第一章 傳感器的概念及特性

第一章傳感器的概念及特性第1頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①敏感元件(或稱預(yù)變換器，也統(tǒng)稱彈性敏感元件)

將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量（例如應(yīng)變或位移），然后再利用傳感元件，將這種非電量變換成電量。彈性敏感元件是傳感器的心臟部分，它常由金屬或非金屬材料做成，當(dāng)承受外力作用時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生彈性變形；當(dāng)去除外力后，彈性變形消失并能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀。2傳感器的組成第2頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②傳感元件凡是能將感受到的非電量（如力、壓力、溫度梯度等）直接變換為電量的器件稱為傳感元件（或稱變換元件）。如應(yīng)變計(jì)、壓電晶體、壓磁式器件、光電元件及熱電偶等。傳感元件是利用各種物理效應(yīng)或化學(xué)效應(yīng)等原理制成的。說(shuō)明:并不是所有的傳感器都包括敏感元件和傳感元件兩部分。如熱敏電阻、光電器件等。合二為一的傳感器：如固態(tài)壓阻式壓力傳感器等。第3頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按輸入量分：傳感器以被測(cè)物理量的命名按工作原理分：傳感器以工作原理命名3傳感器的分類第4頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如：氣體壓力傳感器

由半導(dǎo)體材料制成的物性性傳感器基本是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件二合一。直接能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出。壓電傳感器、光電池。熱敏電阻等。膜盒差動(dòng)電感電橋電路氣體壓力傳感器組成框圖PSLU0第5頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻傳感器第6頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月人與機(jī)器的機(jī)能對(duì)應(yīng)關(guān)系圖外界對(duì)象感官傳感器人腦微機(jī)肢體執(zhí)行器傳感器的作用和地位第7頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器技術(shù)的發(fā)展方向新現(xiàn)象、新材料、新工藝、智能化傳感器第8頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器實(shí)例溫度傳感器壓力傳感器第9頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

液位傳感器第10頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的特性靜態(tài)特性：輸入量為常量或變化極慢時(shí)傳感器輸入——輸出特性。動(dòng)態(tài)特性：輸入量隨時(shí)間變化時(shí)的傳感器的輸入——輸出特性。第11頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性：通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定，可得到測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)值yi和激勵(lì)值xi之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性可以用一個(gè)多項(xiàng)式方程表示，即

稱為傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型第12頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指標(biāo)線性度遲滯重復(fù)性靈敏度和靈敏度誤差分辨率和閾值穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性抗干擾能力靜態(tài)誤差第13頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非線性誤差：：非線性最大偏差：滿量程輸出一、線性度定義：在采用直線擬合線性化時(shí)，輸入輸出的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，稱為非線性誤差。第14頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）端點(diǎn)連線（2）過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合（1）理論擬合（4）端點(diǎn)平移線第15頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（5）最小二乘直線擬合基本含義：直線方程的形式為y=kx+b，且對(duì)于各個(gè)標(biāo)定點(diǎn)（xi，yi）偏差的平方和最小的直線；計(jì)算方法：n個(gè)測(cè)量點(diǎn)（xi，yi），第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)yi與擬合直線上相應(yīng)值之間的殘差為根據(jù)平方和最小原理即從而求得k和b的值為最小值，即第16頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、遲滯遲滯特性曲線遲滯：亦稱滯后量、滯后或回程誤差，表征測(cè)量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)兩者靜態(tài)特性不一致的程度。顯然,越小,遲滯性能越好第17頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、重復(fù)度重復(fù)特性重復(fù)性：表示測(cè)量系統(tǒng)在同一工作條件下，按同一方向作全量程多次(三次以上)測(cè)量時(shí)，對(duì)于同一個(gè)激勵(lì)量其測(cè)量結(jié)果的不一致程度。第18頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靈敏度：是儀器在靜態(tài)條件下響應(yīng)量的變化△y和與之相對(duì)應(yīng)的輸入量變化△x的比值。四、靈敏度和靈敏度誤差若K為常數(shù)，線性傳感器。靈敏度誤差：第19頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月量程：測(cè)量上限值與下限值的代數(shù)差稱為量程。測(cè)量范圍：測(cè)量系統(tǒng)能測(cè)量的最小輸入量（下限）至最大輸入量（上限）之間的范圍稱為測(cè)量范圍。S00xS0±δ·S0%五、量程及測(cè)量范圍第20頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

分辨率是指測(cè)量系統(tǒng)能測(cè)量到輸入量最小變化的能力。六、分辨率與閾值為了保證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度，工程上規(guī)定：測(cè)量系統(tǒng)的分辨率應(yīng)小于允許誤差的1/3,1/5或1/10。可以通過(guò)提高儀器的敏感單元的增益的方法來(lái)提高分辨率。測(cè)量?jī)x器必須有足夠高的分辨率。閾值(死區(qū)值)的概念簡(jiǎn)介第21頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月七、穩(wěn)定性八、溫度穩(wěn)定性傳感器在外界溫度變化情況下輸出量的變化。傳感器在長(zhǎng)時(shí)間工作情況下輸出量的變化第22頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的測(cè)量系統(tǒng)，其輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律（變化曲線），將能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律（變化曲線），即具有相同的時(shí)間函數(shù)。傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)域：瞬態(tài)響應(yīng)法，采用階越、脈沖和斜坡函數(shù)分析方法頻域：頻率響應(yīng)法第23頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及分析測(cè)量系統(tǒng)的種類和形式很多，一般可以簡(jiǎn)化為一階或二階系統(tǒng)。1．典型一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在工程上，將視為一階測(cè)量系統(tǒng)的微分方程的通式，可改寫為第24頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中——具有時(shí)間的量綱，稱為系統(tǒng)的時(shí)間

——系統(tǒng)的靈敏度s，具有輸出/輸入的量綱。常數(shù)，一般記為；傳遞函數(shù)為：第25頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型例：圖2-7所示的由彈簧阻尼器組成的機(jī)械系統(tǒng)其微分方程為或式中k——彈性剛度；

c——阻尼系數(shù)；τ——時(shí)間常數(shù)，τ=c/k。第26頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(a)幅頻特性；(b)相頻特性。21.010520.11.00.70.50.50.40.30.20.20.110521.00.50.20.1-80°-60°-40°-20°0°ωτφ(ω)ωτA(ω)當(dāng)時(shí)：，表明測(cè)量系統(tǒng)輸出與輸入為線性關(guān)系；很小，，，相位差與頻率呈線性關(guān)系。頻域分析第27頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月①一階系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)②一階系統(tǒng)的沖激響應(yīng)時(shí)域分析自學(xué)③一階系統(tǒng)的階越響應(yīng)單位階躍信號(hào)方程的零狀態(tài)響應(yīng)一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)解為：第28頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．典型二階測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)二階測(cè)量系統(tǒng)的微分方程通式傳遞函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)：幅頻特性：相頻特性：第29頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型例：圖2-9所示彈簧－質(zhì)量－阻尼系統(tǒng)其微分方程為改寫為第30頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中m——系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量；

c——阻尼系數(shù)；

k——彈簧剛度；

——系統(tǒng)的固有圓頻率；

——系統(tǒng)的阻尼比系數(shù)

cc——臨界阻尼系數(shù)，。動(dòng)態(tài)特性討論：圖2-10為二階測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性曲線?？梢娤到y(tǒng)的頻率響應(yīng)特性好壞，取決于系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。第31頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頻域分析第32頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）＜1，時(shí)，幅頻特性平直，輸出與輸入為線性關(guān)系；很小，與為線性關(guān)系。系統(tǒng)的輸出y(t)真實(shí)準(zhǔn)確地再現(xiàn)輸入x(t)的波形，這是測(cè)試設(shè)備應(yīng)有的性能。結(jié)論：為了使測(cè)試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的波形，在傳感器設(shè)計(jì)或測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須使其阻尼比＜1，固有圓頻率至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率的（3～5）倍，即≥(3～5)。第33頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)域響應(yīng)①二階系統(tǒng)的零輸入響應(yīng)②二階系統(tǒng)的沖激響應(yīng)自學(xué)③二階系統(tǒng)的階越響應(yīng)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)第34頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器選擇減小誤差的方法一階系統(tǒng)：時(shí)間常數(shù)的選取原則。一般的講，時(shí)間常數(shù)越小越好二階系統(tǒng)：、選取原則。、兩參數(shù)要正確、合理的選擇，一般地，要盡可能大，選擇在0.6～0.8之間第35頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)1.何為傳感器靜態(tài)特性？靜態(tài)特性主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？2.何為傳感器動(dòng)態(tài)特性？動(dòng)態(tài)特性主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？3.已知某二階系統(tǒng)傳感器的自振頻率f0=20kHz,阻尼比=0.1,若要求該系統(tǒng)的輸出幅值誤差小于3%，試確定該傳感器的工作頻率范圍。4.有一個(gè)傳感器，其微分方程為，其中y輸出電壓（mV），x為輸入溫度（℃）,試求傳感器的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度k。5.某力傳感器為一典型的二階振蕩系統(tǒng)，已知該傳感器的自振頻率f0=1000Hz，阻尼比，試求用它測(cè)量頻率為600Hz的正弦交變力時(shí)，其輸出與輸入幅值比和相位差各為多少？6.某壓力傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所列。分別求以端點(diǎn)連線、端點(diǎn)連線平移線、最小二乘直線作為參考工作直線的線性度、遲滯誤差及重復(fù)性。第36頁(yè)，課件共37頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表1某壓力傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)X壓力/MPa系統(tǒng)輸出/mV第一輪第二輪第三輪正行程反行程正行程反行程正行程反行程0