非電量測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

非電量測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)第一頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日6.1傳感器概述6.1.1傳感器的定義傳感器是一種以一定精確度把被測(cè)量（非電量）轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系、便于應(yīng)用的某種物理量（電量）的測(cè)量裝置。含義：傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；它的輸入量是某一被測(cè)量，如物理量、化學(xué)量、生物量等；它的輸出是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量。輸出與輸入間有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且有一定的精確度。第二頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日6.1.2傳感器的組成敏感元件：它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。轉(zhuǎn)換電路：將上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，并轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器組成框圖

第三頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日6.1.3傳感器分類廣泛采用的分類方法有以下幾種:按工作機(jī)理，分為物理型、化學(xué)型、生物型等。按構(gòu)成原理，分為結(jié)構(gòu)型、物性型兩大類。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律構(gòu)成的，包括力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)的電磁定律等。這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的性能與它的結(jié)構(gòu)材料沒有多大關(guān)系，如差動(dòng)變壓器。物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如歐姆定律等。物性型傳感器的性能隨材料的不同而異，如光電管、半導(dǎo)體傳感器等。第四頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日傳感器分類按能量轉(zhuǎn)換情況，分為能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型。能量控制型傳感器在信息變換過程中，其能量需外電源供給。如電阻、電感、電容等電路參量傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器，主要是由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)等原理構(gòu)成的傳感器。按物理原理，可分為電參量式傳感器（包括電阻式、電感式、電容式等基本型式）、磁電式傳感器（包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等）、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、波式傳感器（包括超聲波式、微波式等）射線式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、其它原理的傳感器（如振弦式和振筒式傳感器等）。按照使用來(lái)分類，可分為位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器，溫度傳感器等。第五頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日6.2傳感器的特性6.2.1傳感器的靜態(tài)特性1.線性度2.靈敏度3.遲滯4.重復(fù)性5.零點(diǎn)漂移7.溫漂8．靜態(tài)標(biāo)定6.2.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性1.瞬態(tài)響應(yīng)特性2.頻率響應(yīng)特性第六頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日1.線性度感器的輸出-輸入特性一般可用下列多項(xiàng)式表示實(shí)際特性曲線與擬合直線間偏差稱傳感器非線性誤差。取最大值與輸出滿度值之比作為評(píng)價(jià)指標(biāo):式中：x被測(cè)量，y輸出；a0為零位輸出，a1為傳感器靈敏度；a2….an為非線性項(xiàng)系數(shù)。第七頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日2.靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化量Δy與引起此變化的輸入變化量Δx之比,用k表示，即:(a)線性傳感器(b)非線性傳感器表征傳感器輸入量變化的反應(yīng)能力，一般希望傳感器靈敏度高，在量程范圍內(nèi)恒定，輸入、輸出特性為直線。第八頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日3.遲滯實(shí)驗(yàn)方法確定，用最大輸出差值ΔHmax對(duì)滿量程輸出YFS的百分比表示，即

傳感器在正、反行程（上升、下降）期間，其輸入-輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯（滯環(huán)）。原因：儲(chǔ)能（彈性元件）、運(yùn)動(dòng)器件摩擦等。第九頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日死區(qū)死區(qū)：死區(qū)效應(yīng)，例如傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 的摩擦和間隙實(shí)際上升曲線和實(shí)際 下降曲線不重合儀表輸入小到一定范圍后 不足以引起輸出的任何變 化死區(qū)效應(yīng)分析第十頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日4.重復(fù)性指在同一工作條件下，輸入量按同一方向做全量程多次變化，所得特性的不一致。屬于隨機(jī)誤差，常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，也用正、反行程中的最大偏差表示:或：第十一頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日5.零點(diǎn)漂移傳感器無(wú)輸入時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值，即為零點(diǎn)漂移。

零漂＝

第十二頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日6.溫漂溫漂表示溫度變化時(shí)，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:溫漂＝第十三頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日7.靜態(tài)標(biāo)定標(biāo)定概念：利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生的已知非電量作為傳感器輸入，測(cè)量傳感器輸出，然后與標(biāo)準(zhǔn)量比較而獲得系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線的過程。在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，無(wú)加速度、振動(dòng)、沖擊，環(huán)境溫度、濕度、大氣壓一般要求。標(biāo)定的基準(zhǔn)儀器要至少比被標(biāo)定傳感器精度高一個(gè)等級(jí)。第十四頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日靜態(tài)標(biāo)定步驟將傳感器全量程（測(cè)量范圍）分成若干等間距點(diǎn)；根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；將輸入值由大到小地減少，記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；按⑵、⑶所述過程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程多次測(cè)試，一般是3次，將得到的輸出－輸入數(shù)據(jù)用表格或曲線表示出來(lái)；對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行，就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。第十五頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日6.2.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性指在測(cè)量隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)非電量時(shí)傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系，即傳感器的輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的反應(yīng)能力。在研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，將大多數(shù)傳感器簡(jiǎn)化為一階或二階系統(tǒng)；同時(shí)，可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。第十六頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日1.瞬態(tài)響應(yīng)特性一階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階傳感器的單位階躍響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo)第十七頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日一階傳感器的單位階躍響應(yīng)設(shè)x(t)和y(t)

分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時(shí)間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào)時(shí)，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為則一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為積分環(huán)節(jié)第十八頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日一階傳感器單位階躍響應(yīng)傳感器存在慣性，初始上升斜率1/τ，響應(yīng)速率隨時(shí)間增加而減慢，當(dāng)t=4τ時(shí)，輸出接近穩(wěn)態(tài)。τ越小，響應(yīng)曲線越接近輸入階躍曲線。第十九頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日二階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階傳感器的傳遞函數(shù)為在單位階躍信號(hào)作用下，傳感器輸出的拉氏變換為

化簡(jiǎn)為：第二十頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日ζ＝０，無(wú)阻尼，超調(diào)量為100%，產(chǎn)生等幅振蕩，達(dá)不到穩(wěn)態(tài)。ζ＞1，為過阻尼，無(wú)超調(diào)也無(wú)振蕩，但反應(yīng)遲鈍、動(dòng)作緩慢，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長(zhǎng)。ζ＜1，為欠阻尼，衰減振蕩，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間隨ζ的減小而加長(zhǎng)。ζ＝１，臨界阻尼，時(shí)響應(yīng)時(shí)間最短。在實(shí)際使用中，為了兼顧有短的上升時(shí)間和小的超調(diào)量，一般傳感器都設(shè)計(jì)成欠阻尼式的，阻尼比ζ一般取在0.6~0.8之間。臨界阻尼第二十一頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo)一階傳感器的性能指標(biāo)是時(shí)間常數(shù)τ，τ越小，響應(yīng)速度越快。二階傳感器的性能指標(biāo)如圖表示，各指標(biāo)定義如下：①上升時(shí)間tr

輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時(shí)間。②調(diào)整時(shí)間ts系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。③峰值時(shí)間tp階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需時(shí)間。④超調(diào)量σ傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值ΔA，常用相對(duì)于穩(wěn)態(tài)值的百分比σ表示。穩(wěn)態(tài)第二十二頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日2.頻率響應(yīng)特性一階傳感器的頻率特性:

將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用jω代替，即可得到頻率特性表達(dá)式幅頻特性

相頻特性

第二十三頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日二階傳感器的頻率特性二階傳感器的頻率特性表達(dá)式、幅頻特性、相頻特性分別為:第二十四頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日頻率響應(yīng)特性指標(biāo)工作頻帶傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，稱為傳感器的工作頻帶，對(duì)應(yīng)有上、下截止頻率。第二十五頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日3.動(dòng)態(tài)標(biāo)定輸入：階躍變化信號(hào)和正弦變化信號(hào)。階躍變化信號(hào)：即以一個(gè)已知的階躍信號(hào)激勵(lì)傳感器，使傳感器按自身的固有頻率振動(dòng)，并記錄下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而確定其動(dòng)態(tài)特性。正弦變化信號(hào)：以一個(gè)振幅和頻率均為已知、可調(diào)的正弦信號(hào)激勵(lì)傳感器，根據(jù)記錄的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性。第二十六頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日一階傳感器的單位階躍響應(yīng)一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為令，則上式可變?yōu)榭梢愿鶕?jù)測(cè)得y(t)值作z-t曲線，從Δt/Δz，獲得時(shí)間常數(shù)τ。一階傳感器時(shí)間常數(shù)的求法

為便于分析響應(yīng)結(jié)果，得到可靠時(shí)間常數(shù)第二十七頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日二階傳感器（ζ<1）的階躍響應(yīng)二階傳感器（ζ<1）的單位階躍響應(yīng)為或二階傳感器（ζ<1）的階躍響應(yīng)測(cè)得M后，可求得阻尼比。第二十八頁(yè)，共三十頁(yè)，2022年，8月28日