第1章傳感器的基本概念

1溫濕度、露點探頭、CO2探頭、大氣壓力傳感器濕度傳感器濕度傳感器2紅旗轎車焊裝生產(chǎn)線隧道鑿巖機器人單能機器人：生產(chǎn)用的自動機械式（加工、組裝、檢驗）檢測臂的位置和角度傳感器3智能機器人：判斷能力視覺傳感器、觸覺傳感器足球機器人迎賓機器人4《泰坦尼克》中用于水下探測的“鄧肯”號機器人5第一章傳感器的基本概念主要內(nèi)容1、傳感器的定義與組成2、傳感器的分類3、傳感器的技術(shù)特點4、傳感器的數(shù)學(xué)模型概述5、傳感器的基本特性6信息處理電信電話科技測試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機床機器人家用電器照相機汽車飛機船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機械能利用貨幣金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量傳感器技術(shù)對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著重要的作用。7第一節(jié)傳感器的定義與組成一、傳感器的定義

對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的有用輸出信號的元器件或裝置。四層含義：（1）傳感器是一種測量器件或裝置（2）“確定的被測量信息”：非電量物理量化學(xué)量生物量電量8（3）“某種可用信號輸出”把外界非電量信息轉(zhuǎn)換成與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置?！请娏侩姕y技術(shù)把外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成光信號輸出的器件。（4）“轉(zhuǎn)換”：傳感器、變換器、變送器、換能器、轉(zhuǎn)換器、探測器

把特定的被測量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。工業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)輸出信號能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效率9二、傳感器的組成敏感元件輔助電路轉(zhuǎn)換元件被測信息有用非電量有用電量信號調(diào)節(jié)電路輸出信息例如：大噸位電容式稱重傳感器彈性體極板支架絕緣材料定極板動極板被測非電量：外界壓力敏感元件：彈性體有用非電量：極板間距變化傳感元件：電容傳感器有用電量：電容量C1011傳感元件輸入輸出（1）P型特點：不需要外能源，輸出電量較弱例如：熱電偶傳感器溫度場的能量（熱量）電量ABTT’①②12（2）A型、B型傳感元件輸入輸出能源傳感元件輸入輸出輔助能源

A型B型特點：不需要變換電路，有較大電量輸出例如:霍爾電磁感應(yīng)式傳感器被測量：磁場輔助能源：激勵電流BIUHBACDbdLxyz13（3）C型輸入輸出能源變換回路傳感元件特點：通過帶外電源的變換電路，才能獲得有用的電量輸出輸入輸出能源變換回路傳感元件傳感元件（4）D型14輸入輸出能源變換回路傳感元件傳感元件（5）E型輸入量：反向轉(zhuǎn)換環(huán)境干擾量：正向轉(zhuǎn)換測量電路15（6）F型輸入輸出能源變換回路傳感元件傳感元件環(huán)境影響16第二節(jié)

傳感器的分類物理量、化學(xué)量、生物量傳感器結(jié)構(gòu)型、物性型、復(fù)合型傳感器分類方法按工作機理：按被測量：按敏感材料：按能量的關(guān)系：其它分類法：按用途分類、科目分類、功能分類、輸出信號的性質(zhì)分類半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、高分子材料、金屬傳感器能量轉(zhuǎn)換型（有源傳感器）能量控制型（無源傳感器）17結(jié)構(gòu)型與物性型傳感器的比較結(jié)構(gòu)型傳感器的特性主要由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。物性型傳感器主要由構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)決定。18第三節(jié)傳感器的技術(shù)特點內(nèi)容范圍廣且離散知識密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高功能優(yōu)、性能好品種繁多、應(yīng)用廣泛19描述傳感器輸入–輸出關(guān)系的方法：

數(shù)學(xué)模型基本特性指標(biāo)被測輸入量靜態(tài)量準(zhǔn)靜態(tài)量動態(tài)量第四節(jié)傳感器的數(shù)學(xué)模型概述靜態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)數(shù)學(xué)模型20一、傳感器的靜態(tài)模型1.代數(shù)方程x——輸入量；y——輸出量；a0——零位輸出；a1——傳感器的靈敏度：K、S；a2……an——非線性項待定常數(shù)。靜態(tài)條件代數(shù)方程特性曲線條件：不考慮傳感器滯后、蠕變情況下212.特性曲線22二、傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1.微分方程微分方程傳遞函數(shù)條件：線性定常系統(tǒng)動態(tài)模型23一階環(huán)節(jié)一階傳感器二階環(huán)節(jié)二階傳感器零階環(huán)節(jié)零階傳感器比例環(huán)節(jié)、無慣性環(huán)節(jié)242.傳遞函數(shù)定義：初始條件為零時，輸出量（響應(yīng)函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（激勵函數(shù)）拉普拉斯變換之比。拉氏變換：25簡寫為：兩邊取拉氏變換：輸出量拉氏變換輸入量拉氏變換傳遞函數(shù)：26特點：（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與x(t)無關(guān)。（2）X(s)、Y(s)、H(s)

知二求一（3）相同的傳遞函數(shù)可以表征不同物理系統(tǒng)H(s)X(s)Y(s)（4）通過實驗求傳遞函數(shù)27（5）多環(huán)節(jié)串并聯(lián)的傳感器系統(tǒng)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)

Hn(s)n個環(huán)節(jié)串聯(lián)n個環(huán)節(jié)并聯(lián)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)

Hn(s)28第五節(jié)傳感器的基本特性一、靜態(tài)特性1.線性度（非線性）傳感器的輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度。

——輸入量和輸出量實際曲線與擬合直線間的最大偏差

YF.S——輸出滿量程值選定擬合直線的過程，就是傳感器的線性化過程。實際曲線292.靈敏度與電源電壓有關(guān)：位移傳感器：1V,1mm,100mV靈敏度：100(mV/mm·V)非線性傳感器線性傳感器=常數(shù)303.重復(fù)性傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次測試時，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。貝賽爾公式：Δm1Δm2重復(fù)性誤差314.遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象傳感器在正、反行程，輸入-輸出曲線的不重合程度?！鱩——正反行程輸出的最大差值

YF.S——滿量程輸出量

5.分辨率(力）分辨力：能檢測出的輸入量的最小變化量分辨率：分辨力/滿量程輸入值326.穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性有效期7.漂移零點漂移、靈敏度漂移時間漂移（時漂）、溫度漂移（溫漂）外界干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化。8.精度（靜態(tài)誤差）測量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度表示重復(fù)某個讀數(shù)的能力，誤差愈小，則傳感器的精度愈高。33二、動態(tài)特性輸入標(biāo)準(zhǔn)信號階躍函數(shù)正弦函數(shù)指數(shù)函數(shù)沖擊函數(shù)動態(tài)誤差輸出穩(wěn)定后與理想輸出量的誤差輸入量躍變，輸出量在過渡狀態(tài)的誤差階躍響應(yīng)法（時域）頻率響應(yīng)法（頻域）1、傳感器的動態(tài)特性和誤差概念2.階躍響應(yīng)3.頻率響應(yīng)特性4.傳感器頻率響應(yīng)分析舉例341、比較結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。2、舉例說明傳感器在家用電器中的應(yīng)用。35時間常數(shù)一階傳感器系統(tǒng)1.階躍響應(yīng)單位階躍信號36二階傳感器系統(tǒng)上升時間Tr響應(yīng)時間Ts超調(diào)量a1峰值時間Tp延滯時間Td衰減率穩(wěn)態(tài)誤差37例1-8熱電偶傳感器測溫過程中的動態(tài)誤差分析。環(huán)境溫度T0被測液體溫度TT>T0*例1-9傳感器動態(tài)特性的軟件補償——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償法。補償濾波器：——所設(shè)計濾波器的實際輸出——所設(shè)計濾波器的期望輸出38學(xué)習(xí)算法：權(quán)值調(diào)整：灰塵傳感器：補償濾波器：均方誤差小于等于0.001392.頻率響應(yīng)輸入信號輸出信號頻率響應(yīng)特性：輸入頻率變化、幅值相等的正弦信號，輸出信號幅值與輸入頻率的關(guān)系：幅頻特性輸出信號相位與輸入頻率的關(guān)系：相頻特性

40相頻特性頻率響應(yīng)函數(shù)指數(shù)形式：幅頻特性其中，動態(tài)靈敏度、增益41對數(shù)幅頻特性曲線通頻帶其中，0dB水平線是理想的零階系統(tǒng)的幅頻特性423.一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)微分方程（1）頻率響應(yīng)特性分析時間常數(shù)靜態(tài)靈敏度拉氏變換傳遞函數(shù)43頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論：越小，頻率響應(yīng)特性越好。44階躍函數(shù)