傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù).ppt

2019/6/16,1,第一章 傳感器的基本知識(shí),2019/6/16,2,學(xué)習(xí)要點(diǎn),掌握傳感器的概念及組成 熟悉傳感器的分類(lèi)方法 了解傳感器的命名方法 掌握傳感器的一般特性,2019/6/16,3,1.1 傳感器的作用與地位 1.2 傳感器的應(yīng)用與發(fā)展 1.3 傳感器的定義與組成 1.4 傳感器的分類(lèi) 1.5 傳感器的命名及代號(hào) 1.6 傳感器的基本特性 本章小結(jié) 復(fù)習(xí)思考題,主要內(nèi)容,返回主目錄,2019/6/16,4,1.1 傳感器的作用與地位,世界是由物質(zhì)組成的，各種事物都是物質(zhì)的不同形態(tài)。人們?yōu)榱藦耐饨绔@得信息，必須借助于感覺(jué)器官。 人的“五官”眼、耳、鼻、舌、皮膚分別具有視、聽(tīng)、嗅、味、觸覺(jué)等直接感受周?chē)挛镒兓墓δ?，人的大腦對(duì)“五官”感受到的信息進(jìn)行加工、處理，從而調(diào)節(jié)人的行為活動(dòng)。 人們?cè)谘芯孔匀滑F(xiàn)象、規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中，有時(shí)需要對(duì)某一事物的存在與否作定性了解，有時(shí)需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量以確定對(duì)象的量值的確切數(shù)據(jù)，所以單靠人的自身感覺(jué)器官的功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要借助于某種儀器設(shè)備來(lái)完成，這種儀器設(shè)備就是傳感器。傳感器是人類(lèi)“五官”的延伸，是信息采集系統(tǒng)的首要部件。,2019/6/16,5,電量和非電量,表征物質(zhì)特性及運(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)。 電量一般是指物理學(xué)中的電學(xué)量，例如電壓、電流、電阻、電容及電感等； 非電量則是指除電量之外的一些參數(shù)，例如壓力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、濃度及酸堿度等等。 人類(lèi)為了認(rèn)識(shí)物質(zhì)及事物的本質(zhì)，需要對(duì)物質(zhì)特性進(jìn)行測(cè)量，其中大多數(shù)是對(duì)非電量的測(cè)量。,2019/6/16,6,傳感器的作用,非電量不能直接使用一般的電工儀表和電子儀器進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)橐话愕碾姽x表和電子儀器只能測(cè)量電量，要求輸入的信號(hào)為電信號(hào)。 非電量需要轉(zhuǎn)化成與其有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器。 傳感器是獲取自然或生產(chǎn)中信息的關(guān)鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集工具。采用傳感器技術(shù)的非電量電測(cè)方法，就是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)量技術(shù)。,2019/6/16,7,傳感器的地位,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱產(chǎn)業(yè)，分別充當(dāng)信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”，他們構(gòu)成了一個(gè)完整的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的問(wèn)題就是獲取可靠、準(zhǔn)確信息， 所以傳感器精度的高低直接影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精度，可以說(shuō)沒(méi)有性能優(yōu)良的傳感器，就沒(méi)有現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展。,返回本章目錄,2019/6/16,8,1.2 傳感器的應(yīng)用與發(fā)展,傳感器幾乎滲透到所有的技術(shù)領(lǐng)域。如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探索、環(huán)境保護(hù)、資源利用、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、文物保護(hù)等等廣泛領(lǐng)域，并逐漸深入到人們的生活中。 在機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展中，傳感器采用與否及采用數(shù)量的多少是衡量機(jī)器人是否具有智能的標(biāo)志，現(xiàn)代智能機(jī)器人因?yàn)椴捎昧舜罅康?、性能更好的、功能更?qiáng)的、集成度更高的傳感器，才使得其具有自我診斷、自我補(bǔ)償、自我學(xué)習(xí)等能力，機(jī)器人通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于人的知覺(jué)作用。傳感器被稱(chēng)為機(jī)器人的“電五官”。,2019/6/16,9,在航空、航天技術(shù)領(lǐng)域，僅阿波羅10號(hào)飛船就使用了數(shù)千個(gè)傳感器對(duì)3295個(gè)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。,2019/6/16,10,常娥一號(hào),2019/6/16,11,常娥一號(hào),2019/6/16,12,在兵器領(lǐng)域中，使用了諸如機(jī)械式、壓電、電容、電磁、光纖、紅外、激光、生物、微波等等傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的監(jiān)測(cè)與目標(biāo)定位信息的收集，從而更好的解決了安全、可靠的防衛(wèi)能力。,2019/6/16,13,在民用工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器也起著至關(guān)重要的作用。如一座大型煉鋼廠就需要2萬(wàn)多臺(tái)傳感器和檢測(cè)儀表,煉鐵高爐監(jiān)控與傳動(dòng)系統(tǒng),2019/6/16,14,大型的石油化工廠需要6千臺(tái)傳感器和檢測(cè)儀表,2019/6/16,15,一部現(xiàn)代化汽車(chē)需要90多只傳感器,一臺(tái)復(fù)印機(jī)需要20多只傳感器,2019/6/16,16,日常生活中的電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、音像設(shè)備、電動(dòng)自行車(chē)、空調(diào)器、照相機(jī)、電熱水器、報(bào)警器等家用電器都安裝了傳感器；,2019/6/16,17,在醫(yī)學(xué)上，人體的體溫、血壓、心腦電波及腫瘤等的準(zhǔn)確診斷與監(jiān)控都需要借助各種傳感器來(lái)完成。,2019/6/16,18,當(dāng)今信息時(shí)代，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制技術(shù)顯露出非凡的能力，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。沒(méi)有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，就沒(méi)有現(xiàn)代化的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)；沒(méi)有傳感器就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。 自1980年以來(lái)，世界傳感器的產(chǎn)值年增長(zhǎng)率達(dá)15%30%，1985年世界傳感器市場(chǎng)的年產(chǎn)值為50億，1990年為155億。傳感器的發(fā)展是如泉涌，不可阻擋，它是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。,2019/6/16,19,1.3 傳感器的定義與組成,1.3.1 傳感器的定義 “能感受（或響應(yīng)）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)的器件或裝置”。 這一定義包含了幾個(gè)方面的含義： 傳感器是測(cè)量裝置，能完成測(cè)量任務(wù)； 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； 它的輸出量是某一物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等，這就是所謂的“可用信號(hào)”的含義； 輸出與輸入有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系要有一定的規(guī)律。根據(jù)字義可以理解傳感器為一感二傳，即感受信息并傳遞出去。,2019/6/16,20,被測(cè)非電量,電量,敏感元件,轉(zhuǎn)換元件,轉(zhuǎn)換電路,它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量構(gòu)成有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的某一物理量的元件。,將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào),把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換為便于處理、顯示、記錄、控制和傳輸?shù)目捎秒娦盘?hào),敏感元件,轉(zhuǎn)換元件,1.3.2 傳感器的組成,并不是所有的傳感器必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。 如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件 如果轉(zhuǎn)換元件能直接感受被測(cè)量而輸出與之成一定關(guān)系的電量，它就同時(shí)兼為敏感元件。例如壓電晶體、熱電偶、熱敏感電阻及光電器件等。敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩者合二為一的傳感器是很多的。,返回本章目錄,2019/6/16,21,1.4 傳感器的分類(lèi),常用的分類(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.,2019/6/16,22,1.4.1 按被測(cè)物理量分類(lèi),這一種方法是根據(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、加速度傳感器及轉(zhuǎn)距傳感器等。 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。例如力可視為基本被測(cè)量，從力可派生出壓力、重量、應(yīng)力和力矩等派生被測(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。了解基本被測(cè)量和派生被測(cè)量的關(guān)系，對(duì)于系統(tǒng)使用何種傳感器是很有幫助的。 這種分類(lèi)的優(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，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。,2019/6/16,23,表1-1 基本被測(cè)量和派生被測(cè)量,2019/6/16,24,1.4.2 按傳感器工作原理分類(lèi),這一種分類(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)。 這種分類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器的工作原理表達(dá)的比較清楚，而且類(lèi)別少，有利于傳感器專(zhuān)業(yè)工作者對(duì)傳感器進(jìn)行深入的研究分析。 缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。,2019/6/16,25,1. 電學(xué)式傳感器,電學(xué)式傳感器常用的有: 電阻式傳感器利用變阻器將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)的原理制成。 電容式傳感器利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從 而使電容量發(fā)生變化的原理制成的。 電感式傳感器利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來(lái)改變電感或互感的 電感量或壓磁效應(yīng)原理制成的。 磁電式傳感器利用電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電量而制成。 電渦流式傳感器利用金屬在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，在金屬內(nèi)形成渦 流的原理而制成。,2019/6/16,26,2. 磁學(xué)式傳感器,磁學(xué)式傳感器的是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的。 磁學(xué)式傳感器的主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測(cè)量。,2019/6/16,27,3. 光電式傳感器,光電式傳感器在非電量電測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理制成。 光電式傳感器主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測(cè)量。,2019/6/16,28,4. 電勢(shì)型傳感器,電勢(shì)型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)及霍耳效應(yīng)等原理而制成。 電勢(shì)型傳感器主要用于溫度、磁通量、電流、速度、光通量及熱輻射等參數(shù)的測(cè)量。,2019/6/16,29,5. 電荷型傳感器,電荷型傳感器是利用壓電效應(yīng)原理而制成。 主要用于力及加速度的測(cè)量。 （動(dòng)態(tài)力測(cè)量）,2019/6/16,30,6. 半導(dǎo)體型傳感器,半導(dǎo)體型傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、電磁效應(yīng)及半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。 半導(dǎo)體型傳感器主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場(chǎng)和有害氣體的測(cè)量。,2019/6/16,31,7. 諧振式傳感器,諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械固有參數(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。,2019/6/16,32,8. 電化學(xué)式傳感器,電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成。 根據(jù)其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜（極化）式傳感器和電解式傳感器等。 電化學(xué)式傳感器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)率及氧化還原電位參數(shù)的測(cè)量。,2019/6/16,33,其他分類(lèi)方法,按能量分類(lèi)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)模擬式和數(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。 本書(shū)主要是按被測(cè)量分類(lèi)編寫(xiě)的，適當(dāng)加以工作原理的分析，重點(diǎn)講述各種傳感器的用途，使讀者學(xué)會(huì)使用傳感器，進(jìn)一步去開(kāi)發(fā)新型傳感器。,返回本章目錄,2019/6/16,34,1.5 傳感器的命名及代號(hào),1.5.1 傳感器命名法的構(gòu)成 傳感器產(chǎn)品的名稱(chēng)，應(yīng)由主題詞及四級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成。 （1）主題詞傳感器。 （2）第一級(jí)修飾語(yǔ)被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)。 （3）第二級(jí)修飾語(yǔ)轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。 （4）第三級(jí)修飾語(yǔ)特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。 （5）第四級(jí)修飾語(yǔ)主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。 本命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書(shū)索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場(chǎng)合使用。 例1 傳感器，絕對(duì)壓力，應(yīng)變式，放大型，13500kPa； 例2 傳感器，加速度，壓電式，20g。 在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書(shū)、學(xué)術(shù)論文、教材及書(shū)刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱(chēng)應(yīng)采用與上述相反的順序。 例1 13500kPa放大型應(yīng)變式絕對(duì)壓力傳感器； 例2 20g壓電式加速度傳感器。,2019/6/16,35,1.5.2 傳感器代號(hào)的標(biāo)記方法,一般規(guī)定用大寫(xiě)漢字拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號(hào)。 傳感器完整代號(hào)應(yīng)包括以下四個(gè)部分：（1）主稱(chēng)（傳感器）； （2）被測(cè)量；（3）轉(zhuǎn)換原理；（4）序號(hào)。四部分代號(hào)格式為： 在被測(cè)量、轉(zhuǎn)換原理、序號(hào)三部分代號(hào)之間有連字符“-”連接。 例1：應(yīng)變式位移傳感器，代號(hào)為：CWY-YB-10； 例2：光纖壓力傳感器，代號(hào)為：CY-GQ-1； 例3：溫度傳感器，代號(hào)為：CW-01A； 例4：電容式加速度傳感器，代號(hào)為：CA-DR-2。,返回本章目錄,有少數(shù)代號(hào)用其英文的第一個(gè)字母表示，如加速度用“A”表示。,2019/6/16,36,1.6 傳感器的基本特性,傳感器的基本特性，即輸入輸出特性,動(dòng)態(tài)特性-被測(cè)量隨時(shí)間快速變化時(shí)傳感器 輸入與輸出間的關(guān)系。,靜態(tài)特性-被測(cè)量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化 緩慢時(shí)輸入與輸出間的關(guān)系。,傳 感 器 的 基 本 特 性,2019/6/16,37,靜態(tài)測(cè)量,2019/6/16,38,緩慢變化的測(cè)量-靜態(tài)測(cè)量,2019/6/16,39,動(dòng)態(tài)測(cè)量,2019/6/16,40,1.6.1 傳感器的靜態(tài)特性,傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型-靜態(tài)的數(shù)學(xué)模型是指在靜態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出與輸入量之間的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮遲滯特性和蠕動(dòng)效應(yīng)，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般可用次多項(xiàng)式來(lái)表示為,(1-1),輸入量，即被測(cè)量,傳感器的理論輸出量,零輸入時(shí)的輸出,也叫零位輸出,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,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,2019/6/16,41,傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型4種特殊形式,理想的線性特性-能準(zhǔn)確無(wú)誤地反映被測(cè)的真值,線性傳感器的特性-不過(guò)原點(diǎn)的直線,僅有偶次非線性項(xiàng)-線性范圍較窄，線性度較差，靈敏度為相應(yīng)曲線的斜率,僅有奇次非線性項(xiàng)-線性范圍較寬，且特性曲線相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，具有這種特性的傳感器使用時(shí)應(yīng)采取線性補(bǔ)償措施,圖1-2 傳感器典型靜態(tài)特性曲線,n = 0,1,2,2019/6/16,42,2. 傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo),傳感器的靜態(tài)特性主要由性能指標(biāo)來(lái)描述,量程范圍,線性度,靈敏度,重復(fù)性,遲 滯,分辨力和閾值,穩(wěn)定性,漂 移,2019/6/16,43,線性度,線性度-傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱(chēng)非線性誤差。線性度可用下式表示為,(1-6),實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差,滿量程輸出平均值,最大輸出平均值,最小輸出平均值,2019/6/16,44,線性度是以擬合直線作為基準(zhǔn)來(lái)確定的， 擬合方法不同，線性度的大小也不同,常用的擬合方法有理論直線法、端點(diǎn)連線法、割線法、最小二乘法等。 端點(diǎn)連線法簡(jiǎn)單直觀，應(yīng)用比較廣泛，但沒(méi)有考慮所有測(cè)量數(shù)據(jù)的分布， 擬合精度較低。 最小二乘法擬合精度最高，但計(jì)算繁瑣，需要借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成。,2019/6/16,45,2. 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。 線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖1-4a所示.,圖1-4 傳感器的靈敏度,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1-4b所示.,2019/6/16,46,作圖法求靈敏度,切點(diǎn),傳感器特性曲線,2019/6/16,47,3. 重復(fù)性,重復(fù)性-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1-5所示。,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)摩擦、積塵、電路老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生。,多次測(cè)試的不重復(fù)誤差， 多次測(cè)試的曲線越重合， 其重復(fù)性越好。,輸出最大不重復(fù)誤差,滿量程輸出平均值,圖1-5 重復(fù)性,2019/6/16,48,標(biāo)準(zhǔn)偏差,重復(fù)性誤差反映的是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度，屬隨機(jī)誤差，按上述方法計(jì)算就不太合理。由于測(cè)量次數(shù)不同，其最大偏差也不一樣。因此一般按標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)計(jì)算重復(fù)性誤差，其表達(dá)式為:,標(biāo)準(zhǔn)偏差常用貝塞爾公式計(jì)算,全部校準(zhǔn)點(diǎn)正、反行程輸出值的標(biāo)準(zhǔn)偏差中最大值,某校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值,在第個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上輸出量的平均值,測(cè)量次數(shù),2019/6/16,49,4. 遲滯現(xiàn)象,遲滯現(xiàn)象-傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出輸入特性曲線不一致的程度，如圖16所示。,（1-12）,遲滯反映了傳感器機(jī)械部分不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動(dòng)、元件腐蝕或碎裂、材料內(nèi)摩擦、積塵等。,最大滯環(huán)誤差,圖1-6 遲滯特性,2019/6/16,50,圖1-7 分辨力和閾值,5. 分辨力和閾值,傳感器的分辯力-實(shí)際測(cè)量時(shí)，傳感器的輸入輸出關(guān)系不可能保持絕對(duì)連續(xù)。有時(shí)輸入量開(kāi)始變化，但輸出量并不立刻隨之變化，而是輸入量變化到某一程度時(shí)輸出才突然產(chǎn)生一小的階躍變化。實(shí)際上傳感器的特性曲線并不是十分平滑，而是呈階梯形變化的，如圖1-7所示。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Xmin（有量綱）。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示（分辨率-無(wú)量綱）。 閾值通常又稱(chēng)為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸入量由零變化到使輸出量開(kāi)始發(fā)生可觀變化的輸入量的值，圖中的 值。,2019/6/16,51,對(duì)于數(shù)字儀表而言，指示數(shù)字的最后一位數(shù)字所代表的值就是它的分辨力。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，儀表的最后一位數(shù)字保持不變。 分辨力是一個(gè)可反映傳感器能否精密測(cè)量的性能指標(biāo)，即可用輸入量來(lái)表示，也可用輸出量來(lái)表示。 造成傳感器具有有限分辨力的因素很多，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成的干摩擦和卡塞等。,2019/6/16,52,6. 穩(wěn)定性,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)定性表示，它是指在室溫條件下,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)表征其輸出的穩(wěn)定度。,2019/6/16,53,7. 漂移,傳感器的漂移-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。,零點(diǎn)漂移,靈敏度漂移,漂移,時(shí)間漂移-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-環(huán)境溫度變而引起的零點(diǎn)或 靈敏度的變化,溫度漂移,時(shí)間漂移,2019/6/16,54,8. 測(cè)量范圍和量程,傳感器所能測(cè)量的最大被測(cè)量（輸入量）的數(shù)值稱(chēng)為測(cè)量上限，最小被測(cè)量稱(chēng)為測(cè)量下限，上限與下限之間的區(qū)間，則稱(chēng)為測(cè)量范圍。 量程-測(cè)量上限與下限的代數(shù)差。 例如： 測(cè)量范圍為0+10N，量程為10N； 測(cè)量范圍為-20+20，量程為40； 測(cè)量范圍為-5+10g，量程為15g； 測(cè)量范圍為1001000Pa，量程為900Pa； 通過(guò)測(cè)量范圍，可以知道傳感器的測(cè)量上限與下限，以便正確使用傳感器；通過(guò)量程，可以知道傳感器的滿量程輸入值，而其對(duì)應(yīng)的滿量程輸出值，乃是決定傳感器性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。,2019/6/16,55,1.6.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性,在動(dòng)態(tài)(快速變化)的輸入信號(hào)情況下，要求傳感器不僅能精確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小，而且能測(cè)量出信號(hào)變化的過(guò)程。這就要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的變化。也就是說(shuō)，傳感器要有良好的動(dòng)態(tài)特性。 具體研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，通常從時(shí)域和頻域兩方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)分析。 最常用的是通過(guò)幾種特殊的輸入時(shí)間函數(shù)，例如用階躍函數(shù)來(lái)研究其響應(yīng)特性，稱(chēng)為階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。,2019/6/16,56,1. 傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型-指在隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出與輸入量間的函數(shù)關(guān)系，它通常稱(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。,2019/6/16,57,微分方程表達(dá)式,式中： 與傳感器的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) t時(shí)間；y輸出量y(t)；x輸入量x(t)。,（1-13）,數(shù)學(xué)上常采用拉普拉斯變換將實(shí)數(shù)域的微分方程變成復(fù)數(shù)域（S域）的代數(shù)方程，求解代數(shù)方程就容易多了。,2019/6/16,58,傳遞函數(shù),動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性定常系統(tǒng)中是初始條件為0時(shí)，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。 由數(shù)學(xué)理論知，如果當(dāng)t0時(shí),y(t)=0,則y(t)的拉普拉斯變換可定義為 式中 s=+j， 0。 對(duì)式（113）現(xiàn)兩邊取拉普拉斯變換，則得,(1-14),2019/6/16,59,則系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 為,（113）,2019/6/16,60,傳遞函數(shù) H（S）表達(dá)式含義,(1-15) （1-15）第二個(gè)等號(hào)右邊是一個(gè)與輸入無(wú)關(guān)的表達(dá)式，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，可見(jiàn)傳遞函數(shù)H（S）是描述傳感器本身信息的特性，條件是t 0，y(t) = 0，即傳感器被激勵(lì)之前所有儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件均沒(méi)有積存能量。這樣不必了解復(fù)雜系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)內(nèi)容，只要給出一個(gè)激勵(lì)x(t)，得到系統(tǒng)對(duì)x(t)的響應(yīng)y(t)，由它們的拉普拉斯變換就可以確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)。對(duì)于多環(huán)節(jié)串聯(lián)或并聯(lián)組成的傳感器或檢測(cè)系統(tǒng)，如果各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可略去相互之間的影響，總的傳遞函數(shù)可由各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)相乘或相加求得。當(dāng)傳感器比較復(fù)雜或傳感器的基本參數(shù)未知時(shí)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得傳遞函數(shù)。,2019/6/16,61,2. 動(dòng)態(tài)特性,在動(dòng)態(tài)(快速變化)的輸入信號(hào)作用下，要求傳感器不僅能精確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小，而且能測(cè)量出信號(hào)變化的過(guò)程。這就要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的變化。也就是說(shuō)，傳感器要有良好的動(dòng)態(tài)特性。,動(dòng)態(tài)特性,時(shí)域-瞬態(tài)響應(yīng)法（研究系統(tǒng)輸出波形） -階躍信號(hào),頻域-頻率響應(yīng)法來(lái)（研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)） -正弦信號(hào),2019/6/16,62,階躍響應(yīng)特性（時(shí)域）,給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào),其輸出特性稱(chēng)為階躍響應(yīng)特性。表征階躍響應(yīng)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：時(shí)間常數(shù)、延遲時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間、最大超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間等。如圖1-8、1-9所示。,x（t）=,(1-16),2019/6/16,63,時(shí)間常數(shù) - 一階傳感器階躍響應(yīng)曲線由零上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需要的時(shí)間,最大超調(diào)量p-響應(yīng)偏離階躍曲線的最大值，常用百分?jǐn)?shù)表示，能說(shuō)明傳感器的相對(duì)穩(wěn)定性,上升時(shí)間tr-響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需要的時(shí)間,峰值時(shí)間tp-響應(yīng)曲線上升到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間,響應(yīng)時(shí)間ts-響應(yīng)曲線逐漸趨于穩(wěn)定，到與穩(wěn)