傳感器原理與應(yīng)用概論

傳感器原理與應(yīng)用第一章概論概述1第一章概論電子信息科學(xué)的核心技術(shù)：信息采集——傳感與檢測技術(shù)信息傳遞——通信技術(shù)信息處理——計(jì)算機(jī)技術(shù)信息控制——自動(dòng)控制技術(shù)電子信息工程專業(yè)：涉及到全部四門技術(shù)。信號(hào)檢測、信號(hào)處理是電子信息工程專業(yè)的主要方向。傳感與檢測技術(shù)是信息科學(xué)的最前端技術(shù)，是信息技術(shù)的最重要基礎(chǔ)之一2傳感與檢測技術(shù)在工程信息檢測領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，主要研究：力、壓力、應(yīng)變、位移、液位、容量、溫度、濕度、速度、加速度、角度、角速度/轉(zhuǎn)速、流量、扭矩、心電、血液含氧量、血糖等，故又叫做非電量的電測技術(shù)。除此之外，我們還關(guān)心電量的檢測：電壓（包括超高壓、微弱電壓信號(hào)）、電流（包括大電流、微小電流）、功率因素、正弦信號(hào)波形的失真、各種非正弦信號(hào)的波形參數(shù)等。我們這門課不討論電信號(hào)的檢測，僅討論非電量的電測技術(shù)。有些非電物理量我們不用電的信息處理技術(shù)也能檢測與顯示——例如玻璃溫度計(jì)測量溫度——例如機(jī)械轉(zhuǎn)速表能夠測量轉(zhuǎn)速3——例如家里用的水表能夠計(jì)量用水量——波模式壓力表能夠測量并顯示氣體/液體壓力……但是，當(dāng)前的信息社會(huì)，我們主要用電路：模擬/數(shù)字電路來處理、傳輸、存儲(chǔ)信息。尤其當(dāng)前主要用計(jì)算機(jī)來處理信息、存儲(chǔ)信息、傳輸信息、實(shí)現(xiàn)控制操作——更多地使用數(shù)字化的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)。這樣，就需要將非電物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)——這是我們這門課的任務(wù)。當(dāng)然，電信號(hào)中的超高壓（大電流）、或微弱的電壓（電流）信號(hào)也需要轉(zhuǎn)換為信號(hào)處理電路能夠處理的范圍。但這不是我們這門課程的任務(wù)。4第一節(jié)傳感與檢測技術(shù)的基本概念非電量的電測方法是將待測非電量，通過特定的敏感元器件或裝置變換成相應(yīng)的電信號(hào)，這些電信號(hào)在經(jīng)過一定的測量電路或者信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、整形、轉(zhuǎn)換后，送入終端裝置進(jìn)行記錄、顯示、處理，即用電工或電子測量的方法實(shí)現(xiàn)非電量的檢測。非電量的電測技術(shù)是信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。5一、非電量電測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)典型組成如圖這個(gè)圖反映的是一般的非電量電測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)當(dāng)前普遍使用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理信息，故測量電路處理后一般送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)可以使各種形式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳感器測量電路指示儀表記錄儀表計(jì)算機(jī)非電量終端裝置6對(duì)于包含控制的非電量檢測，可以用下圖組成結(jié)構(gòu)來描述這個(gè)結(jié)構(gòu)反映的是與控制有關(guān)的非電量檢測系統(tǒng)7用傳感器實(shí)現(xiàn)非電信號(hào)獲取的電測技術(shù)又簡稱為感測技術(shù)。非電量電測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）測量靈敏度高，應(yīng)用廣泛（2）感測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)試方便（3）測量慣性小，反應(yīng)速度快、頻率特性好（4）可進(jìn)行無接觸測量和遠(yuǎn)程監(jiān)測，并有較好的測量精度（5）在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，具有很高的自動(dòng)測試程度，并向智能測試方向發(fā)展8二、傳感器概述1.定義GB7666—1987給出的傳感器定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能將敏感元件感受（或響應(yīng)）的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸（或）和測量的電信號(hào)部分。在許多情況下，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件分不開，是同一個(gè)元件92.傳感孩器的屢分類（1）按榮被測笑物理宗量分溫度肝傳感舞器、規(guī)壓力石傳感勞器、竊濕度么傳感喊器、限加速樣度傳向感器戶、速池度/轉(zhuǎn)速掉傳感菜器、掘位移息傳感趙器、傅顏色贏傳感字器、不磁傳傘感器嚷、……（2）按霸轉(zhuǎn)換仰原理暴分應(yīng)變著式傳深感器爆、電彼感式烏傳感漲器、澤電容呼式傳瓣感器寄、熱本電偶橫式傳事感器棟、磁斤電式摟傳感多器、晴光電務(wù)式傳令感器躺、壓奮電式壤傳感云器、裂電阻客式傳籮感器法、……10（3）按跨敏感軟元件殖的物煎理現(xiàn)家象分①惜結(jié)構(gòu)頑型傳箱感器——依賴較敏感志元件裂結(jié)構(gòu)摩參數(shù)岔的變嗽化實(shí)第現(xiàn)非數(shù)電物甩理量串的轉(zhuǎn)驗(yàn)換，例如廚：應(yīng)變炊電阻猴式傳登感器——應(yīng)變拾片變營形導(dǎo)拐致電著阻變柜化電容達(dá)式傳悟感器——結(jié)構(gòu)訊變化順導(dǎo)致痛電容禽量變住化電感殿式傳交感器——結(jié)構(gòu)宜變化蔥導(dǎo)致窄電感跨量變窮化②允物性嚼型傳訴感器——依賴注敏感怕原件攝物理去性質(zhì)槽的變弄化實(shí)騙現(xiàn)非感電量咬的轉(zhuǎn)摩換例如獸：熱電譽(yù)傳感毯器——熱電充阻，她溫度稍變化攝導(dǎo)致剪電阻項(xiàng)變化熱電史偶，功溫度煤變化咳導(dǎo)致萌熱電競勢變禽化光電佩傳感振器——光轉(zhuǎn)委換為文對(duì)應(yīng)最的電闊信號(hào)顏色氧傳感策器——顏色耍轉(zhuǎn)換風(fēng)為對(duì)鑼應(yīng)的帶電信播號(hào)壓電昏傳感相器——壓力稻轉(zhuǎn)換班為對(duì)技應(yīng)的篩電信濟(jì)號(hào)113.傳感龍器的余發(fā)展（1）新誘的敏芬感材家料（2）微蕩細(xì)加以工技城術(shù)微米世加工轉(zhuǎn)技術(shù)祖，主嗎要體境現(xiàn)在若：硅微均機(jī)械勸加工以激淺光精號(hào)密加摔工為晨主體露的超炒精密續(xù)機(jī)械稻加工共技術(shù)X射線祖深層秋光刻拋電鑄悄成型仗技術(shù)12（3）新鉗型傳惱感器包括孫汽車志領(lǐng)域蟲：發(fā)黑動(dòng)機(jī)熄的電化噴、背各種音車載甘傳感絹器環(huán)境制保護(hù)助領(lǐng)域吼：水道質(zhì)監(jiān)煌測、責(zé)大氣斯監(jiān)測機(jī)器彈人領(lǐng)容域：糠聽覺嚼、視貪覺、棵嗅覺庭、觸斤覺、男味覺醫(yī)療襪保健謝、人抖類智幣慧研件究領(lǐng)喝域：驢心電秋、腦傘電、…………（4）智爺能化循傳感院器傳感霞器、應(yīng)處理街電路逮、計(jì)胸算機(jī)輕融為校一體旗。13第二挑節(jié)翼傳泡感器谷的基沃本特紫性傳感頁器是挪一個(gè)歪二端矛口網(wǎng)開絡(luò)，騾其基財(cái)本特爭性指渾的是菜輸入亦信號(hào)貫與輸照出信呢號(hào)的勻?qū)?yīng)太關(guān)系窄。不同張的傳肅感器萌具有許不同旁的輸彈入輸絹出特趨性同一丹傳感食器適葉應(yīng)不獄同的偶被測蛇信號(hào)額呈現(xiàn)酸的特籌性也恒不完賣全相魯同14一、粉傳感右器的昂靜態(tài)擱特性指穩(wěn)敲態(tài)信懷號(hào)作制用下幸，傳侄感器揀輸出礎(chǔ)量與覺輸入支量之棄間的哀關(guān)系葵特性綱。1.線性堪度傳感畢器的距輸出漫量y與輸及入量x的關(guān)福系一退般可泳以表犬示為（1）理這想的黨線性策特性除a1外，橫其它ak=0恢(k淘≠1密)XY015（2）僅添有偶強(qiáng)數(shù)非找線性鋤項(xiàng)曲線厚沒有牙對(duì)稱假性，嗎可取凳的線框性范佛圍較福小傳感此器設(shè)例計(jì)時(shí)青，應(yīng)刪盡量駁避免帥出現(xiàn)速這種翁特性XY016（3）僅掩有奇販數(shù)非柱線性竭項(xiàng)曲線究以坐暖標(biāo)原擾點(diǎn)為俱對(duì)稱犯點(diǎn)，撐具有徒較大烘的線塑性范唉圍差動(dòng)論傳感態(tài)器一塔般具爹有這裙種輸鴉出特獸性XY017對(duì)于臭差動(dòng)休傳感啦器，伶如果邁一側(cè)可見詠，傳邊感器直差動(dòng)眠方式來輸出傳可以轎改善既線性芒特性虹，同島時(shí)使?fàn)庉敵鲚喠吭銎沾?倍。則另憤一側(cè)差動(dòng)苗輸出18對(duì)于維非線傍性程贈(zèng)度不排大的果傳感由器，印通常勿用曲游線的喇割線立、切覆線、臭或某氣種其芬他直親線來省近似集代表艙實(shí)際找曲線窗的一釀段——叫做脹傳感波器非鍬線性協(xié)的線更性化郵?！枚喑佣握廴ゾ€近頸似表闖示一居條曲拳線——分段租線性螞化192.靈敏熟度——傳感旁器在吊穩(wěn)態(tài)恒時(shí)輸理出量局與輸富入量尸之比忌值。ΔyΔxyx靈敏回度對(duì)于阻非線垂性傳訴感器共，曲僅線上惹每一跨段靈簡敏度公不一疲樣是常貨數(shù)對(duì)于點(diǎn)線性訂特性窮傳感裙器203.遲滯跑性——傳感土器在帖正（萌輸入源量增麥大）研、反授（輸橫入量猴減小豆）行倡程期菊間，堵輸出備和輸煩入特后性曲呢線不尸重合棋的程盟度。yx正反用最惠大正雷反向泳偏差Δm與滿潤量程懸輸出YF_猴S之比娘表示.21磁性出材料隱的特猾性曲通線具季有這糖種特斤性另外米，具撈有運(yùn)蛇動(dòng)機(jī)杰構(gòu)的池傳感監(jiān)器，風(fēng)由于衣摩擦斗、間叛隙、涂元件奔磨損矮等原辣因，探會(huì)出嘩現(xiàn)遲炮滯特備性yx正反224.重復(fù)挽性——輸入褲量按滾同一割方向疤作全翁量程愛連續(xù)糟多次巧測試白時(shí)，蛙所得舌輸出鍵和輸觀入特掉性曲牧線的肯補(bǔ)重俘合程刑度。δ—椅—重復(fù)利性誤燙差Σ—探—標(biāo)準(zhǔn)坊誤差.235.精度——反映貴傳感泄器系艇統(tǒng)誤嘩差和桃隨機(jī)謎誤差的的綜睡合誤教差指陰標(biāo)，橡即準(zhǔn)歲確度靜和精騙密度民的綜弄合偏岸差程鞏度。Δx——在規(guī)守定量倒程范衰圍內(nèi)寨的最歪大誤慢差去掉鳳百分幕號(hào)所壩得的欲值，淡表示黑儀表紹的精喂度等永級(jí)。0.屈00奶5級(jí)、0.務(wù)1級(jí)、0.沉5級(jí)、1.塌0級(jí)、1,普5級(jí)、2.構(gòu)0級(jí)、2.鞏5級(jí)24二、激傳旗感器隸的動(dòng)祖態(tài)特含性反映史傳感們器對(duì)策于隨淋時(shí)間杠變化愧的輸忘入量較的相響應(yīng)特移性?；蛘咛琳f，用當(dāng)傳掉感器搜的輸賤入量曬發(fā)生鋸變化兆時(shí)，訪輸出論量隨野時(shí)間霞的變岔化特賀性。251.傳感醒器的筍數(shù)學(xué)享模型由于盤存在引彈性饅、慣華性、捆阻尼厚、遲旗滯等中，傳不感器銹的輸生入輸凱出之到間不隊(duì)是簡斤單的碌跟隨鵝關(guān)系低，要谷建立王準(zhǔn)確歉的傳雷感器憐數(shù)學(xué)赴模型務(wù)是困云難的擾。常將驚系統(tǒng)廉近似逝看做旺線性長定常名系統(tǒng)喝，用哄常系把數(shù)線雄性微嗓分方避程建國立傳鬼感器承模型線性睛系統(tǒng)遲具有勸兩個(gè)牢十分稀重要魄的特導(dǎo)性：疊加襲性埋和頻稠率?？喑中?6疊加汽性：當(dāng)系汗統(tǒng)由復(fù)多個(gè)沉輸入點(diǎn)信號(hào)遙激勵(lì)披時(shí)，燥輸出內(nèi)的響紫應(yīng)等腰于各查個(gè)輸閣入信失號(hào)單務(wù)獨(dú)激鍵勵(lì)作蛇用的面響應(yīng)猴之和銳。對(duì)于除激勵(lì)xJ，響麥應(yīng)為yJ對(duì)于定激勵(lì)響應(yīng)27頻率桑保持濃性：線性潑系統(tǒng)工穩(wěn)態(tài)抓響應(yīng)別時(shí)，蠟輸出頭信號(hào)倒的頻躲率保潑持與搖輸入率信號(hào)晨的頻侵率相恐同。28公式冰（1-廉10）的購求解風(fēng)比較活困難擔(dān)。在工類程中跌，雖特然傳絕感器葛種類浩和形久式很指多，話但其爸結(jié)構(gòu)重常數(shù)bi中，匠除b0外，b1心=b浪2=圣..病=bm=0紛.一般戒，傳元感器杰都可見以簡些化為布一階旬、二躬階系跳統(tǒng)。292.時(shí)域夫響應(yīng)（1）績一階格傳感落器工程瓶上一饅般將碰其變摟換為Τ為時(shí)盡間常伐數(shù)——階躍虧激勵(lì)朽，輸興出到粒達(dá)穩(wěn)苦態(tài)輸半出63詠.2殼%所需周要的貸時(shí)間K為靜赤態(tài)靈都敏度0.6320.8650.9500.9820.9932ττ3τ4τ5τ30用傳酬遞函瘋數(shù)表銷示一般斗取K=考131（2）遇二階惜傳感詠器特性熱可以歷用二悉階微類分方燦程描壟述。工程哀上一嬸般變次換為念。32用傳守遞函弱數(shù)表尺示二階巡壽傳感簽器對(duì)巡壽單位陸階躍漢激勵(lì)周的響米應(yīng)與似阻尼覽系數(shù)ξ和固炕有頻暢率ω0有關(guān)讓。阻尼稻系數(shù)ζ和固縣有頻房誠率ω0由傳歸感器涼結(jié)構(gòu)破參數(shù)肚決定償。ω0大，涌傳感圈器響琴應(yīng)快ξ=母0，等緣瑞幅振慈蕩；ξ<疤1,欠阻杰尼，資衰減老振蕩異，耐有超努調(diào)ξ=暫1,臨界憐阻尼逆，響憐應(yīng)無擱震蕩絨無超駝?wù){(diào)，漿達(dá)到擾穩(wěn)態(tài)聯(lián)所需約時(shí)間怒最短ξ>樹1,過阻棟尼，朋響應(yīng)文無振遞蕩無們超調(diào)適，達(dá)身到穩(wěn)斯態(tài)所箭需時(shí)賞間較永長33實(shí)際獸上很體難做燃到ξ=1工程捆上，沃一般寧設(shè)計(jì)術(shù)為欠翼阻尼始狀態(tài)取ξ=0魯.6銷~0劣.8，這消時(shí)超桃調(diào)量2.鴿5%嗚~1仙0%之間久。曲線革見教吧材P1飄2圖1-屈834（3）時(shí)關(guān)域特缺性指協(xié)標(biāo)①時(shí)易間常灘數(shù)階躍瘋輸入禿下，榨傳感角器輸袖出量鍬上升堆到穩(wěn)膠態(tài)值是的63勁.2材%所需洞要的凡時(shí)間倦。②上咽升時(shí)退間tr階躍盆輸入昌下，州傳感禁器輸那出量黃從穩(wěn)妻態(tài)值10杯%上升飲到穩(wěn)稠態(tài)值臟的95渣%所需賊要的清時(shí)間補(bǔ)。③延須遲時(shí)宜間tS階躍判輸入勾下，帥傳感忙器輸揚(yáng)出達(dá)鐘到穩(wěn)恭態(tài)值50編%所需歉要的趣時(shí)間④超欠調(diào)量σ階躍迫輸入既下，逢傳感捏器輸堵出的婚最大伐值與發(fā)穩(wěn)態(tài)舟值之陳比。353.傳感鉛器的海頻率賴特性（1）意一階悅傳感窯器幅頻億特性相頻業(yè)特性曲線淡見教更材P1獲3圖1-望9時(shí)間皮常數(shù)馳越小漆，頻山率響啄應(yīng)越灑好，ωτ稅≈1，輸兄出輸短入呈利線性納關(guān)系糾，且餡相位陶差很杯小，甩傳感吳器輸多出能熟真實(shí)暫反映母輸入等信號(hào)36（2）二意階傳盒感器幅頻喘特性相頻改特性頻率亭特性砌曲線瞞見教梅材P.壁14圖1-艙10繼.37三、法傳感爐器的調(diào)標(biāo)定——指的晨是利梅用較折高等末級(jí)的睡標(biāo)準(zhǔn)似器具果對(duì)傳將感器竿的特肺性進(jìn)成行刻習(xí)度。傳感釘器在噸使用累前，宇一定圓要進(jìn)告行標(biāo)她定傳感紛器在臥使用概過程票中，若要定萬期進(jìn)秒行檢販查校撇驗(yàn)。購買聰?shù)臉?biāo)忌準(zhǔn)傳敏感器童在出野廠前枕經(jīng)過柱標(biāo)定閘。381.傳感井器靜薪態(tài)特后性的因標(biāo)定用于凱標(biāo)定