傳感器理論基礎(chǔ)改

傳感器理論基礎(chǔ)改第1頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1.1傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置。第2頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三包含的概念：①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；②它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出與輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。第3頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖3-1傳感器的組成3.1.2傳感器的組成和分類組成敏感元件：直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的物理量轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出第4頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三12435圖3－2應(yīng)變式加速度傳感器1－應(yīng)變梁2－質(zhì)量塊3－應(yīng)變片4－殼體TT0AB3.1傳感器的組成和分類圖3-3熱電偶第5頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分類按被測(cè)參數(shù)分：溫度、壓力、位移、速度等按工作原理分：應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等按傳感器的能源分類:有源傳感器和無(wú)源傳感器第6頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2傳感器的基本特性在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中,要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制,就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并不失真地變換成相應(yīng)的電量——基本特性傳感器的基本特性通常分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性，亦即輸出對(duì)輸入變化的動(dòng)態(tài)跟隨能力。第7頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3傳感器的一般特性3.3.1靜態(tài)特性傳感器靜態(tài)輸入、輸出關(guān)系一般可表示為：第8頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3傳感器的一般特性3.3.1靜態(tài)特性1.靈敏度2.線性度3.遲滯4.重復(fù)性5.漂移第9頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.靈敏度靈敏度——單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化。第10頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.線性度(Line)(1)線性度是指？（輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度）(2)關(guān)于擬合:(3)數(shù)學(xué)表達(dá)式其中為最大非線性絕對(duì)誤差；為滿量程輸出直線擬合線性化非線性誤差或線性度輸出量輸入量零點(diǎn)輸出理論靈敏度非線性項(xiàng)系數(shù)第11頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖3-5幾種直線擬合方法

(a)理論擬合；(b)過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；(c)端點(diǎn)連線擬合；(d)端點(diǎn)平移擬合

第12頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.遲滯(Hold)遲滯——傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。數(shù)學(xué)表達(dá)式其中為最大遲滯誤差產(chǎn)生的原因？（傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷）第13頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖3-6遲滯特性3.遲滯(Hold)第14頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.重復(fù)性(Repeat)重復(fù)性——傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。數(shù)學(xué)表達(dá)式其中為最大重復(fù)性偏差圖3-7重復(fù)特性第15頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.漂移傳感器的漂移——輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化。產(chǎn)生的原因？（傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；周圍環(huán)境）溫度漂移其中為測(cè)試溫度下的輸出；為20℃時(shí)的輸出；，h的單位是小時(shí)。第16頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三零點(diǎn)漂移

傳感器在無(wú)輸入時(shí)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間后其輸出量發(fā)生的變化，長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移零漂＝式中ΔY0——最大零點(diǎn)偏差；YFS——滿量程輸出。第17頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三課堂練習(xí)(例3-1)

有一位移測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)位移在0～5mm的范圍進(jìn)行了兩個(gè)循環(huán)的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如下：以輸出的平均值求端點(diǎn)連線擬合直線，問(wèn)靈敏度和線性度、遲滯、重復(fù)性誤差各是多少？（mm）012345(mV)0510152025上行程049142025下行程0510162125上行程0510151925下行程051116202504.751015.252025第18頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三解:擬合直線由(0，0)和(5，25)兩個(gè)端點(diǎn)確定,直線方程為y=5x比較線性化后的(xi，yi)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出與實(shí)際測(cè)得的輸出，最大線性度誤差為ΔLmax=ΔL1=ΔL2=…=1mV則線性誤差為靈敏度為課堂練習(xí)(例3-1)

第19頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三最大遲滯誤差發(fā)生在第一循環(huán)測(cè)量xi=3mm處，為ΔHmax=ΔH3=2mV則遲滯誤差為對(duì)比上行程之間、下行程之間各點(diǎn)的輸出偏差，最大重復(fù)性誤差ΔRmax=1mV則重復(fù)性誤差為課堂練習(xí)(例3-1)第20頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3.2動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。例：動(dòng)態(tài)測(cè)溫6第21頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三---相當(dāng)于一個(gè)勻速加載過(guò)程統(tǒng)計(jì)意義---概率分布、均值與方差等表示典型動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)③正弦信號(hào)A---振幅（常數(shù)）①階躍信號(hào)②斜坡信號(hào)載荷由A0瞬時(shí)加載到A并維持在這個(gè)水平④隨機(jī)信號(hào)＝2f

---角頻率第22頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三傳感器基本動(dòng)態(tài)特性方程傳感器的動(dòng)態(tài)特性一般用下述微分方程來(lái)描述：零階系統(tǒng)（又稱比例系統(tǒng)）

完全跟蹤，無(wú)滯后一階系統(tǒng)（又稱慣性系統(tǒng)）二階系統(tǒng)幾個(gè)重要參數(shù)

第23頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三動(dòng)態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說(shuō)，我們?cè)谘芯總鞲衅鲃?dòng)特性時(shí)，通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來(lái)考察傳感器的響應(yīng)的。瞬態(tài)響應(yīng)特性——用得較多的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)頻域響應(yīng)特性——輸入為正弦信號(hào)第24頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.瞬態(tài)響應(yīng)特性（1）一階傳感器的單位階躍響應(yīng)對(duì)于一個(gè)階躍輸入：得一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)傳感器存在慣性，值是一階傳感器重要的性能參數(shù)一階傳感器單位階躍響應(yīng)第25頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.瞬態(tài)響應(yīng)特性（2）二階傳感器的單位階躍響應(yīng)

過(guò)阻尼、欠阻尼、臨界阻尼二階傳感器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)曲線在很大程度上取決于阻尼比ξ和固有角頻率ωn圖3-10二階傳感器單位階躍響應(yīng)第26頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.瞬態(tài)響應(yīng)特性（2）①當(dāng)ξ=0時(shí)，響應(yīng)是一個(gè)等幅振蕩過(guò)程,稱為無(wú)阻尼狀態(tài)；②當(dāng)ξ>1時(shí),響應(yīng)是一個(gè)不振蕩的衰減過(guò)程,稱為過(guò)阻尼狀態(tài)；③當(dāng)ξ=1時(shí)，響應(yīng)也是一個(gè)不振蕩的衰減過(guò)程,但是一個(gè)由不振蕩衰減到振蕩衰減的臨界過(guò)程,故又稱為臨界阻尼狀態(tài)；④當(dāng)0<ξ<1時(shí)，響應(yīng)是一個(gè)衰減振蕩過(guò)程,又稱為欠阻尼狀態(tài)圖3-10二階傳感器單位階躍響應(yīng)第27頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)(1)時(shí)間常數(shù)τ——τ越小，響應(yīng)速度越快。(2)延遲時(shí)間td——傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時(shí)間。(3)上升時(shí)間tr——傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。(4)超調(diào)量σ——傳感器輸出超過(guò)穩(wěn)態(tài)值的最大值。(5)超調(diào)時(shí)間tp——傳感器輸出超過(guò)穩(wěn)態(tài)值達(dá)到最大值的時(shí)間。第28頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖3-11動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)(a)一階傳感器；(b)二階傳感器第29頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性——傳感器對(duì)不同頻率成分的正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性一階傳感器的頻率響應(yīng)幅頻特性：相頻特性：值是一階傳感器頻率響應(yīng)的重要性能參數(shù)第30頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖3-12一階傳感器的幅頻和相頻響應(yīng)曲線3.頻率響應(yīng)特性第31頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.頻率響應(yīng)特性二階傳感器的頻率響應(yīng)幅頻特性其中ωn是傳感器的固有頻率，ω是被測(cè)信號(hào)頻率相頻特性第32頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二階傳感器的頻率響應(yīng)特性好壞主要取決于傳感器的固有頻率ωn和阻尼比ξ。當(dāng)ξ<1,ωn?ω時(shí),A(ω)≈1,Φ(ω)很小,此時(shí),傳感器的輸出y(t)再現(xiàn)了輸入x(t)的波形。通常固有頻率ωn至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率ω的3～5倍,即ωn≥（3～5）ω。圖3-13二階傳感器的幅頻和相頻響應(yīng)曲線第33頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)(1)通頻帶ω0.707——指?jìng)鞲衅髟趯?duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減小于3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍,即輸出幅頻響應(yīng)的幅值降至?xí)r的頻帶寬。(2)工作頻帶ω0.95/ω0.90——指?jìng)鞲衅鞯姆嫡`差為±5%(或±10%)時(shí)的工作頻率帶寬，即輸出幅頻響應(yīng)的幅值保持在一定值內(nèi)的頻率范圍。第34頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)(3)時(shí)間常數(shù)τ(4)固有頻率ωn(5)相位誤差(6)跟隨角Φ0.707第35頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例3-2有一個(gè)溫度傳感器，其響應(yīng)曲線如圖3-14所示，被測(cè)介質(zhì)溫度T1與傳感器示值溫度T2之間的關(guān)系為其中，τ0=120s。當(dāng)介質(zhì)溫度從25℃突升至300℃時(shí)，試確定從溫度突變時(shí)候起，350s后傳感器的示值溫度。4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)第36頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖3-14溫度傳感器的響應(yīng)曲線4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)第37頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三解：傳感器在題意狀態(tài)是一種階躍響應(yīng)。傳感器為一階，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程為溫度突變幅值為t=350s時(shí)的輸出為4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)第38頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定義：是指利用較高等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具(或儀器、儀表)對(duì)傳感器的特性進(jìn)行刻度標(biāo)定，或者說(shuō)通過(guò)試驗(yàn)建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時(shí)，通過(guò)標(biāo)定也可確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。意義：(1)在投入使用前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，以確定輸入/輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系及相關(guān)的誤差等性能指標(biāo)。(2)在使用過(guò)程中定期進(jìn)行檢查，以判斷其性能參數(shù)是否偏離初始標(biāo)定的性能指標(biāo)，確定是否需要重新標(biāo)定或停止使用。分類：靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定5.傳感器的標(biāo)定

第39頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.傳感器靜態(tài)特性標(biāo)定

傳感器靜態(tài)標(biāo)定的過(guò)程如下：1.將傳感器全量程標(biāo)準(zhǔn)輸入量分成若干個(gè)間斷點(diǎn)，取各點(diǎn)的值作為標(biāo)準(zhǔn)輸入值。2.由小到大一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)值，待輸出穩(wěn)定后記錄與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。3.由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)值，待輸出穩(wěn)定后記錄與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。4.按步驟2和3所述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試，將所得輸入和輸出數(shù)據(jù)用表格列出或畫(huà)出曲線。5.對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析和處理，以確定該傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)。第40頁(yè)，共43頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例如，S型拉力傳感器因其具有較高的可靠性和較低的成本，通常用于標(biāo)準(zhǔn)稱重，如平臺(tái)秤