傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 第2版 課件 1 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)傳感器應(yīng)用技術(shù)1.傳感器基礎(chǔ)知識(shí)2.電阻式傳感器3.電容式傳感器4.壓電式傳感器5.溫度與濕度傳感器6.光電式傳感器7.霍爾傳感器8.光柵傳感器9.智能與其他傳感器10.傳感器輸出信號(hào)處理電路1.傳感器技術(shù)基礎(chǔ)1.1傳感器的組成1.1.1自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)1.1.2傳感器的定義及組成1.1.3傳感器的分類(lèi)1.2傳感器的基本特性1.2.1傳感器的靜態(tài)特性1.2.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性1.3傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)“沒(méi)有傳感器就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測(cè)系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類(lèi)提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有利工具。[Mendelyeev,DmitryIvanovich]

科學(xué)僅僅是在人們懂得了測(cè)量才開(kāi)始的－門(mén)捷列夫1.傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

世界是由物質(zhì)組成的，表征物質(zhì)特性或其運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量?jī)深?lèi)。

非電量不能直接使用一般電工儀表和電子儀器測(cè)量，非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測(cè)量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件叫傳感器。自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)處理的大都是電量,需通過(guò)傳感器對(duì)通常是非電量的原始信息進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換為電量。1.1傳感器的組成

自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制技術(shù)是人們對(duì)事物的規(guī)律進(jìn)行定性了解和定量掌握以及預(yù)期效果控制所從事的一系列的技術(shù)措施。自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)是完成這一系列技術(shù)措施之一的裝置，它是檢測(cè)和控制器與研究對(duì)象的總和。通?？煞譃殚_(kāi)環(huán)與閉環(huán)兩種自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。1.1.1自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)（1）自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的第一環(huán)節(jié)。它是以一定的精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與之確定關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種量值的測(cè)量裝置。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)一般由激勵(lì)裝置、敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路與輸出單元所組成。

檢測(cè)系統(tǒng)各部分的特點(diǎn)

（1）有時(shí)為了便于測(cè)量，需要給被測(cè)對(duì)象施加激勵(lì)信號(hào)，這樣可使被測(cè)對(duì)象處于預(yù)定狀態(tài)，并將其有關(guān)方向的內(nèi)在聯(lián)系充分顯示出來(lái)。（2）被測(cè)對(duì)象的特性均以信號(hào)的形式給出，而被測(cè)信號(hào)一般都是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)量，即使在檢測(cè)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)量時(shí)，由于混有動(dòng)態(tài)的干擾噪聲，所以，通常也按動(dòng)態(tài)量進(jìn)行檢測(cè)。（3）敏感元件是將感知的被測(cè)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一種值輸出，通常是電信號(hào)。如果不是電信號(hào)，就需要經(jīng)變換電路將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。（4）信號(hào)調(diào)理電路一般有兩個(gè)作用，一是信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大，二是信號(hào)處理，即濾波、衰減運(yùn)算、數(shù)字化處理等。（5）輸出裝置種類(lèi)很多，可根據(jù)需要進(jìn)行配置。現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將調(diào)理電路輸出的信號(hào)直接送到信號(hào)分析設(shè)備中，進(jìn)行在線處理。（2）自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量電路傳感器電源指示儀記錄儀伺服控制A.開(kāi)環(huán)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)框圖

被測(cè)量調(diào)節(jié)元件給定元件信息處理檢測(cè)電路執(zhí)行元件傳感器對(duì)象輸出顯示記錄－＋－B.閉環(huán)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)框圖

一個(gè)完整的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，一般由

傳感器、測(cè)量電路、顯示記錄裝置或調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分組成。自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的組成傳感器是人類(lèi)五官的延長(zhǎng)，又稱(chēng)之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒(méi)有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。傳感器是邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)?？梢?jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面起著重要作用。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。1.1.2傳感器的定義及組成

二傳感器的定義國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；②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輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；④輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。傳感器功用：一感二傳,即感受被測(cè)信息,并傳送出去。是將各種非電量按一是將各種非電量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量的裝置定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量的裝置敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源接口電路傳感器組成框圖非電物理量電信號(hào)傳感器組成敏感元件

電子稱(chēng)中傳感器是壓力傳感器。其敏感元件為電阻應(yīng)變片

壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等是敏感元件轉(zhuǎn)換元件

電子稱(chēng)中傳感器是壓力傳感器。其轉(zhuǎn)換元件為電橋電路。將應(yīng)變片作為電橋電路中的電阻壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩者合二為一的傳感器。機(jī)械能光能電磁能化學(xué)能熱能傳感器的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系

傳感器轉(zhuǎn)換能量的理論基礎(chǔ)都是利用物理學(xué)、化學(xué)學(xué)、生物學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng)來(lái)進(jìn)行能量形式的變換。被測(cè)量和它們之間的能量的相互轉(zhuǎn)換是各種各樣的。

傳感器技術(shù)就是掌握和完善這些轉(zhuǎn)換的方法和手段。

涉及：傳感器能量轉(zhuǎn)換原理、傳感器材料選取與制造、傳感器器件設(shè)計(jì)、傳感器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等多項(xiàng)綜合技術(shù)。傳感器技術(shù)傳感器有許多分類(lèi)方法，常用分類(lèi)方法有兩種：一種是按被測(cè)輸入量來(lái)分；另一種是按傳感器的工作原理來(lái)分。1.1.3傳感器的分類(lèi)

根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)，如：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等。

這種分類(lèi)方法把種類(lèi)繁多的被測(cè)量分為基本被測(cè)量和派生被測(cè)量?jī)深?lèi)。見(jiàn)表。（1）按被測(cè)量分類(lèi)表1基本被測(cè)量和派生被測(cè)量基本被測(cè)量派生被測(cè)量位移線位移長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量角加速度角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力壓力重量、應(yīng)力、力矩時(shí)間頻率周期、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布溫度熱容量、氣體速度、渦流光光通量與密度、光譜分布濕度水氣、水分、露點(diǎn)例如力可視為基本被測(cè)量，從力可派生出壓力、重量、應(yīng)力、力矩等派生被測(cè)量。當(dāng)需要測(cè)量這些被測(cè)量時(shí)，只要采用力傳感器就可以了。根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)方法：優(yōu)點(diǎn)：比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。缺點(diǎn)：沒(méi)有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。（1）按被測(cè)量分類(lèi)

按傳感器工作原理分類(lèi)方法是以工作原理劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類(lèi)的依據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)傳感器的工作原理比較清楚，類(lèi)別少，有利于傳感器專(zhuān)業(yè)工作者對(duì)傳感器的深入研究分析。缺點(diǎn)：不便于使用者根據(jù)用途選用。（2）按傳感器工作原理分類(lèi)1.電學(xué)式傳感器應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。2.磁學(xué)式傳感器利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成。主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測(cè)量。（2）按傳感器工作原理分類(lèi)3.光電式傳感器利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理而制成。主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測(cè)量。4.電勢(shì)型傳感器利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍耳效應(yīng)等原理而制成。主要用于溫度、磁通、電流、速度、光強(qiáng)、熱輻射等參數(shù)的測(cè)量。（2）按傳感器工作原理分類(lèi)5.電荷傳感器利用壓電效應(yīng)原理而制成。主要用于力及加速度的測(cè)量。6.半導(dǎo)體傳感器利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場(chǎng)和有害氣體的測(cè)量。（2）按傳感器工作原理分類(lèi)7.諧振式傳感器利用改變電或機(jī)械的固有參數(shù)來(lái)改變諧振頻率的原理而制成。主要用來(lái)測(cè)量壓力。8.電化學(xué)式傳感器以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成，可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、級(jí)譜式傳感器和電解式傳感器等。主要用于分析氣體成分、液體成分、溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位等參數(shù)的測(cè)量。（2）按傳感器工作原理分類(lèi)按能量的關(guān)系分類(lèi)，分為有源傳感器和無(wú)源傳感器；按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)，分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，且抗干擾性較強(qiáng)，例如：盤(pán)式角度數(shù)字傳感器，光柵傳感器等。（3）傳感器其他分類(lèi)1.1.4傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域1、生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)量與控制2、安全報(bào)警與環(huán)境保護(hù)3、自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人4、交通運(yùn)輸和資源探測(cè)5、醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器

傳感器的應(yīng)用

傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)械制造、工業(yè)過(guò)程控制、汽車(chē)電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和專(zhuān)用設(shè)備等。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的是汽車(chē)市場(chǎng)的需求，占第二位的是過(guò)程控制市場(chǎng)，前景看好是通訊市場(chǎng)。

科學(xué)研究的先行官諾貝爾獎(jiǎng)獲得者R.R.Ernst說(shuō)“現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步越來(lái)越依靠尖端儀器的發(fā)展”俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫指出“科學(xué)是從測(cè)量開(kāi)始的”近80年來(lái)，與科學(xué)儀器密切相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者達(dá)38人1)工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。

在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗

生產(chǎn)加工過(guò)程監(jiān)測(cè)切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測(cè)距傳感器、紅外接近開(kāi)關(guān)傳感器等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人視覺(jué):平面、立體非視覺(jué):觸覺(jué)、滑覺(jué)、熱覺(jué)、力覺(jué)、接近覺(jué)、…傳感器的應(yīng)用沙漠機(jī)器人傳感器的應(yīng)用2)流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄漏檢測(cè)揚(yáng)子石化50MW熱電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)陽(yáng)邏電廠300MW汽輪機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)荊門(mén)電廠200MW機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢(xún)系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢(xún)系統(tǒng)寶鋼30KW以上風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)寶鋼精軋F(tuán)2軋機(jī)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動(dòng)紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)武鋼風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3)產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)量

在汽車(chē)、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。汽車(chē)出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過(guò)對(duì)抽樣汽車(chē)的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車(chē)扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位….在線檢測(cè)鼠標(biāo):光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服4)PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用5）檢測(cè)技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用日新月異發(fā)動(dòng)機(jī)：向發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況信息，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等

汽車(chē)傳感器：汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容普通轎車(chē)：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車(chē)：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。

底盤(pán)：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)等車(chē)速、踏板、加速度、節(jié)氣門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫車(chē)身：提高汽車(chē)的安全性、可靠性和舒適性等溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車(chē)速、測(cè)距、圖象等5）檢測(cè)技術(shù)在汽車(chē)中的應(yīng)用日新月異

未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)一定程度上可以稱(chēng)之為傳感器戰(zhàn)爭(zhēng)。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)將布滿(mǎn)各種傳感器，它們既包括電視攝像機(jī)、激光雷達(dá)、成像雷達(dá)、微光夜視儀、制冷和非制冷熱像儀等可視設(shè)備，也包括聲傳感器、震動(dòng)傳感器、磁傳感器、氣象傳感器和探測(cè)生化戰(zhàn)劑的傳感器，當(dāng)然也可能出現(xiàn)目前尚未問(wèn)世或成熟的其它傳感器。這些傳感器將為指揮人員和士兵收集大量的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，使他們擁有全面的信息優(yōu)勢(shì)，從而最大限度地增強(qiáng)他們的攻擊威力。6）在軍事和航天領(lǐng)域的應(yīng)用美軍研制的未來(lái)單兵作戰(zhàn)武器---OICW夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)。在發(fā)射20mm高爆彈時(shí)，激光測(cè)距儀可將目標(biāo)的距離信息自動(dòng)傳輸至高爆彈的爆炸引信，以精確的設(shè)定引爆時(shí)間。美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃---NMD1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng):探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；攔截器：能識(shí)別真假?gòu)楊^，敵友方飛行器測(cè)控---檢測(cè)飛行器姿態(tài)、發(fā)電機(jī)工況，控制與操縱

火箭測(cè)控---檢測(cè)火箭狀況、姿態(tài)、軌跡

“阿波羅10”：火箭部分---2077個(gè)傳感器飛船部分---1218個(gè)傳感器檢測(cè)參數(shù)---加速度、溫度、壓力、振動(dòng)、流量、應(yīng)變、聲學(xué)等神州飛船：185臺(tái)（套）儀器裝置軍事戰(zhàn)斗力

傳感器作為感受被測(cè)量信息的器件，總是希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用信號(hào)，因此，需要研究其輸入－輸出之間的關(guān)系及特性，以便用理論指導(dǎo)其設(shè)計(jì)、制造、校準(zhǔn)與使用。理論和技術(shù)上表征輸入－輸出之間的關(guān)系通常是以建立數(shù)學(xué)模型來(lái)體現(xiàn)，這也是研究科學(xué)問(wèn)題的基本出發(fā)點(diǎn)。1.2傳感器的基本特性49在工程應(yīng)用中，任何測(cè)量裝置性能的優(yōu)劣總要以一系列的指標(biāo)參數(shù)衡量，通過(guò)這些參數(shù)可以方便地知道其性能。這些指標(biāo)又稱(chēng)之為特性指標(biāo)。傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。它通常根據(jù)輸入(傳感器所測(cè)量的量)的性質(zhì)來(lái)決定采用何種指標(biāo)體系來(lái)描述其性能。當(dāng)被測(cè)量(輸入量)為常量，或變化極慢時(shí)，一般采用靜態(tài)指標(biāo)體系，其輸入與輸出的關(guān)系為靜態(tài)特性；當(dāng)被測(cè)量(輸入量)隨時(shí)間較快地變化時(shí)，則采用動(dòng)態(tài)指標(biāo)體系，其輸入與輸出的關(guān)系為動(dòng)態(tài)特性。1.2傳感器的基本特性當(dāng)被測(cè)量(輸入量)為常量，或變化極慢時(shí)，一般采用靜態(tài)指標(biāo)體系，其輸入與輸出的關(guān)系為靜態(tài)特性。

靜態(tài)特性：靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

特性性能指標(biāo)1.2.1傳感器的靜態(tài)特性

1.2.1.1傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入的關(guān)系。如果被測(cè)量是一個(gè)不隨時(shí)間變化，或隨時(shí)間變化緩慢的量，可以只考慮其靜態(tài)特性，這時(shí)傳感器的輸入量與輸出量之間在數(shù)值上一般具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，關(guān)系式中不含有時(shí)間變量。對(duì)靜態(tài)特性而言，傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系通常可用一個(gè)如下的多項(xiàng)式表示：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

52式中：a0——輸入量x為零時(shí)的輸出量,也叫零位輸出；

a1——為傳感器線性項(xiàng)系數(shù)也稱(chēng)線性靈敏度，常用K或S表示。

a2，…，an——為非線性項(xiàng)系數(shù)，其數(shù)值由具體傳感器非線性特性決定。各項(xiàng)系數(shù)決定了特性曲線的具體形式。傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標(biāo)來(lái)描述，如靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性和漂移等。y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

1.2.1.1傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型有四種特殊形式：y=a1x

通常是所希望的傳感器應(yīng)具有的特性，只有具備這樣的特性才能正確無(wú)誤地反映被測(cè)的真值。1)理想的線性特性2)僅有偶次非線性項(xiàng)y=a1x+a2x2+a4x4…

其線性范圍較窄，線性度較差，靈敏度為該曲線的斜率，一般傳感器設(shè)計(jì)很少采用這種特性。3)僅有奇次非線性項(xiàng)

其線性范圍較寛，且相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)是對(duì)稱(chēng)的，線性度較好，靈敏度為該曲線的斜率。使用時(shí)一般都加以線性補(bǔ)償措施，可獲得較理想的線性特性。y=a1x+a3x3+…4)奇、偶次項(xiàng)的非線性y=a1x+a2x2+…+anxn

y=a1x+a2x2+…+anxn

57在工程應(yīng)用中，任何測(cè)量裝置性能的優(yōu)劣總要以一系列的指標(biāo)參數(shù)衡量，通過(guò)這些參數(shù)可以方便地知道其性能。這些指標(biāo)又稱(chēng)之為特性指標(biāo)。傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。它通常根據(jù)輸入(傳感器所測(cè)量的量)的性質(zhì)來(lái)決定采用何種指標(biāo)體系來(lái)描述其性能。當(dāng)被測(cè)量(輸入量)為常量，或變化極慢時(shí)，一般采用靜態(tài)指標(biāo)體系，其輸入與輸出的關(guān)系為靜態(tài)特性；1.2.1.2傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)

傳感器的線性度

線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱(chēng)非線性誤差。圖（a）為理想特性外，其它都存在非線性，都應(yīng)進(jìn)行線性處理。常用的方法有：理論直線法、端點(diǎn)線法、割線法、最小二乘法和計(jì)算程序法等。（1）線性度傳感器的靈敏度

靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖（a）所示，其中:sn=y/x

非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變量，如圖（b）所示，其中:sn=dy/dx=df(x)/dx（2）

靈敏度

重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度，如圖所示。傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要由傳感器的機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)，部件的內(nèi)磨擦、積塵，電路元件老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生。不重復(fù)性極限誤差由下式表示：

EZ=(?MAX/yFS)·100%

傳感器的重復(fù)性

（3）重復(fù)性

傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減?。┢陂g，輸出-輸入特性曲線不一致的程度，如圖所示。在行程環(huán)中同一輸入量xi對(duì)應(yīng)的不同輸出量yi和yd的差值叫滯環(huán)誤差，最大滯環(huán)誤差與滿(mǎn)量程輸出值的比值稱(chēng)最大滯環(huán)率

EMAX=(?m/yFS)·100%

傳感器的遲滯現(xiàn)象

（4）遲滯現(xiàn)象傳感器的分辨力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量。有時(shí)也用該值相對(duì)滿(mǎn)量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示。（5）分辨力穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性，指在室溫條件下，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來(lái)表征穩(wěn)定程度。（6）穩(wěn)定性

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。（7）漂移

在實(shí)際測(cè)量中，大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)。傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是指：

在隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出-輸入量間的函數(shù)關(guān)系，通常稱(chēng)為響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型一般采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。1.2.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)：其輸