智能信息感知技術 課件 第一章 傳感器信息感知理論基礎

2024-07-231智能信息感知技術——第一章傳感器信息感知理論基礎基本情況2024-07-232課程名稱：智能信息感知技術英文名稱：

Intelligent

Sensing學分/學時：2/32課程類別：專業(yè)選修課適用專業(yè)：智能科學與技術、計算機科學與技術、人工智能考核及成績評定方式：平時成績（30%）

+期末考試成績（70%）平時成績：考勤+作業(yè)期末考試：開卷基本情況2024-07-233參考資料：1.《傳感技術》

[美]Ralf

Steinmetz,Klara

Nahrstedt著，潘志庚，葉綠等譯，清華大學出版社《現(xiàn)代傳感技術基礎及應用》，趙學增編著，清華大學出版社，2010《現(xiàn)代傳感器技術—面向物聯(lián)網應用》（第2版），劉少強

張

婧，電子工業(yè)出版社《智能傳感器設計》，[美]

C.Huddleston著，張鼎等譯，人民郵電出版社，20095.《醫(yī)學成像的基本原理》，黃力宇編著，電子工業(yè)出版社，20096.《遙感手冊》，[美]R.G.Reeves著，湯定元等譯，國防工業(yè)出版社，19797.

《微波遙感》，[美]F.T.Ulaby，R.K.Moore，A.K.Fung著，侯世昌，馬錫冠譯，科學出版社，1988課程簡介2024-07-234本課程首先，介紹了傳統(tǒng)的傳感器的基礎及相關接口電路；然后，著重介紹智能信息感知技術，包括智能生物傳感技術、智能光學圖像傳感技術、智能語音傳感技術、智能醫(yī)學傳感技術和智能遙感傳感技術；最后，介紹了的智能傳感系統(tǒng)應用，包括智能駕駛、智能交通、智能機器人和智能非接觸生命信號傳感技術。任務目標：了解智能信息感知技術的基礎理論知識掌握典型性的智能傳感器特點及應用掌握智能傳感信息處理技術相關知識掌握智能傳感系統(tǒng)相關知識目

錄2024-07-2351.1

傳感器的定義與組成傳感器的分類與原理傳感器的信號調理與接口傳感器的性能評價2024-07-236傳感器的由來察火色而冶銅鐵觀天象而事農耕傳感器是人類五官的延展，又稱之為“電五官”。光敏傳感器——視覺聲敏傳感器——聽覺氣敏傳感器——嗅覺化學傳感器——味覺流體傳感器——觸覺2024-07-237重要性計算機技術-信息處理通信技術-信息傳輸傳感技術-信息提取2024-07-238信息感知技術作用和應用領域消費電子智能汽車工業(yè)控制生物醫(yī)療光伏發(fā)電軍事應用物聯(lián)天下，傳感先行主要作用：信息搜集（計量測試、狀態(tài)檢測）信息交換（讀/寫磁盤光盤數(shù)據(jù)）控制信息采集（自動控制系統(tǒng)中讀取反饋信息）測量是傳感器的基本作用，也是應用傳感器的目的。學科特點和發(fā)展學科特點：技術門類廣（分類廣泛，力、熱、光、電、磁等）涉及學科知識內容多（物理、化學、數(shù)學、生物、機械、材料等）應用分布廣（車輛，電子設備、工業(yè)、物聯(lián)網等）利用物理定律和物質的物理、化學和生物特性，將非電量轉換成電量。發(fā)展方向：一是開展基礎研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝。二是實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。2024-07-23 91.1傳感器的定義與組成1.定義傳感器是一種能把接受的信息按某種特定規(guī)律轉化成電信號輸出的裝置。根據(jù)我國標準規(guī)定，給出了傳感器的明確定義：傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通過定義可以得出三層含義：①傳感器是一種測量裝置，能夠完成檢測任務；②傳感器在規(guī)定條件下感受外界信息；③傳感器按一定規(guī)律轉換成易于傳輸與處理的電信息。2024-07-23101.1傳感器的定義與組成應用范圍112024-07-231.1傳感器的定義與組成2.

組成敏感元件轉換元件轉換電路輔助電源被測量2024-07-2312電量①敏感元件是能直接感受被測非電量信號，并按一定規(guī)律轉換成與被測量有確定關系的某一物理量的元件；②轉換元件是或直接將被測非電信號轉換成電信號輸出的原件，便于進一步處理，一般情況能將敏感元件輸出的非電信號下不直接感受被測量；③轉換電路能把轉換元件輸出的微弱信號轉換為便于處理、傳輸、記錄、顯示和控制的有用電信號的電路。其作用是將信號進行調節(jié)與轉換，或將電阻、電容、電感等電參數(shù)轉換為電流、電壓或頻率輸出，或將小信號調節(jié)為大信號輸出；④輔助電源是提供傳感器正常工作所需能量的電源部分，分為內部供電和外部供電兩種形式。1.2傳感器的分類與原理1.2.1按被測量的性質分類傳感器以被測量名字可以分為位移、力、速度、溫度、壓力、流量、粘度、濕度、光強、光通量、血糖、血壓等傳感器。溫度傳感器 壓力傳感器 濕度傳感器 血壓傳感器也可將其工作原理和被測參數(shù)結合在一起來命名傳感器，如熱敏電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器、硅壓阻式壓力傳感器、電容式加速度傳感器等。當然，不同的被測量可以采用相同的測量，因此,必須掌握在不同的測量原理之間測量不同的被測量時，各自具有的特點。2024-07-23131.2傳感器的分類與原理號在傳輸過程中由于接頭、開關及長電纜等因素所造成的誤差。2024-07-23141.2.2按輸出量的性質分類1.模擬型傳感器將被測的非電學量轉換成模擬信號，其輸出為連續(xù)信號，一般以信號的幅度表達，如溫度、速度、流量等。并且輸出信號微弱，最大大約只有幾十毫伏，并且極易受到電子干擾和其他天線信號干擾。2.數(shù)字型傳感器將被測的非電學量轉換成數(shù)字信號輸出，輸出為矩形波信號，其頻率或占空比隨被測參量變化而變化，如限位、位置確定、檢測等。輸出信號大約均在3~4V，而且在設計時已考慮到一定的抗干擾能力，數(shù)字型傳感器精度、穩(wěn)定性和可靠性相對較高一些，減少了模擬型傳感器所避免不了的誤差，如模擬信1.2傳感器的分類與原理1.2.3按照輸出量的性質分類1.能量轉換型無源傳感器，

無需外加電源可直接由被測對象輸入能量使其工作，由能量變換元件構成。如熱電偶溫度計（熱電效應），磁電式加速度（霍爾效應），光電池（光電效應）等。更簡單對被測量對象影響大靈敏度不高輸出信號能量不高??不易受干擾易受干擾2024-07-23152.能量控制型有源傳感器，需要從外電源供給能量來進行信息變化。例如: 如電阻、電感、電容等電參數(shù)傳感器。較復雜對被測量對象影響小靈敏度高輸出信號能量高1.2傳感器的分類與原理2024-07-23161.2.4按工作原理分類1.物理型傳感器結構型傳感器是基于轉換元件的某一結構參數(shù)發(fā)生改變實現(xiàn)信號轉換的傳感器。比如：應變電阻式傳感器（應變片的尺寸發(fā)生改變）、電感式傳感器（變間隙或變面積等）、電容式傳感器（變間隙或變面積等）以及磁電式傳感器等。物性型傳感器是基于轉換元件的物理特性發(fā)生變化而實現(xiàn)信號轉換的傳感器。比如：壓阻式傳感器（壓阻效應，壓阻系數(shù)改變）、光電式傳感器（光電效應，光子轟擊引起物體電阻率改變）、壓電式傳感器（壓電效應）、熱電式傳感器（熱電效應）等。分類1231.2傳感器的分類與原理1.2.4按工作原理分類2.化學型傳感器化學傳感器(Chemical Sensor)是對各種化學物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器。類比于人的感覺器官，化學傳感器大體對應于人的嗅覺和味覺器官。但并不是單純的人體器官的模擬，還能感受人的器官不能感受的某些物質，如H2、CO。。（氣體傳感器、濕度傳感器等）分類1232024-07-23171.2傳感器的分類與原理1.2.4按工作原理分類3.生物型傳感器利用微生物或者生物組織中生命體的活動現(xiàn)象作為變換結構的傳感器。主要由兩大部分組成。其一，是功能識別物質，其作用是對被測物質進行特定識別。其二，是電、光信號轉換裝置,此裝置的作用是把在功能膜上進行的識別被測物所產生的化學反應轉換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘枴?用以檢測與識別生物體內化學成分的傳感器。)分類123酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜2024-07-2318血糖監(jiān)測病原體的檢測河流污染物檢測基本物理量2024-07-2319派生物理量位移線位移長度、厚度、應變、振動、磨損、不平度角位移旋轉角、偏轉角、角振動等速度線速度速度、振動、流量、動量等角速度轉速、角振動等加速度線加速度振動、沖擊、質量等角加速度角振動、扭矩、轉動慣量等力壓力重量、應力、力矩等時間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計分布等溫

度熱容量、氣體速度、渦流等光光通量與密度、光譜分布等1.2傳感器的分類與原理按照敏感材料分類：陶瓷傳感器半導體傳感器，高分子聚合物傳感器；按照加工工藝分類：厚膜傳感器，薄膜傳感器，MEMS傳感器；按照應用領域：汽車傳感器、機器人傳感器、家電傳感器、環(huán)境傳感器等；按照信號處理形式或功能分類：集成傳感器、智能傳感器和網絡化傳感器等特點：跨學科性強本身學科方向較弱1.3傳感器的信號調理與接口2024-07-2320由于傳感器的輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，這種電信號受敏感元件及檢測電路的特點限制在形式、幅值等方面一般無法直接用來實現(xiàn)對被測量的進一步分析、顯示、記錄及控制。因此，要經過放大后才能再變換為數(shù)字數(shù)據(jù)，調理就是放大。信號調理

(SignalConditioning)：信號調理是將輸出的數(shù)字信號進行調理使之符合后續(xù)接口處理。一般為電平信號，輸入信號應在Ａ/D的轉換。模擬與數(shù)字接口一般要經過信號的隔離（變壓器的磁隔離和光耦的光隔離）－信號的預處理－去除無用信號（濾波）。信號調理分為４種類型：電平調整、線性化、信號形式變換和阻抗匹配。電平調整線性化信號形式變換阻抗匹配1.3傳感器的信號調理與接口1.3.1

電平調整電平調整是最簡單的信號調理，要根據(jù)傳感器的輸出電平范圍和采集端的電平范圍去調放大倍數(shù)和電路，并保留一定余量，一般分為無源電平調整和有源電平調整。1.無源電平調整電路：無源電平調整電路是最簡單的電平調整電路，一般通過分壓電路實現(xiàn)，如圖其中R1和R2的精度和穩(wěn)定性直接影響電平調整的效果，因此他們選取需要考慮以下因素:電平調整電路作為傳感器電路輸出的負載，希望輸入阻抗高一些;作為后一級電路的輸入端，希望輸出阻抗小一些;大阻值(MΩ級)電阻在阻值精度及噪聲方面都較差;注：無源電平調整電路一般應用于要求不高的場合。02024-07-2321iR

2vv

R1

R

21.3傳感器的信號調理與接口1.3.1電平調整2.有源電平調整電路：反相放大電路是最常見的有源電平調整電路，是以放大器為核心的電平調整。其電壓增益為:電路的輸入阻抗約為Ri,

輸出阻抗接近于0;反相放大電路不僅實現(xiàn)了傳感器輸出與后續(xù)電路之間的電壓調整，而且滿足了阻抗匹配的要求。缺點：電路的輸出范圍受運放供電電源電壓的限制——可能出現(xiàn)削波;運放的帶寬有限:如增益帶寬積為30MHz，100倍增益，意味著帶寬僅為300kHz；產生運放噪聲，運放中的電阻器件會引入熱噪聲。iRG

RfVoR2-+

+Vi RiRfRp2024-07-2322反相放大電路1.3傳感器的信號調理與接口1.3.2

線性化傳感器的線性特性有利于后續(xù)電路的設計，并且可簡化傳感器的標定工作。但是在現(xiàn)實中，大量的傳感器特性從原理上就是非線性的。數(shù)字電路、單片機技術、嵌入式系統(tǒng)的介入，能在某種程度上補償傳感器的非線性，但此方式的適用范圍有限，尤其受A/D采樣速度及運算處理速度限制，在需要動態(tài)測量的場合難以滿足要求，因此需要將非線性化傳感器轉化成線性化傳感器。1.傳感器線性化的分類按所用元件分類可分為：無源線性化和有源線性化。常見的有源線性化電路非線性反饋電路，多放大器反饋電路，電橋傳感器非線性校正電路，分段式電路等。按線性化所處階段分類可分為：模擬線性化和數(shù)字線性化。數(shù)字式線性化有單片機、嵌入式系統(tǒng)、專用芯片等，其特點是靈活，適用性強，速度有限，難以滿足動態(tài)檢測場合。模擬式線性化指在信號調理電路中加入模擬非線性環(huán)節(jié)。2024-07-23231.3

傳感器的信號調理與接口1.3.2

線性化2024-07-23 242.無源線性化電路無源線性化電路比較簡單，性能可靠，成本低廉。在某些應用場合，通過合理設計電路結構及元件參數(shù)，可獲得滿意的精度，是一種廣泛應用的線性化方法。一種簡單的無源線件化電路是用固定參數(shù)元件與敏感器件并聯(lián)或串聯(lián)。對有些非線性傳感器，簡單地用固定電阻器與傳感元件串、并聯(lián)，只要電阻值選取合適，即可將非線性校正到滿意的程度。無源線性化的缺點是校正范圍一般較窄、準確度不是很高。3.有源線性化電路運用運放、場效應管或晶體管等有源器件實現(xiàn)線性化。因運放有很高的增益、極高的輸入阻抗、靈活多變的接法，可獲得各種各樣函數(shù)變換。一種簡單有源線性化電路是利用非線性反饋，使反饋支路的非線性和原有敏感器件變換特性的非線性相互抵消，從而得到線性化。原則上，任何敏感器件的變換特性都可以校正為足夠好的線性特性。有源線性化的缺點是線路復雜、調整不便，成本相對高。1.3

傳感器的信號調理與接口1.3.3信號形式變換信號形式變換是將傳感器的輸出信號從一種形式變換為另一種形式，主要分為1.電壓—電流轉換為了減少長線傳輸過程中線路電阻和負載電阻的影響，可以將直流電壓變換成直流電流后進行傳輸，轉換器輸出負載中的電流正比于輸入電壓的電路。例如在遠距離測量系統(tǒng)中，必須把監(jiān)控電壓信號轉換成電流信號傳輸，以減小傳輸導線阻抗對信號的影響。V/I轉換電路要有較高的輸入阻抗和輸出阻抗。電壓—電流電流—電壓交流一直流2.電流—電壓轉換轉換器將輸入電流轉換成輸出電壓，因為傳遞系數(shù)為電阻，也稱為轉移電阻放大器。例如對電流信號進行測量時，先需要將電流信號轉換成電壓信號,再由數(shù)字電壓表測量，或經過A/D轉換后由計算機進行測控。I/V轉換電路要有較低的輸入阻抗和輸出阻抗。2024-07-23251.3

傳感器的信號調理與接口1.3.3信號形式變換3.交流一直流轉換檢測中有時需知道傳感器的交流輸出信號的幅值或功率。例如:磁電式振動速度傳感器或電渦流式振動位移傳感器，在其信號處理電路中都需進行交流—直流變換，即將交流振幅信號變?yōu)榕c之成正比的直流信號輸出。根據(jù)被測信號的頻率不同或要求測量精度不同，可采用不同變換方法。目前常用的變換方法有線性檢波電路(半波整流電路)、絕對值電路(全波整流電路)、有效值變換電路(方均根/直流變換電路)。2024-07-23261.3傳感器的信號調理與接口1.3.3信號形式變換3.交流一直流轉換（1）線性檢波電路最簡檢波電路為二極管檢波電路。因二極管存在死區(qū)電壓，當輸入信號幅值較低時，會帶來嚴重的非線性誤差。實用方法：二極管置于運放反饋回路，以實現(xiàn)精密整流。（2）絕對值轉換電路采用絕對值轉換電路，可把輸入信號轉換為單極性信號，再用低通濾波器濾去交流成份，得到的直流信號稱為絕對平均偏差。在半整流電路的基礎上，加一級加法器，構成簡單的絕對值電路。（3）有效值轉換電路已知被測信號波形 —— 峰值檢測法、絕對平均法輸入信號波形不確定 —— 熱功率法、硬件運算法2024-07-23271.3

傳感器的信號調理與接口2024-07-23281.3.4濾波及阻抗匹配濾波是選取信號中感興趣的成分，抑制或衰減掉其它不需要的成分。從選頻的方式，濾波可分為四類:低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器從所用元件則分為有源濾波器無源濾波器1.3傳感器的信號調理與接口1.3.4濾波及阻抗匹配1.無源濾波器用電阻、電容、電感等無源器件組成的濾波器稱為無源濾波器。無源濾波器具有結構簡單、噪聲小、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。其缺點是：存在損耗電阻，信號在傳遞過程中能量損耗大；當外接負載電阻改變時，對濾波器的通帶增益、截止頻率等的特性參數(shù)影響較大；在低頻應用時，由于電容元件較大，增大了濾波器的體積。最簡單的一階無源低通和高通濾波器是RC無源濾波器。2024-07-23291.3

傳感器的信號調理與接口1.3.4濾波及阻抗匹配2.有源濾波器對RC無源濾波器的上述缺點，可借助于RC有源濾波器解決。RC有源濾波器由電阻、電容和集成運算放大器組成。利用有源器件的放大和隔離作用，使濾波器在通帶內有一定的增益和很強的負載能力。常見的有源濾波器包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等，如下圖所示：時間常數(shù)t

=RC,

而截止頻率f

=

1/（2π

RC）2024-07-23301.3傳感器的信號調理與接口1.3.4濾波及阻抗匹配阻抗匹配則是指為得到最大功率輸出的工作狀態(tài)，考慮傳感器內部負載阻抗或電纜的阻抗。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況。常用方法可以考慮使用變壓器來做阻抗轉換?？梢钥紤]使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法,這在調試射頻電路時常使用?？梢钥紤]使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法，一些驅動器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配,例如高速信號線,有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻.而一些接收器的輸入阻抗則比較高,可以使用并聯(lián)電阻的方法,來跟傳輸線匹配,例如,485總線接收器,常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻.2024-07-23311.3傳感器的信號調理與接口1.3.5傳感器典型接口電路傳感器的接口電路對于傳感器和檢測系統(tǒng)是一個非常重要的連接環(huán)節(jié)，其性能直接影響到整個系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。在實際應用中，傳感器接口電路位于傳感器和檢測電路之間，起著信號處理與連接作用。傳感器接口電路的選擇是根據(jù)傳感器的輸出信號的特點及用途確定的，不同的傳感器具有不同的輸出信號，因此，傳感器的接口電路可以是個放大器，也可以是一個信號轉換電路或別的電路。2024-07-23321.3傳感器的信號調理與接口1.3.5傳感器典型接口電路1．阻抗變換電路：在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為低阻抗，以便于檢測電路準確地拾取傳感器輸出信號。2．放大電路：將微弱的傳感器輸出信號放大3．電流電壓轉換電路：將傳感器的電流輸出轉換成電壓4．電橋電路：把傳感器的電阻、電容、電感變化轉換成電流或電壓5．頻率電壓轉換器：把傳感器輸出的頻率信號轉換成電流或電壓6．電荷放大器：將電場型傳感器輸出產生的電荷轉換成電壓7．有效值轉換電路：在傳感器為交流輸出的情況下，轉為有效值，變?yōu)榻涣鬏敵?．濾波電路：通過低通及帶通濾波器消除傳感器的噪聲成分9．線性化電路：在傳感器的特性不是線性的情況下，用來進行線性校正10

.

對數(shù)壓縮電路：當傳感器輸出信號的動態(tài)范圍較寬時，用對數(shù)電路進行壓縮2024-07-23331.4傳感器的性能指標研究方法：輸入輸出法傳感器的基本特性：由y與x的關系式

y=

f

(x)描述分類：根據(jù)輸入x是否變化，可以分為靜態(tài)特性：x不變，y只與x有關，與t無關?！?/p>

y=f(x)當傳感器的輸入信號是常量，不隨時間變化時，其輸入出關系特性稱為

靜態(tài)特性

。動態(tài)特性：x變化，y不僅與x有關，還與t有關?！?/p>

y=f(x,t)傳感器性能指標：靜態(tài)特性指標動態(tài)特性指標其他技術指標x(t

)2024-07-2334y(t

)傳感器輸入信號被測量輸出信號傳感器的基本特性是指系統(tǒng)輸入與出關，即傳感器系統(tǒng)的輸出信號

即傳感器系統(tǒng)的輸出信號

y(t)

和輸入信號（被測量）x(t)之間的關系1.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標標準標定設備輸入量被校測試系統(tǒng)xysym輸出量輸出量傳感器的靜態(tài)特性是通過靜態(tài)標定或靜態(tài)校準的過程獲得的。靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關系。主要包括線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。實際為緩變量 啟動時存在暫態(tài)響應靜態(tài)特性：輸入為常量，系統(tǒng)穩(wěn)定時的基本特性。2024-07-23351.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標n2024-07-2336iin

y

f(x)

i

i 0 1 ni

0 i

0a

x

a

x

a

a

x

a

x特性函數(shù)說明：①實際中，ai的值并不是由f(x)得到，而是通過實驗得到;②a0

—零點輸出；

ai

(i≠0)—非線性項系數(shù)；③a2=a3=…=an=0,則 y=a0+a1x→是1直線,故叫線性傳感器反之叫非線性傳感器。1.量程及測量范圍傳感器所能測量到的最小被測量（輸入量）xmin與最大被測量（輸入量）xmax之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。測量上限值與下限值的代數(shù)差稱為量程。2.

靜態(tài)靈敏度及靈敏度誤差傳感器被測量的單位變化量引起的輸出變化量稱為靜態(tài)靈敏度，其表達式為在圖形上，某一測點處的靜態(tài)靈敏度是其靜態(tài)特性曲線的斜率。線性傳感器的靜態(tài)靈敏度為常數(shù)，非線性傳感器的靜態(tài)靈敏度為變量。靜態(tài)靈敏度是重要的性能指標。它可以根據(jù)傳感器的測量范圍、抗干擾能力等進行選擇；特別是對于傳感器中的敏感元件，其靈敏度的選擇尤為關鍵。靈敏度誤差，由于某種原因會引起靈敏度變化，產生誤差，稱為靈敏度誤差。1.4

傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標

x

0S

lim

y

dy

x

dxsK

K

100%說明：①S越大，傳感器越靈敏。②線性傳感器：S是一常數(shù)；非線性傳感器：

S隨x變化而變化。S=dy/dx2024-07-23371.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標3.分辨力傳感器在規(guī)定的測量范圍內，所能檢測出被測輸入量的最小變化量?X。由于傳感器或測量系統(tǒng)在全量程范圍內，各測量區(qū)間的?X不完全相同，因此常用全量程范圍內最大的?Xmax與傳感器滿量程輸出值γFS之比的百分率表示其分辨能力，稱為分辨率，又叫分辨力，用F

表示，即F

Xmax

100%

FS2024-07-23381.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標漂移當傳感器的輸入和環(huán)境溫度不變時，輸出量隨時間變化的現(xiàn)象就是漂移，又稱時漂。他是由于傳感器內部各個環(huán)節(jié)性能不穩(wěn)定，或內部溫度變化引起的，是反映傳感器穩(wěn)定性的指標。通?？疾靷鞲衅鲿r漂的范圍可以是一小時、一天、一個月、半年或一年等。溫漂由外界環(huán)境溫度引起的輸出量變化的現(xiàn)象稱為溫漂。溫漂可以從兩個方面來考察：一方面是零點漂移，即傳感器零點處的溫漂，反映了溫度變化引起傳感器特性曲線平移而斜率不變的漂移；另一方面是滿量程漂移。對于線性傳感器，滿量程漂移可以用靈敏度漂移或刻度系數(shù)漂移描述，反映了傳感器特性曲線斜率變化的漂移。2024-07-23391.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標6.線性度線性度又稱為非線性誤差，用來表征傳感器輸出-輸入特性曲線偏離擬合直線的程度，即傳感器實際的靜態(tài)特性的校準特性曲線與某一參考直線不吻合程度的最大值就是線性度。如圖所示，通常用相對誤差來表示：式中：?????????????????為輸出-輸入實際關系曲線與擬合直線之間的最大偏差，即最大的絕對非線性誤差；????????????為滿量程輸出值。LFS FSY Y

Lmax

100%

Lmax

100%全量程范圍內，實際特性曲線與擬合直線的最大偏差與滿量程之比。線性度值越高，原曲線的線性程度就越差。2024-07-23401.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標7.遲滯輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化時，靜態(tài)特性曲線不重合的現(xiàn)象。遲滯誤差HFS

Hmax

100%式中：?Hmax

為正反行程輸出最大值偏差；γFS為滿量程輸出值。y1

y2

2024-07-2341x全量程范圍內，正反行程輸出的最大差值與滿量程之比。λH越大，誤差越大。式中：?????????????????為?????1????????????、?????2????????????中的最大值；????????????為滿量程輸出值。1.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標8.重復性重復性表示傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次測量時，所得的特性曲線不一致程度，如圖RFS

Rmax

100%重復性誤差屬隨機誤差范疇，按極限誤差計算不合理，一般按貝塞爾公式計算RFS

2~

3

100%

22024-07-2342i

i

1 n-1y

y

n

為標準偏差服從正太分布規(guī)律1.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標9.綜合誤差精度傳感器的示值與被測量真值之間的最大偏差。它可用絕對誤差表示，也可用絕對誤差相對于滿量程的百分比形式表示。通常是綜合考慮室溫下傳感器的線性度rL（非線性誤差）、遲滯誤差rH和重復性誤差rR這三項；若它們是隨機的、獨立的、正態(tài)分布的，該項誤差一般可按下式計算：r

r2

r2

r2L H R2024-07-23431.4傳感器的性能指標1.4.1傳感器的靜態(tài)特性指標10.閾值即門檻值，能使傳感器輸出端產生可測量的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨率。有的傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂“死區(qū)”。這時，則以死區(qū)的大小作為閾值。更多情況下，閾值主要取決于傳感器干擾大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。11.穩(wěn)定性穩(wěn)定值又稱為長期穩(wěn)定性，即傳感器在相當長時間內仍保持其性能的能力。穩(wěn)定性一般以傳感器在室溫條件下，經過相當長的時間間隔，其輸出與起始標定的輸出值之間的差異來表示，有時也用標定的有效期來表示。差異愈小，穩(wěn)定性愈好。穩(wěn)定性誤差可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。2024-07-23441.4傳感器的性能指標1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標動態(tài)特性：傳感器對隨時間變化的輸入激勵的響應特性。傳感器動態(tài)特性方程即動態(tài)模型就是指在動態(tài)測量時，在準動態(tài)信號或動態(tài)信號作用下，傳感器的輸出量與輸入被測量之間隨時間變化的函數(shù)關系。動態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實際的模型建立過程中，一般采用線性常系數(shù)微分方程來描述輸出量y和輸入量x的關系。2024-07-23451.4傳感器的性能指標d

nydy dmxdxandt

ndt

md

n

1

y dm

1xdt

n

1dt

m

1an

1

...

a1

dt

a0

y

bmbm

1

...

b1

dt

b0

xan,an-1…a0和bm,bm-1…b0

由傳感器的本身結構參數(shù)決定。除b0

0外，對于大多數(shù)傳感器，一般取b1,b2…bm為零，則an2024-07-2346dtna1dtan

1

dtn

1dny

dn

1y

dy

a0y

b0x

1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標Linear

and

Time-invariant

（LTI）System

線性時不變系統(tǒng)1.4傳感器的性能指標2024-07-23471.4.2傳感器的動態(tài)特性指標傳遞函數(shù)：表述動態(tài)特性即輸入量與輸出量之間的關系如果y(t)在t≤0時，

y(t)=0，則y(t)

的拉氏變換可定義為

0y t

e

dt

stY S

其中：S=σ+jω，σ>0對微分方程兩邊取拉氏變換，則得定義輸出y(t)的拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)

Y S a

Sn n

1n n

1

0

0a S

a

X

S

b1.4傳感器的性能指標2024-07-23481.4.2傳感器的動態(tài)特性指標b

Y

s

X

s

n n

1

1

0H

s

0 asn

a sn

1

...

a

s

a對y(t)進行拉氏變換的初始條件是t≤0時，

y(t)=0。對于傳感器被激勵之前所有的儲能元件如質量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。Y

(s)

H

(s)

X

(s)

y(t)

LT

1[H

(s)

X

(s)]說明：①傳遞函數(shù)和特性方程是完全等價的。②根據(jù)特性方程中最高階數(shù)n的取值可把傳感器分成0階、1階一直到n階系統(tǒng)。一般只研究0、1、2階系統(tǒng)。1.4傳感器的性能指標d

nydyandtnd

n

1yan

1

dtn

1

a1dt

a0y

b0

x1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標0階系統(tǒng)只有a0不為0，則a0

y=b0

xy

b0x

kxa0說明：①0階系統(tǒng)的的動態(tài)特性和線性傳感器的靜態(tài)特性類似。故→ 靜態(tài)靈敏度②y與x在幅度上成正比、相位上無延遲，故該系統(tǒng)是不失真系統(tǒng)。③零階系統(tǒng)的實例：電位器式的電阻傳感器、變面積式的電容傳感器、靜態(tài)式壓力傳感器測量液位。a02024-07-2349k

b01.4傳感器的性能指標d

nydyandtnd

n

1yan

1

dtn

1

a1dt

a0y

b0

x1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標1階系統(tǒng)只a0、a1

不為0，則k

s

1a0②傳遞函數(shù)：H

(s)

說明：①式中

k

b0

→靜態(tài)靈敏度，dtdyba dt aa dydya

ay

bx

y

x

y

kx00 010 01

dta02024-07-2350

a1

→時間常數(shù)③1階系統(tǒng)的實例：不帶套管熱電偶測溫系統(tǒng)、電路中常用的阻容RC濾波器。τ↓和k↑是相矛盾的1.4傳感器的性能指標d

nydyandtnd

n

1yan

1

dtn

1

a1dt

a0y

b0

xdydt

2d

2

ya2a1

dt

a0

y

b0

x2 2dy(t)dt2

dtnn2

n

y(t)

kx(t)d

2

y(t)

1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標2

階系統(tǒng)只a0、a1

、a2不為0，則22024-07-235100 202 a

aa1an,

a /

ak

b0,

2nns2

2kH

(s)

n

2

s

說明：①

k→靜態(tài)靈敏度，ξ→阻尼系數(shù)，ωn→固有頻率②傳遞函數(shù)：③2階系統(tǒng)的實例：帶有套管的熱電偶、

電磁式的動圈儀表及RLC振蕩電路。1.4傳感器的性能指標1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標2024-07-2352對于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當，可忽略相互間的影響，傳感器的等效傳遞函數(shù)可按代數(shù)方式求得。對于較為復雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。若傳感器由r

個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成xyH1

S

H

2

S

H

r

S

則：H

S

H1

S

H2

S

Hr

S

若傳感器由r

個環(huán)節(jié)并聯(lián)而成xyH1

S

H

2

S

H

p

S

則：H

S

H1

S

H2

S

Hp

S

1.4傳感器的性能指標d

nydyandtnd

n

1yan

1

dtn

1

a1dt

a0y

b0

x1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標n

階系統(tǒng)

nn

in

i

1i

10n

1

1

0

Hi(s)Y

(s)

bH(s)

因式分解

X

(s) asn

a sn

1

as

aH

(s) →1、2階系統(tǒng)的級聯(lián)→1、2階系統(tǒng)的并聯(lián)iiiiiiBiAs

ps2

c

s

d或H

(s)

式中H

(s)

1階系統(tǒng)2階系統(tǒng)2024-07-2353②輸入信號的形式。結論：多階系統(tǒng)可以看成1階或2階系統(tǒng)的級聯(lián)或者并聯(lián)。動態(tài)特性取決于：①傳感器的“固有因素”

(如階數(shù)等)；通常的研究對象：①1、2階系統(tǒng)；②輸入為標準輸入(脈沖信號、階躍信號、正弦信號)1.4傳感器的性能指標1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標在評價傳感器動態(tài)特性時，最常用的輸入信號為階躍信號和正弦信號，與其對應的特性稱之為瞬態(tài)響應特性（時域）和頻率響應特性（頻域）。1.瞬態(tài)響應特性在時域內研究傳感器的動態(tài)特性時，常用的激勵信號有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對所加激勵信號的響應稱為瞬態(tài)響應。（1）一階傳感器的單位階躍響應一階傳感器的傳遞函數(shù)為：

Y

s

kH

s

X

s

s

1其中，τ為時間常數(shù)；????為靜態(tài)靈敏度系數(shù)。則一階傳感器的單位階躍響應為。2024-07-2354xyktt11.4傳感器的性能指標1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標H

s

Y

s

kX

s

s

1ty

t

L

1

Y

s

1

e

響應曲線

1，t

0x(t)

0，t

0階躍信號：

X(s)

1sY

(s)

H

(s)

X

(s)

2024-07-23551

1

s

1 s討論：(a)k越大，輸出越大。(b)τ越小，延遲越小。(c)τ↓和k↑是相矛盾的。τ為時間常數(shù)；????為靜態(tài)靈敏度系數(shù)1.4傳感器的性能指標2024-07-23（2）二階傳感器的單位階躍響應上式中，ωn為傳感器的固有頻率；ξ為傳感器的阻尼比。輸入為階躍信號時，傳感器輸出的拉氏變換為sX(s)

1階躍信號：22n n

n

ks2

2

H

(s)

nn1

Y

(s)

H

(s)

X

(s)

n

2s2

2

s

2k

1

1

1

2

2,

11

2

2

1,

11

2

,

arctan

1

t

),

arcthe sh(

1

(1

t)ee sin

1

2

1

sin

t

,

0k

y

1n

tn1

2

t

nnnnt,

1

nt欠阻尼(振蕩,衰減)→臨界阻尼(只衰減)過阻尼(只衰減)雙曲正弦(指數(shù)函數(shù))56→無阻尼(只振蕩)1.4

傳感器的性能指標（2）二階傳感器的單位階躍響應*無阻尼(

0)57欠阻尼(0

1)過阻尼(

1)臨界阻尼(

1)k二階系統(tǒng)的階躍響應討論：(a)k

決定了輸出的大。(b)ξ

決定了輸出的形狀。ξ=0，始終不能達到穩(wěn)定值

，故不能作為工作狀態(tài)。過阻尼(ξ>1),

輸出達到穩(wěn)定的時間很長,也不作為工作狀態(tài)。臨界阻尼

(ξ=1)，達到穩(wěn)定的時間最短，但要使ξ=1，非常困難，故不作為工作狀態(tài)。欠阻尼

(0<ξ<1)，穩(wěn)定時間較短，而且ξ

取值是一個范圍，容易滿足，故選欠阻尼作為工作狀態(tài)。2024-07-231.4傳感器的性能指標（3）瞬態(tài)響應特性指標時間常數(shù)τ：傳感器輸出值由零上升到穩(wěn)定值的63.2或50％所需要的時間。上升時間tr：響應從最初穩(wěn)態(tài)值的5％或10％上升，第一次達穩(wěn)態(tài)值的90％或95%所需的時間。響應時間ts：輸入量開始起作用到輸出進入規(guī)定的穩(wěn)定值范圍所需的時間，一般與規(guī)定誤差一同給出。(讀數(shù)等待時間)超調量σp：指輸出第一次達到穩(wěn)定值又超出穩(wěn)定值而出現(xiàn)的最大偏差，用相對穩(wěn)定值的百分比來表示，如σp

[ymax—y(∞)]/y(∞)×100%。峰值時間tp：傳感器輸出值由零上升超過穩(wěn)定值，到達第一個峰值所需要的時間。二階傳感器的單位階躍響應2024-07-23581.4傳感器的性能指標1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標2.

頻率響應特性頻率響應法是指從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。此時傳感器的輸入信號為正弦信號，這時的響應特性為頻率響應特性。大部分傳感器可以簡化為單自由度一階系統(tǒng)或單自由度二階系統(tǒng)，即一階傳感器的幅頻、相頻特性輸入為正弦信號→頻率響應特性s2

2x

sin

t

X

(s)

H

(s)

k

s

1

Y

(s)

H

(s)

X

(s)

k

s

1 s2

2kk

tsin(

t

),

arctan

2 2

y(t)

e

1

2

21

暫態(tài)響應(可忽略)穩(wěn)態(tài)響應2024-07-23591.4傳感器的性能指標1.4.2傳感器的動態(tài)特性指標1

2

2sin(

t

)

Y