第1章傳感器概述

1、第第1 1章章 傳感器概述傳感器概述1.1 1.1 傳感器的定義、組成和分類傳感器的定義、組成和分類11.2 1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性1.3 1.3 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)31.4 1.4 傳感器選擇的一般原則傳感器選擇的一般原則42國家標(biāo)準(zhǔn)（國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中傳感器的定義：）中傳感器的定義： 傳感器：傳感器：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。用輸出信號的器件或裝置。 傳傳感器是測測量裝置，能完成檢測檢測任務(wù)務(wù)； 輸輸入量是某一被測測量，物理量、化學(xué)學(xué)量、生物量等； 輸輸出量是

2、某種種物理量，便于傳輸傳輸、轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換、處處理、顯顯示等，可以是氣氣、光、電電物理量，主要是電電物理量； 輸輸出與輸與輸入有對應(yīng)關(guān)對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)應(yīng)有一定的精確程度。傳感器名稱：傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、換能器、探測器發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、換能器、探測器傳感器功用：傳感器功用：一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。一、傳感器的定義一、傳感器的定義（Transducer/Sensor）1.1 傳感器的定義、組成和分類輔助電源輔助電源敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路被測量被測量電量電量敏感元件敏感元件：直接感受被

3、測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成：敏感元件的輸出就是它的輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。二、傳感器的組成二、傳感器的組成1.1 傳感器的定義、組成和分類輔助電源輔助電源敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路被測量被測量電量電量二、傳感器的組成二、傳感器的組成1.1 傳感器的定義、

4、組成和分類測量壓力的電測量壓力的電位器式壓力傳位器式壓力傳感器的組成感器的組成 （1）敏感元件）敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量成直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。確定關(guān)系的某一物理量的元件。二、傳感器的組成二、傳感器的組成1.1 傳感器的定義、組成和分類彈性敏感元件彈性敏感元件實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件兼轉(zhuǎn)換元件)組成，感受被測量組成，感受被測量時直接輸出電

5、量，如時直接輸出電量，如熱電偶熱電偶。二、傳感器的組成二、傳感器的組成（2 2）轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件1.1 傳感器的定義、組成和分類熱電偶熱電偶有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路。例如：有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路。例如：壓電式加速度傳感器，質(zhì)量塊是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元壓電式加速度傳感器，質(zhì)量塊是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。二、傳感器的組成二、傳感器的組成（2 2）轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件1.1 傳感器的定義、組成和分類壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器二

6、、傳感器的組成二、傳感器的組成（2 2）轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件1.1 傳感器的定義、組成和分類被測非電量：被測非電量：外界壓力外界壓力敏敏 感感 元元 件：件：彈性體彈性體有用非電量：有用非電量：極板間距變化極板間距變化傳傳 感感 元元 件：件：平行板電容器平行板電容器有有 用用 電電 量：量：電容量電容量C二、傳感器的組成二、傳感器的組成（3 3）轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路1.1 傳感器的定義、組成和分類轉(zhuǎn)換電路是傳感器的主要組成環(huán)節(jié)：轉(zhuǎn)換電路是傳感器的主要組成環(huán)節(jié)：因為不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從因為不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)

7、之一轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 國標(biāo)國標(biāo)GB/T14479-93規(guī)定傳感器圖用圖形符號表示方法：規(guī)定傳感器圖用圖形符號表示方法：三、傳感器的圖形符號三、傳感器的圖形符號1.1 傳感器的定義、組成和分類 1、按工作機理：、按工作機理：物理型、化學(xué)型、生物型等物理型、化學(xué)型、生物型等 2、按構(gòu)成原理：、按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類 3、根據(jù)能量轉(zhuǎn)換：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器、根據(jù)能量轉(zhuǎn)換：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器4、按照物理原理分類：、按照物理原理分類：十種十種 5、按照用途分類、按照用途分類 ：位移、壓力、振動、溫度等傳感器位移、壓力、振動、溫度等傳感器7、

8、根據(jù)輸出信號：、根據(jù)輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號 6、根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否、根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否 ：單向和雙向：單向和雙向8、根據(jù)是否使用電源：有源傳感器和無源傳感器、根據(jù)是否使用電源：有源傳感器和無源傳感器 四、傳感器的分類四、傳感器的分類1.1 傳感器的定義、組成和分類結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器利用物理學(xué)中利用物理學(xué)中場的定律場的定律構(gòu)成構(gòu)成的，包括動力場的運動定律，電的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學(xué)中的磁場的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作

9、時的數(shù)學(xué)模型。傳感器在工作時的數(shù)學(xué)模型。這類傳感器的特點：這類傳感器的特點：傳感器的工作原理是以傳感傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)變化為基礎(chǔ)。 四、傳感器的分類四、傳感器的分類1.1 傳感器的定義、組成和分類各種彈性敏感元件傳感器各種彈性敏感元件傳感器物性型傳感器物性型傳感器利用利用物質(zhì)定律物質(zhì)定律構(gòu)成的，如虎克定律、構(gòu)成的，如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物

10、質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。決定了傳感器的主要性能。物性型傳感器的性能隨材料的不同而物性型傳感器的性能隨材料的不同而異異。如光電管，利用了物質(zhì)法則中的外光。如光電管，利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)，特性與涂覆在電極上的材料有著電效應(yīng)，特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關(guān)系。又如所有半導(dǎo)體傳感器、所密切的關(guān)系。又如所有半導(dǎo)體傳感器、所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。屬于物性型傳感器。 四、傳感器的分

11、類四、傳感器的分類1.1 傳感器的定義、組成和分類半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器能量控制型傳感器能量控制型傳感器在信息變化過程中，在信息變化過程中，傳感器將從傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號分能量載運信息而形成輸出信號。這類傳感器必須由外部提供激勵這類傳感器必須由外部提供激勵源，如電阻、電感、電容等電路參量源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器。傳感器都屬于這一類傳感器?；趹?yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、基于應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、外光電

12、效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等熱阻效應(yīng)、外光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等的傳感器也屬于此類傳感器。的傳感器也屬于此類傳感器。 四、傳感器的分類四、傳感器的分類1.1 傳感器的定義、組成和分類霍爾傳感器霍爾傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器，又能量轉(zhuǎn)換型傳感器，又稱稱有源型或發(fā)生器型有源型或發(fā)生器型傳感器。傳感器。傳感器將從被測對象獲取的傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量號能量，主要由能量變換元，主要由能量變換元件構(gòu)成，不需要外電源。如件構(gòu)成，不需要外電源。如基于基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)等的傳感器都屬等的傳感器都屬于

13、此類傳感器。于此類傳感器。 四、傳感器的分類四、傳感器的分類1.1 傳感器的定義、組成和分類光電傳感器光電傳感器按照物理原理分類：按照物理原理分類：電參量式傳感器：電阻式、電感電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；式、電容式等； 磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等；爾式、磁柵式等； 壓電式傳感器：聲波傳感器、超壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；聲波傳感器； 光電式傳感器：一般光電式、光光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等；纖維式、紅外式、攝像式等；氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)

14、變氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式；式； 四、傳感器的分類四、傳感器的分類1.1 傳感器的定義、組成和分類熱電式傳感器：熱電偶、熱熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；電阻； 波式傳感器：超聲波式、微波式傳感器：超聲波式、微波式等；波式等；射線式傳感器：熱輻射式、射線式傳感器：熱輻射式、射線式；射線式；半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；熱敏電阻；其他原理的傳感器：差動變其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。壓器、振弦式等。有些傳感器的工作原理具有兩有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式，如不種以上原理的復(fù)合形式，如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成少半導(dǎo)體式傳感器，也可看

15、成電參量式傳感器。電參量式傳感器。 五、傳感器的物理定律五、傳感器的物理定律1.1 傳感器的定義、組成和分類1 1、守恒定律、守恒定律 物理量隨著空間和時間的移動，其總量保持不變。物理量隨著空間和時間的移動，其總量保持不變。 能量守恒、動量守恒、電荷守恒，等等。能量守恒、動量守恒、電荷守恒，等等。 傳感器與被測量之間能量轉(zhuǎn)換時必須遵循守恒定律。傳感器與被測量之間能量轉(zhuǎn)換時必須遵循守恒定律。2 2、統(tǒng)計法則、統(tǒng)計法則 運動的微觀世界與宏觀世界相結(jié)合的定律。運動的微觀世界與宏觀世界相結(jié)合的定律。 如：熱力學(xué)第二定律，奈奎斯特（如：熱力學(xué)第二定律，奈奎斯特（Nyquist）定理，等。）定理，等。 常

16、和傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)。常和傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)。五、傳感器的物理定律五、傳感器的物理定律1.1 傳感器的定義、組成和分類3 3、場的定律、場的定律 描述電磁場、物質(zhì)場、重力場等在空間和時間上的變換規(guī)律。描述電磁場、物質(zhì)場、重力場等在空間和時間上的變換規(guī)律。 物理方程物理方程變換為變換為傳感器工作的數(shù)學(xué)模型。傳感器工作的數(shù)學(xué)模型。 靜電場：靜電場：電容式傳感器；電容式傳感器；電磁感應(yīng)：電磁感應(yīng)：電感式傳感器。電感式傳感器。 結(jié)構(gòu)型傳感器：結(jié)構(gòu)型傳感器：利用場的定律構(gòu)成的傳感器。利用場的定律構(gòu)成的傳感器。4 4、物質(zhì)定律、物質(zhì)定律 關(guān)于各種物質(zhì)內(nèi)在客觀性質(zhì)的定律。關(guān)于各種物質(zhì)內(nèi)在客觀性質(zhì)的定律。

17、 虎克定律虎克定律 、歐姆定律、歐姆定律 ，等等。，等等。 半導(dǎo)體物質(zhì)法則：壓敏、熱敏、光敏、濕敏。半導(dǎo)體物質(zhì)法則：壓敏、熱敏、光敏、濕敏。 物性型傳感器：物性型傳感器：基于物質(zhì)定律構(gòu)成的傳感器?；谖镔|(zhì)定律構(gòu)成的傳感器。傳傳感器特性：主要是指輸輸出與輸與輸入之間間的關(guān)關(guān)系。傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來描述。傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即得到靜態(tài)特性。即得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。動態(tài)特性：動態(tài)特性：

18、當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時，輸當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時，輸出與輸入之間關(guān)系稱為動態(tài)特性。出與輸入之間關(guān)系稱為動態(tài)特性。靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，輸出與輸入之間關(guān)系稱為靜態(tài)特性輸出與輸入之間關(guān)系稱為靜態(tài)特性。1.2 傳感器的基本特性實際上傳感器的靜態(tài)特性要包括實際上傳感器的靜態(tài)特性要包括非線性非線性和和隨機性隨機性等因素，如等因素，如果把這些因素都引入微分方程，將使問題復(fù)雜化。為討論問題簡果把這些因素都引入微分方程，將使問題復(fù)雜化。為討論問題簡便，便，一般分開考慮靜態(tài)特性和動態(tài)特性一般分開考慮靜態(tài)特性和動態(tài)特性。傳感器的輸出與輸入具有確定的

19、對應(yīng)關(guān)系最好呈線性關(guān)系。傳感器的輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系最好呈線性關(guān)系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關(guān)系，同時由于但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關(guān)系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的影響，使輸出輸入對應(yīng)關(guān)系的唯一確定性也不能實現(xiàn)。影響，使輸出輸入對應(yīng)關(guān)系的唯一確定性也不能實現(xiàn)。考慮了這些情況之后，傳感器的輸出輸入互相作用大致如圖考慮了這些情況之后，傳感器的輸出輸入互相作用大致如圖所示。所示。傳感器除了描述輸出輸入關(guān)系的特性之外，還有與使用條件、傳感器除了描述輸出輸入關(guān)系的特性之

20、外，還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。1.2 傳感器的基本特性沖擊與振動沖擊與振動傳感器輸入與輸出相互作用傳感器輸入與輸出相互作用穩(wěn)定性穩(wěn)定性( (零漂零漂) )傳感器傳感器溫度溫度供電供電各種干擾穩(wěn)定性各種干擾穩(wěn)定性溫漂溫漂分辨力分辨力電磁場電磁場線性線性滯后滯后重復(fù)性重復(fù)性靈敏度靈敏度輸入輸入誤差因素誤差因素外界影響外界影響輸出輸出取決于傳感器本身，通過傳感器本身的改善來加以取決于傳感器本身，通過傳感器本身的改善來加以抑制，也可以對外界條件加以限制。抑制，也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)1.2

21、傳感器的基本特性靜態(tài)特性曲線可實際測量。在測得特性曲線之后，可以說問題靜態(tài)特性曲線可實際測量。在測得特性曲線之后，可以說問題已經(jīng)解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望是線性關(guān)系。已經(jīng)解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望是線性關(guān)系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行線性這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行線性化處理。一般來說，這些辦法都比較復(fù)雜?；幚怼Ｒ话銇碚f，這些辦法都比較復(fù)雜。一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性1 1、線性度、線性度傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、

22、不穩(wěn)定性等因素的情況下，蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型可用下列多項式靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型可用下列多項式代數(shù)方程表示代數(shù)方程表示：式中式中 y輸出量；輸出量； x輸入量；輸入量； a0零點輸出；零點輸出； a1理論靈敏度；理論靈敏度； a2、a3、 、 an非線性項系數(shù)。各項系數(shù)不同，決定了特性曲線非線性項系數(shù)。各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn1.2 傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性 4、線性度（非線性誤差） 在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程（F.S）輸出值的百分比稱為線性度。 線性度： 擬

23、合方法有基端線性擬合、最佳直線擬合和最小二乘法擬合。 一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性1 1、線性度、線性度1.2 傳感器的基本特性.55331xaxaxay.4422xaxayxay1nnxaxaxaay.2210特性曲線特性曲線: 一些特性曲線的一些特性曲線的具體形式。具體形式。 Lmax 最大非線性誤差；最大非線性誤差；yFS量程輸出。量程輸出。在非線性誤差不太大的情況下，總是在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法采用直線擬合的辦法來線性來線性化。采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間化。采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大

24、偏差，就稱為的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度非線性誤差或線性度。通常用相對誤差。通常用相對誤差L表示：表示：非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計算是否簡便。算是否簡便。L=(Lmax/yFS)100%理論擬合；端點連線平移擬合；端點連線擬合；理論擬合；端點連線平移擬合；端點連線擬

25、合； 過零旋過零旋轉(zhuǎn)擬合；最小二乘擬合；轉(zhuǎn)擬合；最小二乘擬合； 最小包容擬合最小包容擬合一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性1 1、線性度、線性度1.2 傳感器的基本特性a) 理論擬合理論擬合 b) 過零旋轉(zhuǎn)擬合過零旋轉(zhuǎn)擬合 c) 端點連線擬合端點連線擬合 d) 端點連線平移擬合端點連線平移擬合一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性1 1、線性度、線性度1.2 傳感器的基本特性0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘擬合法最小二乘法擬合最小二乘法擬合y=kx+b若實際校準(zhǔn)測試點有若實際校準(zhǔn)測試點有n個，則第個，則第i個校準(zhǔn)個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為數(shù)據(jù)與擬合直線上響

26、應(yīng)值之間的殘差為i=yi-(kxi+b)min2112niiiniibkxy最小二乘法擬合直線的原理就是使最小二乘法擬合直線的原理就是使 為最小值，即為最小值，即 對對k k和和b b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出a a和和k k的表達式。的表達式。2i2i一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性1 1、線性度、線性度1.2 傳感器的基本特性設(shè)擬合直線方程：即得到k和b的表達式為022iiiixbkxyk0122bkxybiii22iiiiiixxnyxyxnk222iiiiiiixxnyxxyxb系數(shù)系數(shù)k和和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的代入擬合直線方程

27、，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值最大值Lmax即為非線性誤差。即為非線性誤差。最小二乘法擬合最小二乘法擬合一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性1 1、線性度、線性度1.2 傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性1 1、線性度、線性度1.2 傳感器的基本特性0yxHmaxyFS遲滯特性遲滯特性%100/2/1maxFSHHy 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對誤差表示。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差。回程誤差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程

28、中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。 傳感器在正傳感器在正( (輸入量增大輸入量增大) )反（輸入反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯為遲滯。遲滯特性一般是由實驗方法測。遲滯特性一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即數(shù)表示，即一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性2 2、遲滯、遲滯1.2 傳感器的基本特性式中式中 Hmax正反行程間輸出的最大差值。正反行程間輸出的最大差值。 Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差正行程的最大重復(fù)性偏差 Rmax

29、2反行程的最大重復(fù)性偏差反行程的最大重復(fù)性偏差yx0Rmax2Rmax1檢測時也可選取幾個測試點，對檢測時也可選取幾個測試點，對應(yīng)每一點多次從同一方向趨近。應(yīng)每一點多次從同一方向趨近。%100/maxFSRRy重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。程度。重復(fù)性誤差可用正反行程中最大重復(fù)性誤差可用正反行程中最大偏差表示偏差表示：獲得輸出值系列獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，yin ，算出最大值與最小值之差，算出最大值與最小值之差或或3作為重復(fù)性偏差作為重復(fù)性偏差Ri，在幾個，在幾個Ri中取出

30、最大值中取出最大值Rmax作為重復(fù)性誤作為重復(fù)性誤差：差：%100/)32(FSRy一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性3 3、重復(fù)性、重復(fù)性1.2 傳感器的基本特性yFS一、傳感器的靜態(tài)特性 6、滯后性在輸入量增加過程中測得的某一點輸出值，與在輸入減少過程測得的同一點值不一樣，這種現(xiàn)象稱為滯后。圖中曲線稱為滯環(huán)特性曲線。 一、傳感器的靜態(tài)特性 6、滯后性續(xù)1對滯后性的衡量，一般用滯環(huán)的最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比來表示，稱為滯環(huán)誤差 或 如果傳感器存在滯后性，則輸入與輸出就不能保持一一的對應(yīng)關(guān)系，因此應(yīng)盡量使之變小。產(chǎn)生滯后性的原因主要是材料的物理性質(zhì)所造成的。一、傳感

31、器的靜態(tài)特性 7、重復(fù)性續(xù)1不一致性一般用各測量值正、反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩位或三倍值與滿量程輸出值的百分比來表示（或稱為回差） 或 其中，為標(biāo)準(zhǔn)偏差。 s=(k/k)100%由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈靈敏度誤差用相對誤差表示，即敏度誤差用相對誤差表示，即因此，傳感器輸出曲線的因此，傳感器輸出曲線的斜率斜率就是靈敏度。線性特性的傳就是靈敏度。線性特性的傳感器，特性曲線的斜率處處相同，靈敏度感器，特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數(shù)，與輸入是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。量大小無關(guān)。K=y/x傳感器輸出的變化量傳感器輸出的

32、變化量y與引起該變化量的輸入變化量與引起該變化量的輸入變化量x之之比即為靜態(tài)靈敏度，表達式為比即為靜態(tài)靈敏度，表達式為一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性4 4、靈敏度與靈敏度誤差、靈敏度與靈敏度誤差1.2 傳感器的基本特性分辨力用絕對值表示，用與滿分辨力用絕對值表示，用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時稱為量程的百分?jǐn)?shù)表示時稱為分辨率分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為力稱為閾值閾值。 分辨力是指傳感器能檢測到的分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。最小的輸入增量。有些傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變有些傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時，輸出量只作階梯變化，則分化時，輸出量只作階梯

33、變化，則分辨力就是輸出量的每個辨力就是輸出量的每個“階梯階梯”所所代表的輸入量的大小。代表的輸入量的大小。一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性5 5、分辨力與閾值、分辨力與閾值1.2 傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性 3、精度傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度表示重復(fù)某個讀數(shù)的能力，其誤差愈小，則精度愈高。定義為：傳感器的精度表示傳感器在規(guī)定條件下允許的最大絕對誤差相對于傳感器滿量程輸出的百分比， 其中，A為測量范圍內(nèi)允許的最大絕對誤差。在應(yīng)用中，為了簡化傳感器的精度的表示方法，引用了精度等級的概念，分為：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.

34、0。精度等級越小精度越高 一、傳感器的靜態(tài)特性 5、最小檢測量和分辨率 是指傳感器能確切反映被測量的最低極限量 x，小于這個量的區(qū)域稱為死區(qū)。對于數(shù)字傳感器，常用分辨率來表示。最小檢測量(或感度)的影響因素二：(1) 輸入的變動量x在傳感器內(nèi)部被吸收 如：帶有螺紋或齒條傳遞的傳感器，由于螺紋和螺母間、齒輪和齒條間存在間隙，當(dāng)輸入變量x小于這一間隙時，便被傳感器內(nèi)部吸收。一、傳感器的靜態(tài)特性 5、最小檢測量和分辨率續(xù)1(2) 傳感器輸入、輸出端均存在噪聲干擾，x過小時，被外界噪聲所淹沒。 最小檢測量： 其中，C為系數(shù)，一般取15，N為噪聲電平，K為靈敏度。對于數(shù)字式傳感器，則用輸出數(shù)字指示值最后

35、一位數(shù)字所代表的輸入量來表示，稱為分辨率。測試時先將傳感器輸出調(diào)至測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔零點或某一特定點，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。既可用相對誤差表穩(wěn)定性誤差。既可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。示，也可用絕對誤差表示。 時間穩(wěn)定性是指傳感器在長時間穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移性或零點漂移。一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性 6 6、時

36、間穩(wěn)定性（零漂）、時間穩(wěn)定性（零漂）1.2 傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性 8、零點漂移傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時，每隔一段時間進行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值），即為零點飄移，用百分比表示： 其中，y0為最大零點偏差（或相應(yīng)偏差）。 一、傳感器的靜態(tài)特性 9、溫度漂移溫漂表示溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1時，輸出最大偏差與滿量程的百分比表示： 其中，max為輸出最大偏差，T為溫度變化范圍。 測試時先將傳感器置于一定溫度測試時先將傳感器置于一定溫度(如如20)，將其輸出調(diào)至零點或，將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)某一特定點，使溫度

37、上升或下降一定的度數(shù)(如如5或或10)，再讀出輸，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度穩(wěn)定性又稱為溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干的絕對誤差或相對誤差表示，的絕對誤差或相對誤差表示，每每引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。 8 8抗干擾穩(wěn)定性抗干擾穩(wěn)定性指傳感器對外界干擾的抵抗能力。指傳感器對外界干擾的抵抗能力。例如：抗沖擊和振動的能力、例如：抗沖擊和振

38、動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等?？钩睗竦哪芰Α⒖闺姶艌龈蓴_的能力等。評價這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問評價這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。題具體分析。一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性 7 7、溫度穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性（溫漂）（溫漂）1.2 傳感器的基本特性2111niiyn取取2和和3值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對誤差來表值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對誤差來表示，即示，即 %100/3FSy靜態(tài)誤差的求取方法：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值的殘靜態(tài)誤差的求取方法：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值

39、的殘差，看成是隨機分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，即差，看成是隨機分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，即靜態(tài)誤差是指傳感器在全量程內(nèi)任一點的輸出值與理論值的偏離靜態(tài)誤差是指傳感器在全量程內(nèi)任一點的輸出值與理論值的偏離程度。程度。yi各測試點的殘差；各測試點的殘差； n一測試點數(shù)。一測試點數(shù)。2222SRHL一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性9 9、靜態(tài)誤差、靜態(tài)誤差1.2 傳感器的基本特性與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度(精度精度)準(zhǔn)確度：準(zhǔn)確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，

40、準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。準(zhǔn)確度高不一定精密度高。準(zhǔn)確度高不一定精密度高。精密度：精密度：說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量多次，一個測量者，用同一個傳感器，在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量多次，其測量結(jié)果的分散程度。精密度是隨機誤差大小的標(biāo)志，精密度高，其測量結(jié)果的分散程度。精密度是隨機誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機誤差小。注意：意味著隨機誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。精密度高不一定準(zhǔn)確度高。一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳

41、感器的靜態(tài)特性1010、精確度、精確度1.2 傳感器的基本特性精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高。實際的常以測量誤差的相對值表示。較高。實際的常以測量誤差的相對值表示。 （a）準(zhǔn)確度高而精密度低）準(zhǔn)確度高而精密度低 （b）準(zhǔn)確度低而精密度高）準(zhǔn)確度低而精密度高 （c）精確度高）精確度高精確度示意圖精確度示意圖在測量中我們希望得到精確度高的結(jié)果。在測量中我們希望得到精確度高的結(jié)果。 一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性1010、精確度、精確度1.2 傳感器的基本特性二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性1.2

42、 傳感器的基本特性二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性1.2 傳感器的基本特性水溫水溫T熱電偶熱電偶環(huán)境溫度環(huán)境溫度T T0 0 T TT T0 0被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。研究動態(tài)特性常根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來考慮傳感器的響應(yīng)特性。研究動態(tài)特性常根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來考慮傳感器的響應(yīng)特性。動態(tài)特性：傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動態(tài)特性：傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。u正弦變化的輸入正弦變化的輸入u階躍變化的輸入階躍變化的輸入

43、u線性輸入線性輸入標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種：標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種：經(jīng)常使用的是前兩種：經(jīng)常使用的是前兩種：正弦和正弦和階躍階躍變化的輸入變化的輸入。二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性1.2 傳感器的基本特性分析傳感器動態(tài)特性，也分析傳感器動態(tài)特性，也需要建立數(shù)學(xué)模型。需要建立數(shù)學(xué)模型。描述傳感器動態(tài)特性的一描述傳感器動態(tài)特性的一般微分方程：般微分方程：xbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101/ yy輸出量；輸出量； xx輸入量；輸入量； tt時時間；間；a a0 0， a a1 1， ，a an n常系數(shù)；常系數(shù)； b b0 0， b b1 1， ，b bm m常常系系數(shù)數(shù)

44、輸出量對時間輸出量對時間t t的的n n階導(dǎo)數(shù)階導(dǎo)數(shù) 輸入量對時間輸入量對時間t t的的m m階導(dǎo)數(shù)階導(dǎo)數(shù)nndtyd/mmdtxd/二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性1 1、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型1.2 傳感器的基本特性線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為一線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)線性微分方程。常系數(shù)線性微分方程。研究線性系統(tǒng)的動態(tài)特性，研究線性系統(tǒng)的動態(tài)特性，主要是分析數(shù)學(xué)模型的輸入量主要是分析數(shù)學(xué)模型的輸入量x x與輸出量與輸出量y y之間的關(guān)系，通過之間的關(guān)系，通過求解微分方程，可知動態(tài)性能求解微分方程，可知動態(tài)性能指標(biāo)。指標(biāo)。線性定常系統(tǒng)（特性不隨時線性定常系統(tǒng)（特性不隨時間改變的線性系統(tǒng)），間

45、改變的線性系統(tǒng)），數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型為高階常系數(shù)線性微分方程為高階常系數(shù)線性微分方程，即，即xbyadtdyadtydannn001二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性1 1、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型1.2 傳感器的基本特性)()()()()()(001tkxtydttdytxbtyadttdya)()();()(00tkxtytxbtya 理想的動態(tài)特性，無論被測量理想的動態(tài)特性，無論被測量x(t)如何隨時間變化，輸出都不會失如何隨時間變化，輸出都不會失真，在時間上也無任何滯后，真，在時間上也無任何滯后，零階系零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。 實際應(yīng)用時改寫為第二式，實際應(yīng)用時改寫為第二式

46、，傳感器的時間常數(shù)，傳感器的時間常數(shù)，k k靜態(tài)靈靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。敏度或放大系數(shù)。 時間常數(shù)具有時間的量綱，時間常數(shù)具有時間的量綱，反映傳感器的慣性大小；靜態(tài)靈反映傳感器的慣性大?。混o態(tài)靈敏度則說明靜態(tài)特性。敏度則說明靜態(tài)特性。 一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)。一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)。實際應(yīng)用時改寫為第二式，實際應(yīng)用時改寫為第二式，k傳感器的靜態(tài)靈敏度或放傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，大系數(shù)，傳感器的阻尼系傳感器的阻尼系數(shù)，數(shù)，n 固有頻率。固有頻率。二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性1 1、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型1.2 傳感器的基本特性)()()(2)()()()()(2222001222tk

47、xtydttdydttydtxbtyadttdyadttydannn根據(jù)二階微分方程特征方根據(jù)二階微分方程特征方程根的性質(zhì)不同，二階系統(tǒng)又程根的性質(zhì)不同，二階系統(tǒng)又可分為：可分為： 二階慣性系統(tǒng)二階慣性系統(tǒng)特點：特征方程的根為兩特點：特征方程的根為兩個負(fù)實根，相當(dāng)于兩個一階系個負(fù)實根，相當(dāng)于兩個一階系統(tǒng)串聯(lián)。統(tǒng)串聯(lián)。 二階振蕩系統(tǒng)二階振蕩系統(tǒng)特點：特征方程的根為一特點：特征方程的根為一對帶負(fù)實部的共軛復(fù)根。對帶負(fù)實部的共軛復(fù)根。定義：定義：在線性或線性化定常在線性或線性化定常系統(tǒng)中，動態(tài)特性的系統(tǒng)中，動態(tài)特性的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)是是指初始條件為指初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換

48、與輸入量的拉氏變換的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。之比。輸出量：響應(yīng)函數(shù)；輸出量：響應(yīng)函數(shù)；輸入量：激勵函數(shù)。輸入量：激勵函數(shù)。0101)()()(asasabsbsbsHsXsYnnmmY(s) 傳感器輸出量的拉氏變換式；傳感器輸出量的拉氏變換式； X(s) 傳感器輸入量的拉氏變換式。傳感器輸入量的拉氏變換式。二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性2 2、傳遞函數(shù)、傳遞函數(shù)1.2 傳感器的基本特性拉氏變換：拉氏變換：0)()(0)(0dtetysYtyttS；時，當(dāng)js拉氏變換自變量：拉氏變換自變量：為收斂因子，為收斂因子，為角頻率。為角頻率。初值為初值為0時，傳感器數(shù)學(xué)模時，傳感器數(shù)學(xué)

49、模型進行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)型進行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)H(s)傳遞函數(shù)求法：傳遞函數(shù)求法：一定常系統(tǒng)，微分一定常系統(tǒng)，微分方程中各階導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)方程中各階導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)S變量替換。變量替換。)(.)()()()(211sHsHsHsHsHnnii（5）多環(huán)節(jié)串聯(lián)、并聯(lián)的）多環(huán)節(jié)串聯(lián)、并聯(lián)的傳感器系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)。n個環(huán)節(jié)串聯(lián)：個環(huán)節(jié)串聯(lián)：n個環(huán)節(jié)并聯(lián)個環(huán)節(jié)并聯(lián)：特點：特點：（1）反映傳感器系統(tǒng)本身）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與特性，與 x(t) 無關(guān)。無關(guān)。（2）X(s)、Y(s)、H(s) ，知，知二求一。二求一。)(.)()()()(211sHsHsHsHsHnnii二、傳

50、感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性2 2、傳遞函數(shù)、傳遞函數(shù)1.2 傳感器的基本特性（3）相同的傳遞函數(shù)可表）相同的傳遞函數(shù)可表征不同物理系統(tǒng)。征不同物理系統(tǒng)。（4）可通過實驗求出傳遞）可通過實驗求出傳遞函數(shù)。函數(shù)。二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性3 3、動態(tài)特性指標(biāo)動態(tài)特性指標(biāo)1.2 傳感器的基本特性階躍響應(yīng)法（時域）階躍響應(yīng)法（時域）頻率響應(yīng)法（頻域）頻率響應(yīng)法（頻域）選用階躍函數(shù)和正弦函數(shù)的輸入信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，研究傳選用階躍函數(shù)和正弦函數(shù)的輸入信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，研究傳感器的階躍響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。感器的階躍響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。單位階躍輸入信號單位階躍輸入信號二、

51、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性3 3、動態(tài)特性指標(biāo)動態(tài)特性指標(biāo)（1 1）瞬態(tài)（時間）響應(yīng)）瞬態(tài)（時間）響應(yīng)1.2 傳感器的基本特性一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)輸入輸入輸出輸出)0(0)0(1)(tttx一階傳感器系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)一階傳感器系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)時域動態(tài)性能指標(biāo)：時域動態(tài)性能指標(biāo)： 時間常數(shù)時間常數(shù)：傳感器輸出上升傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時間。所需的時間。 延遲時間延遲時間td：傳感器輸出達到傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間。所需的時間。 上升時間上升時間tr：傳感器輸出達到傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。所需的時間。單位階躍輸入信號單位階

52、躍輸入信號二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性3 3、動態(tài)特性指標(biāo)動態(tài)特性指標(biāo)（1 1）瞬態(tài)（時間）響應(yīng)）瞬態(tài)（時間）響應(yīng)1.2 傳感器的基本特性)0(0)0(1)(tttx 峰值時間峰值時間tp： 傳感器輸出響應(yīng)曲傳感器輸出響應(yīng)曲線達到第一個峰值所需的時間。線達到第一個峰值所需的時間。 超調(diào)量超調(diào)量：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。值的最大值。 衰減比衰減比d：衰減振蕩響應(yīng)曲線的衰減振蕩響應(yīng)曲線的第一個峰值與第二個峰值之比。第一個峰值與第二個峰值之比。 二階傳感器系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)二階傳感器系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)時域動態(tài)性能指標(biāo)：時域動態(tài)性能指標(biāo)：二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)輸入輸入輸出輸出傳感

53、器輸入正弦信號：傳感器輸入正弦信號：二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性3 3、動態(tài)特性指標(biāo)動態(tài)特性指標(biāo)（2 2）頻率響應(yīng)）頻率響應(yīng)1.2 傳感器的基本特性tXxsin傳感器輸出信號：傳感器輸出信號：)sin(tYy響應(yīng)函數(shù)（傳遞函數(shù)）：響應(yīng)函數(shù)（傳遞函數(shù)）：jjtjtjeAeXYXeYejXjYjH)()()()()(幅值幅值)()( AA相位相位幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性頻率響應(yīng)特性指標(biāo)頻率響應(yīng)特性指標(biāo) ：二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性3 3、動態(tài)特性指標(biāo)動態(tài)特性指標(biāo)（2 2）頻率響應(yīng)）頻率響應(yīng)1.2 傳感器的基本特性 通頻帶通頻帶0.707：傳感器在對數(shù)傳感器在對數(shù)幅

54、頻特性曲線上幅值衰減幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對時所對應(yīng)的頻率范圍。應(yīng)的頻率范圍。 工作頻帶工作頻帶0.95或或0.90：當(dāng)傳當(dāng)傳感器的幅值誤差為感器的幅值誤差為5%或或10%時時其增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍。其增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍。 時間常數(shù)時間常數(shù)：用時間常數(shù)用時間常數(shù)來來表征一階傳感器的動態(tài)特性。表征一階傳感器的動態(tài)特性。越小，越小，頻帶越寬。頻帶越寬。 頻率響應(yīng)特性指標(biāo)頻率響應(yīng)特性指標(biāo) ：二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性3 3、動態(tài)特性指標(biāo)動態(tài)特性指標(biāo)（2 2）頻率響應(yīng)）頻率響應(yīng)1.2 傳感器的基本特性 固有頻率固有頻率n：二階傳感器的二階傳感器的固有頻率固有頻

55、率n表征其動態(tài)特性。表征其動態(tài)特性。 相位誤差：相位誤差：在工作頻帶范圍在工作頻帶范圍內(nèi)，實際輸出與所希望的無失真輸內(nèi)，實際輸出與所希望的無失真輸出間的相位差值，即為相位誤差。出間的相位差值，即為相位誤差。 跟隨角跟隨角0.707: 當(dāng)當(dāng)=0.707時，時，對應(yīng)于相頻特性上的相角，即為跟對應(yīng)于相頻特性上的相角，即為跟隨角。隨角。 截止頻率：截止頻率：幅值比下降到零幅值比下降到零頻率幅值比的根號二分之一倍時所頻率幅值比的根號二分之一倍時所對應(yīng)的頻率，截止頻率反映傳感器對應(yīng)的頻率，截止頻率反映傳感器的響應(yīng)速度，越高響應(yīng)越快。的響應(yīng)速度，越高響應(yīng)越快。線性定常一階系統(tǒng)微分方程線性定常一階系統(tǒng)微分方程

56、二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性4 4、一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析（1 1）數(shù)學(xué)模型）數(shù)學(xué)模型1.2 傳感器的基本特性時間常數(shù)：時間常數(shù)：01aa)()()()()()(001tkxtydttdytxbtyadttdya靜態(tài)靈敏度：靜態(tài)靈敏度：00abk （2 2）頻率響應(yīng)特性分析）頻率響應(yīng)特性分析拉氏變換：拉氏變換：)()()1(skXsYs傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：sksXsYsH1)()()(頻率響應(yīng)函數(shù)（正弦輸入）：頻率響應(yīng)函數(shù)（正弦輸入）：)1 ()(11)()()(2jkjkjXjYjH0101)()()(asasabsbsbsHsXsYnnmm頻率響應(yīng)函數(shù)：頻

57、率響應(yīng)函數(shù)：二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性4 4、一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析（2 2）頻率響應(yīng)特性分析）頻率響應(yīng)特性分析1.2 傳感器的基本特性幅頻特性：幅頻特性：1)()()(2kjHA相頻特性：相頻特性：)()( arctg頻率響應(yīng)的幅頻特性和相頻特性頻率響應(yīng)的幅頻特性和相頻特性)1 ()(1)(2jkjH二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性4 4、一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析（2 2）頻率響應(yīng)特性分析）頻率響應(yīng)特性分析1.2 傳感器的基本特性幅頻特性：幅頻特性：kkA1)()(2相頻特性：相頻特性：/)()()(arctg頻率響應(yīng)的幅頻特性

58、和相頻特性頻率響應(yīng)的幅頻特性和相頻特性當(dāng)當(dāng) 時，時，1這時，輸出與輸入成線性關(guān)系，這時，輸出與輸入成線性關(guān)系，且相位差也很小，輸出比較真實且相位差也很小，輸出比較真實地反映了輸入的變化規(guī)律。時間地反映了輸入的變化規(guī)律。時間常數(shù)越小，頻率響應(yīng)特性越好。常數(shù)越小，頻率響應(yīng)特性越好。階躍輸入信號：階躍輸入信號：二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性4 4、一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析（3 3）階躍響應(yīng)特性分析）階躍響應(yīng)特性分析1.2 傳感器的基本特性輸出響應(yīng)信號：輸出響應(yīng)信號：)1 ()(/tekAty時間常數(shù)時間常數(shù)越小，響應(yīng)越快，響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線，越小，響應(yīng)越快，響

59、應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線，即動態(tài)誤差小。因此，即動態(tài)誤差小。因此，值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。)0(0)0()(ttAtx一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)特性一階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)特性kAyt632. 0)(時，當(dāng)暫態(tài)響應(yīng)暫態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)如圖所示，溫度傳感器敏感部分質(zhì)量為如圖所示，溫度傳感器敏感部分質(zhì)量為m，比熱為，比熱為c，表面積為，表面積為s，傳熱系數(shù)為，傳熱系數(shù)為h（W/m2.K），試分析給出輸入量（），試分析給出輸入量（T0）與輸）與輸出量（出量（T）間的微分方程、時間常數(shù)和靜態(tài)）間的微分方程、時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度，并推導(dǎo)其幅頻特性、相頻特性及階靈敏度，并推

60、導(dǎo)其幅頻特性、相頻特性及階躍相應(yīng)特性。躍相應(yīng)特性。解：解：三、應(yīng)用舉例三、應(yīng)用舉例例例1 1、一種溫度傳感器的基本特性分析一種溫度傳感器的基本特性分析1.2 傳感器的基本特性0 TTdtdThsmcdtTThsdQmcdTdQ)(0，時間常數(shù)時間常數(shù)xkydtdy 1khsmc靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度一階數(shù)學(xué)模型一階數(shù)學(xué)模型三、應(yīng)用舉例三、應(yīng)用舉例例例1 1、一種溫度傳感器的基本特性分析一種溫度傳感器的基本特性分析1.2 傳感器的基本特性幅頻特性：幅頻特性：1)(11)()(22hsmckA相頻特性：相頻特性：)()()(hsmcarctgarctg1khsmc；頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)：頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)