s)H2(s)++Hn(s)...H(s)X(s)Y(s)H(s)=H1(s)+H2(s)++Hn(s)4、典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(1)零階傳感器正弦輸入時(shí)的頻率響應(yīng)在零階傳感器中，只有a0與b0兩個(gè)系數(shù)，微分方程為a0y=b0xK——靜態(tài)靈敏度

零階傳感器的輸入量無(wú)論隨時(shí)間如何變化，其輸出量總是與輸入量成確定的比例關(guān)系。在時(shí)間上也不滯后，幅角等于零，如電位器傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時(shí)，都可以近似地當(dāng)作零階系統(tǒng)處理。(2)一階傳感器溫度酒精濕度（2）一階傳感器一階系統(tǒng)微分方程的通式式中：——具有時(shí)間的量綱，稱為系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，一般記為τ——系統(tǒng)的靈敏度s，具有輸出/輸入的量綱。

在討論任意測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，令=1

則τ=c/k一階傳感器的傳遞函數(shù)頻率特性幅頻特性相頻特性頻率響應(yīng)

頻率特性幅頻特性

相頻特性（特征：滯后）一階系統(tǒng)在時(shí)間常數(shù)ωτ<<1才近似零階系統(tǒng)特性，A（ω）≈k,φ（ω）≈0;輸出y(t)反映輸入x(t);

當(dāng)ωτ=1時(shí)，傳感器靈敏度下降了3dB，此時(shí)的頻率為工作頻率上限，即上限頻率為1/τ，所以時(shí)間常數(shù)τ越小，上限頻率越高，工作頻率越寬，響應(yīng)越好；實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)試的條件

設(shè)測(cè)試系統(tǒng)的輸出y(t)與輸入x(t)滿足關(guān)系

y(t)=A0x(t-t0)

該系統(tǒng)的輸出波形與輸入信號(hào)的波形精確地一致，只是幅值放大了A0倍，在時(shí)間上延遲了t0而已。這種情況下，認(rèn)為測(cè)試系統(tǒng)具有不失真的特性。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)時(shí)域條件

y(t)=A0x(t-t0)Y(jω)=A0e-jωt0X(jω)

不失真測(cè)試系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性應(yīng)分別滿足

A(ω)=A0=常數(shù)

φ(ω)=-t0ω做傅立葉變換

頻域條件脈沖響應(yīng)一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)

一階傳感器的階躍響應(yīng)

暫態(tài)響應(yīng)是指數(shù)函數(shù)，輸出曲線逐漸達(dá)到穩(wěn)定；理論上t—∞時(shí)才能達(dá)到穩(wěn)定，時(shí)間常數(shù)τ越小越好，是反映一階傳感器的重要參數(shù)；實(shí)際運(yùn)用時(shí)t=4τ時(shí)工程上認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定；由曲線看出它與動(dòng)態(tài)測(cè)溫相似，所以動(dòng)態(tài)測(cè)溫是典型的一階系統(tǒng)。

（3）二階傳感器加速度典型二階測(cè)量系統(tǒng)的微分方程通式為傳遞函數(shù)：

頻率響應(yīng)函數(shù)：幅頻特性：相頻特性：頻率響應(yīng)

式中:——測(cè)量系統(tǒng)的固有圓頻率彈簧－質(zhì)量－阻尼系統(tǒng)式中——測(cè)量系統(tǒng)的阻尼比系數(shù)二階傳感器幅頻與相頻特性（a）幅頻特性（b）相頻特性

當(dāng)ξ→0時(shí)，在ω/ωn=1處A(ω)趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著ξ的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。當(dāng)ξ≥0.707時(shí)，不再出現(xiàn)諧振，這時(shí)A(ω)將隨著ω/ωn的增大而單調(diào)下降。頻率響應(yīng)特性取決于固有頻率

阻尼比二階傳感器幅頻與相頻特性（a）幅頻特性（b）相頻特性當(dāng)ξ<0.707,且

ω/ωn<<1時(shí)，幅值A(chǔ)(ω)≈1，

φ（ω）≈0；

ω在（0.3ωn，2.5ωn）區(qū)間：一般來(lái)說(shuō)，在ζ>0.6～0.8時(shí)，可以獲得較為合適的綜合特性。當(dāng)ζ=0.7O7時(shí)，在0～0.58ωn的頻率范圍內(nèi)，A（ω）的變化不超過(guò)

5％，同時(shí)φ(ω)也接近于直線。允許的測(cè)量誤差±ε%最佳阻尼比ζ可用頻率范圍ω/ωn±100．540～1.028±50．590～0.867±20．630～0.692±10．660～0.585最佳阻尼比：0.6～0.8；實(shí)際可用頻率范圍0～0.6ωn與不同誤差相對(duì)應(yīng)的最佳阻尼比和可用頻率范圍二階傳感器的階躍響應(yīng)其中

特征：振蕩根據(jù)阻尼比ξ大小可分四種情況：1.ξ=0，零阻尼等幅振蕩，產(chǎn)生自激永遠(yuǎn)達(dá)不到穩(wěn)定；2.ξ<1，欠阻尼衰減振蕩達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間隨ξ下降加長(zhǎng)；3.ξ=1臨界阻尼，響應(yīng)時(shí)間最短；4.ξ>1過(guò)阻尼，穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。

實(shí)際取值稍有一點(diǎn)欠阻尼調(diào)整,ξ取0.6—0.8

過(guò)沖量不太大，穩(wěn)定時(shí)間不太長(zhǎng)。

定義：測(cè)量系統(tǒng)輸出信號(hào)波形與輸入信號(hào)波形相比有畸變動(dòng)態(tài)測(cè)量允許誤差動(dòng)態(tài)誤差是頻率的函數(shù)頻率越高，動(dòng)態(tài)誤差越大一般只規(guī)定、研究幅值誤差系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差:示例設(shè)有一階測(cè)量裝置其時(shí)間常數(shù)為0.1秒，問(wèn)：輸入信號(hào)頻率為多少時(shí)其輸出信號(hào)的幅值誤差不大于6%？這時(shí)輸出信號(hào)的滯