傳感器基本知識(shí)

會(huì)計(jì)學(xué)1傳感器基本知識(shí)第2頁(yè)/共61頁(yè)第1頁(yè)/共61頁(yè)1.定義：傳感器(Transducer/Sensor)是能夠感受規(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。（國(guó)標(biāo)GB7665—2005）1.1傳感器的基本概念1.1.1傳感器的定義與組成（2）傳感器的輸入量是某一被測(cè)量，可以是物理量、化學(xué)量……（1）傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；傳感器定義有下述含義：第3頁(yè)/共61頁(yè)第2頁(yè)/共61頁(yè)工業(yè)檢測(cè)中涉及的物理量分類

熱工量：溫度t（℃、K、℉）壓力（壓強(qiáng)）p（Pa）、壓差Δp

、真空度、流量q（t、m3

）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）機(jī)械量：直線位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、轉(zhuǎn)速n（r/min）、應(yīng)變?chǔ)牛╩/m）、力矩T（Nm）、振動(dòng)、噪聲、質(zhì)量（重量）m（kg、t）幾何量：

長(zhǎng)度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、粗糙度、硬度、材料缺陷等第4頁(yè)/共61頁(yè)第3頁(yè)/共61頁(yè)物體的性質(zhì)和成分量：空氣的濕度（絕對(duì)、相對(duì)）、氣體的化學(xué)成分、濃度、液體的粘度、濁度、透明度、物體的顏色狀態(tài)量：工作機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（啟停等）、生產(chǎn)設(shè)備的異常狀態(tài)（超溫、過(guò)載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等）電工量：

電壓、電流、頻率、電阻、電容、電感……

這些量在電工、電子等課程中講授，大多數(shù)不屬于本課程的范圍。第5頁(yè)/共61頁(yè)第4頁(yè)/共61頁(yè)（4）傳感器的輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度；（3）傳感器的輸出量是某種物理量，一般為便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示的電量（電壓、電流、電阻、電感、、、）；第6頁(yè)/共61頁(yè)第5頁(yè)/共61頁(yè)敏感元件在傳感器中直接感受被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。轉(zhuǎn)換元件：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)（如電阻R，電感L，電容C）或電流、電壓等電量。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)接入信號(hào)轉(zhuǎn)換電路并將其轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。

2.組成傳感器的組成第7頁(yè)/共61頁(yè)第6頁(yè)/共61頁(yè)1-彈簧管;2-電位器;3－電刷；4－齒條、齒輪副壓力圖示壓力傳感器的敏感元件、轉(zhuǎn)換元件各是什么？？第8頁(yè)/共61頁(yè)第7頁(yè)/共61頁(yè)當(dāng)被測(cè)壓力p增大時(shí)，彈簧管撐直，通過(guò)齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)電位器的電刷產(chǎn)生角位移。

彈簧管實(shí)物圖第9頁(yè)/共61頁(yè)第8頁(yè)/共61頁(yè)彈簧管壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共61頁(yè)第9頁(yè)/共61頁(yè)

分類方法傳感器的種類說(shuō)明按輸入量分類位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、、、傳感器以被測(cè)物理量命名按工作原理分類應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式、傳感器以工作原理命名按物理現(xiàn)象分類結(jié)構(gòu)型傳感器傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換物性型傳感器傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器傳感器直接將被測(cè)量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量能量控制型傳感器由外部供給傳感器能量，而由被測(cè)量來(lái)控制輸出的能量按輸出信號(hào)分類模擬式傳感器數(shù)字式傳感器輸出為模擬量輸出為數(shù)字量1.1.2傳感器的分類第11頁(yè)/共61頁(yè)第10頁(yè)/共61頁(yè)1.1.3傳感器的物理定律（1）守恒定律（能量、動(dòng)量、電荷量等守恒定律）（2）場(chǎng)的定律（運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律等）（3）物質(zhì)定律（如虎克定律、歐姆定律等）

（4）統(tǒng)計(jì)法則第12頁(yè)/共61頁(yè)第11頁(yè)/共61頁(yè)1.2傳感器的基本特性傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。

傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來(lái)描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時(shí)，即得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)特例。

當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，這一關(guān)系稱為動(dòng)態(tài)特性。

當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，這一關(guān)系稱為靜態(tài)特性；第13頁(yè)/共61頁(yè)第12頁(yè)/共61頁(yè)穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動(dòng)電磁場(chǎng)線性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響

輸出可通過(guò)傳感器本身的改善來(lái)加以抑制，有時(shí)也可以對(duì)外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)第14頁(yè)/共61頁(yè)第13頁(yè)/共61頁(yè)1.2.1傳感器的靜態(tài)特性在輸入量（被測(cè)量）處于穩(wěn)定狀態(tài)（常量，或變化極慢的量）時(shí)傳感器的輸入/輸出關(guān)系稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述就是傳感器的靜態(tài)模型。在不考慮遲滯、蠕變和摩擦等外部因素的情況下，傳感器的輸出與輸入靜特性可用多項(xiàng)式代數(shù)方程來(lái)表示：式中，y——輸出量；x——輸入量；a0——零位輸出；a1——傳感器的線性靈敏度，常用K或S表示；a2，a3，…，an——非線性項(xiàng)的待定常數(shù)。第15頁(yè)/共61頁(yè)第14頁(yè)/共61頁(yè)(1)線性度(Linearity)指?jìng)鞲衅鬏敵雠c輸入之間的線性程度。

具有線性輸出—輸入關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)：可大大簡(jiǎn)化傳感器的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算；傳感器的標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理很方便；儀表刻度盤(pán)可均勻刻度，制作、安裝、調(diào)試容易；避免了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。第16頁(yè)/共61頁(yè)第15頁(yè)/共61頁(yè)

傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。理想的線性特性：

y=a1x

靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說(shuō)問(wèn)題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。這時(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理。一般來(lái)說(shuō)，這些辦法都比較復(fù)雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來(lái)線性化。在使用非線性特性的傳感器時(shí)，在測(cè)量誤差容許的條件下，用切線或割線等直線來(lái)近似地代表實(shí)際曲線的一段，這種方法稱為傳感器非線性特性的“線性化”(Linearization)第17頁(yè)/共61頁(yè)第16頁(yè)/共61頁(yè)在采用直線擬合線性化時(shí)，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差(LinearityError)或線性度(Linearity:theclosenessbetweenthecalibrationcurveandaspecifiedstrightline.)通常用相對(duì)誤差eL表示：Δmax一最大非線性誤差；yFS—滿量程輸出。第18頁(yè)/共61頁(yè)第17頁(yè)/共61頁(yè)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(lái)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)點(diǎn)，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(jì)算是否簡(jiǎn)便。(ａ)理論直線法(ｂ)端點(diǎn)連線法(ｃ)端點(diǎn)連線平移法(d)

最小二乘擬合法第19頁(yè)/共61頁(yè)第18頁(yè)/共61頁(yè)0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合設(shè)擬合直線方程：y=kx+b若實(shí)際校準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)有n個(gè)，則第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即

對(duì)k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出a和k的表達(dá)式第20頁(yè)/共61頁(yè)第19頁(yè)/共61頁(yè)

即得到k和b的表達(dá)式:將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。第21頁(yè)/共61頁(yè)第20頁(yè)/共61頁(yè)(2)遲滯(Hysteresis)0yx⊿HmaxyFS遲滯特性傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即

式中△Hmax—正反行程間輸出的最大差值。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)差值的最大者即為回程誤差。第22頁(yè)/共61頁(yè)第21頁(yè)/共61頁(yè)(3)重復(fù)性(Repeatability)yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度?！鱎max1正行程的最大重復(fù)性偏差，△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。重復(fù)性誤差也常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)時(shí)也可選取幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每一點(diǎn)多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin

，算出最大值與最小值之差或3σ作為重復(fù)性偏差ΔRi，在幾個(gè)ΔRi中取出最大值ΔRmax

作為重復(fù)性誤差。第23頁(yè)/共61頁(yè)第22頁(yè)/共61頁(yè)es=(Δk/k)×100%由于某種原因，會(huì)引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對(duì)誤差表示，即可見(jiàn)，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。對(duì)線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數(shù)，與輸入量大小無(wú)關(guān)。（4）靈敏度(Sensitivity)K=Δy/Δx傳感器輸出的變化量y與引起該變化量的輸入變化量x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為第24頁(yè)/共61頁(yè)第23頁(yè)/共61頁(yè)分辨力用絕對(duì)值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。

(5)分辨力(Resolution)與閾值(threshold)分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。

(6)漂移(Drift)漂移指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移分為時(shí)間漂移(時(shí)漂)和溫度漂移(溫漂)。時(shí)漂是指在規(guī)定條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫漂為周?chē)鷾囟茸兓鸬牧泓c(diǎn)或靈敏度漂移。第25頁(yè)/共61頁(yè)第24頁(yè)/共61頁(yè)1.2.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性(DynamicCharacteristics)

對(duì)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量時(shí)，要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地測(cè)出信號(hào)幅值的大小和無(wú)失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。傳感器的動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性?！纠繉⑻幱诃h(huán)境溫度中（0℃）的水銀溫度計(jì)快速地置于恒定30℃

的水中時(shí)，觀測(cè)水銀柱的變化可知，水銀柱不是立即達(dá)到輸入信號(hào)的量值，而是經(jīng)過(guò)了一定的時(shí)間延遲t0。第26頁(yè)/共61頁(yè)第25頁(yè)/共61頁(yè)頻域：頻率響應(yīng)法(Periodicinputs)

輸入信號(hào)：正弦周期信號(hào)(sinusoidalsignal)指標(biāo)：頻帶寬度研究傳感器動(dòng)態(tài)特性的方法及其指標(biāo)時(shí)域：瞬態(tài)響應(yīng)法（Transientinputs）

輸入信號(hào)：階躍函數(shù)(stepsignal)、斜坡函數(shù)

(rampsignal)、脈沖函數(shù)(impulsesignal)

指標(biāo)：時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量…

第27頁(yè)/共61頁(yè)第26頁(yè)/共61頁(yè)1.傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：常系數(shù)線性微分方程

y——輸出量；x——輸入量；t——時(shí)間。a0，a1，…，an——常數(shù)；b0，b1，…，bm——常數(shù)

——輸出量對(duì)時(shí)間t的n階導(dǎo)數(shù)；

——輸入量對(duì)時(shí)間t的m階導(dǎo)數(shù)求解上述微分方程的方法：采用傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等足以反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的函數(shù)將系統(tǒng)的輸出與輸入聯(lián)系起來(lái)。第28頁(yè)/共61頁(yè)第27頁(yè)/共61頁(yè)當(dāng)傳感器的數(shù)學(xué)模型初值為0時(shí)，對(duì)其進(jìn)行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)上式分母是傳感器的特征多項(xiàng)式，決定系統(tǒng)的“階”數(shù)?？梢?jiàn)，對(duì)一定常系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中各階導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)的s變量替換，即求出傳感器的傳遞函數(shù)。動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為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。2.傳遞函數(shù)Y(s)——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第29頁(yè)/共61頁(yè)第28頁(yè)/共61頁(yè)為一復(fù)數(shù)，它可用代數(shù)形式及指數(shù)形式表示，即

3.頻率響應(yīng)函數(shù)正弦輸入下傳感器的動(dòng)態(tài)特性（即頻率特性），由傳遞函數(shù)導(dǎo)出

表達(dá)了傳感器的輸出、輸入的幅值比隨頻率變化的關(guān)系，稱為幅頻特性。表達(dá)了傳感器的輸出對(duì)輸入的相位差隨頻率的變化關(guān)系，稱為相頻特性

第30頁(yè)/共61頁(yè)第29頁(yè)/共61頁(yè)1.2.3傳感器的無(wú)失真測(cè)試條件若傳感器的輸出y(t)和輸入x(t)滿足關(guān)系:

y(t)=A0x(t-τ0)則說(shuō)明輸出波形無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)輸入波形。對(duì)上式取傅立葉變換：

Y(jω)=A0e-jτ0ωX(jω)即傳感器的頻率響應(yīng)H(jω)應(yīng)滿足：H(jω)=Y(jω)/X(jω)=A0e-jτ0ω第31頁(yè)/共61頁(yè)第30頁(yè)/共61頁(yè)所以傳感器的無(wú)失真測(cè)試條件為：A(ω)=A0=常數(shù)Φ(ω)=-τ0ω注意！如果測(cè)試結(jié)果要用作反饋控制信號(hào)，則必須滿足：A(ω)=A0=常數(shù)Φ(ω)=0第32頁(yè)/共61頁(yè)第31頁(yè)/共61頁(yè)1.2.4典型傳感器動(dòng)態(tài)特性分析1.零階傳感器在零階傳感器中，只有a0與b0兩個(gè)系數(shù)，微分方程為a0y=b0xK——靜態(tài)靈敏度頻率特性:零階輸入系統(tǒng)的輸入量無(wú)論隨時(shí)間如何變化，其輸出量總是與輸入量成確定的比例關(guān)系。在時(shí)間上也不滯后，幅角等于零。如電位器傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時(shí)，都可以近似地當(dāng)作零階系統(tǒng)處理。第33頁(yè)/共61頁(yè)第32頁(yè)/共61頁(yè)2.一階傳感器——頻率響應(yīng)函數(shù)及特性分析微分方程除系數(shù)a1，a0

，b0外其他系數(shù)均為0，則a1(dy/dt)+a0y=b0xτ—時(shí)間常數(shù)(timeconstant)(τ=a1/a0)；K——靜態(tài)靈敏度(staticsensitity)(K=b0/a0)傳遞函數(shù)：幅頻特性：相頻特性：負(fù)號(hào)表示相位滯后頻率特性：第34頁(yè)/共61頁(yè)第33頁(yè)/共61頁(yè)時(shí)間常數(shù)τ越小，系統(tǒng)的頻率特性越好第35頁(yè)/共61頁(yè)第34頁(yè)/共61頁(yè)2.一階傳感器——單位階躍響應(yīng)對(duì)一階系統(tǒng)的傳感器，設(shè)在t=0時(shí)，x和y均為0，當(dāng)t>0時(shí)，有一單位階躍信號(hào)輸入,如圖。此時(shí)微分方程為tx01(dy/dt)+a0y=b1(dx/dt)+b0x齊次方程通解：非齊次方程特解：y2=1(t>0)方程解：tx01以初始條件y(0)=0代入上式，即得t=0時(shí)，C1=-1，所以輸出的初值為0,隨著時(shí)間推移y接近于1,當(dāng)t=τ時(shí),y=0.63在一階系統(tǒng)中,時(shí)間常數(shù)值是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù)。第36頁(yè)/共61頁(yè)第35頁(yè)/共61頁(yè)3.二階傳感器——頻率響應(yīng)函數(shù)及特性分析很多傳感器，如振動(dòng)傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：τ—時(shí)間常數(shù)，；

ωn—自振角頻率(naturalfrequency),ωn=1/τ

ξ—阻尼比(dampingcoefficient)

，；

k—靜態(tài)靈敏度，k=b0/a0第37頁(yè)/共61頁(yè)第36頁(yè)/共61頁(yè)幅頻特性相頻特性頻率特性傳遞函數(shù)第38頁(yè)/共61頁(yè)第37頁(yè)/共61頁(yè)

當(dāng)ξ→0時(shí)，在ω/ωn=1處

趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著ξ的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。不同阻尼比情況下相對(duì)幅頻特性即動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線如圖。第39頁(yè)/共61頁(yè)第38頁(yè)/共61頁(yè)不同阻尼比情況下相對(duì)幅頻特性即動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線如圖。當(dāng)ξ＜1，ωn＞＞ω時(shí)，≈1，幅頻特性平直，輸出與輸入為線性關(guān)系；φ(ω)很小，與ω為線性關(guān)系；在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，必須使阻尼比ξ＜1，固有頻率ωn至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率ω的3~5倍，這樣可使測(cè)試結(jié)果精確地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)波形。第40頁(yè)/共61頁(yè)第39頁(yè)/共61頁(yè)根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：

1）0＜ξ＜1(欠阻尼under-damped

)：方程通解

3.二階傳感器——階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)通式ω0——傳感器的固有頻率；ξ——傳感器的阻尼比令x=u(t)根據(jù)t→∞,y→kA求出A3；根據(jù)初始條件求出A1、A2，則第41頁(yè)/共61頁(yè)第40頁(yè)/共61頁(yè)欠阻尼情況下曲線如圖，這是一衰減振蕩過(guò)程,ξ越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。上升時(shí)間risetime過(guò)沖量overshoot(設(shè)允許相對(duì)誤差γy=0.02)穩(wěn)定時(shí)間settingtimetW=4τ/ξ第42頁(yè)/共61頁(yè)第41頁(yè)/共61頁(yè)4）ξ>1（過(guò)阻尼over-damped

）：3)ξ=1(臨界阻尼criticallydamped)上兩式表明，當(dāng)ξ≥1時(shí)，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個(gè)一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相同，后者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不同。2)ξ=0(零阻尼)：輸出變成等幅振蕩，即

第43頁(yè)/共61頁(yè)第42頁(yè)/共61頁(yè)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的曲線二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)

實(shí)際傳感器，ξ值一般可適當(dāng)安排，兼顧過(guò)沖量δm不要太大，穩(wěn)定時(shí)間tω不要過(guò)長(zhǎng)的要求。在ξ＝0.6～0.7范圍內(nèi)，可獲得較合適的綜合特性。對(duì)正弦輸入來(lái)說(shuō)，當(dāng)ξ=0.6～0.7時(shí)，幅值比A(ω)/k在比較寬的范圍內(nèi)變化較小。計(jì)算表明在ω/ωn＝0～0.58范圍內(nèi)，幅值比變化不超過(guò)5％，相頻特性中φ(ω)接近于線性關(guān)系。第44頁(yè)/共61頁(yè)第43頁(yè)/共61頁(yè)

基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其他指標(biāo)量程指標(biāo)：量程范圍、過(guò)載能力靈敏度指標(biāo)：靈敏度、分辨力、滿量程輸出精度有關(guān)指標(biāo)：精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率特性、頻響范圍、穩(wěn)定時(shí)間、臨界頻率、臨界速度、溫度指標(biāo)：溫度誤差、溫漂、熱滯后、溫度系數(shù)抗沖振指標(biāo)：抗沖振頻率、幅度其它環(huán)境參數(shù)：抗潮濕、抗腐蝕、抗電磁干擾工作壽命、疲勞性能、絕緣性能、平均無(wú)故障時(shí)間、供電方式、電壓范圍、外形尺寸、重量、安裝方式、1.3.1傳感器的技術(shù)性能指標(biāo)第45頁(yè)/共61頁(yè)第44頁(yè)/共61頁(yè)2.差動(dòng)技術(shù)

差動(dòng)技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動(dòng)技術(shù)，還可使靈敏度增大。1.3.2改善傳感器性能的技術(shù)途徑1.結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇

3．平均技術(shù)

在傳感器中普遍采用平均技術(shù)可產(chǎn)生平均效應(yīng)，其原理是利用若干個(gè)傳感單元同時(shí)感受被測(cè)量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個(gè)單元可能帶來(lái)的誤差均可看作隨機(jī)誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為:式中,n—傳感單元數(shù)第46頁(yè)/共61頁(yè)第45頁(yè)/共61頁(yè)可見(jiàn)，在傳感器中利用平均技術(shù)不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號(hào)量，即增大傳感器靈敏度。在使用傳感器時(shí)，若測(cè)量要求較高，必要時(shí)也應(yīng)對(duì)附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)行老化處理。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對(duì)材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時(shí)間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。

4．穩(wěn)定性處理

傳感器作為長(zhǎng)期測(cè)量或反復(fù)使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過(guò)精度指標(biāo)，尤其是對(duì)那些很難或無(wú)法定期標(biāo)定的場(chǎng)合。第47頁(yè)/共61頁(yè)第46頁(yè)/共61頁(yè)5.屏蔽、隔離與干擾抑制

傳感器大都要在現(xiàn)場(chǎng)工作，現(xiàn)場(chǎng)的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關(guān)性能。為了減小測(cè)量誤差，保證其原有性能，就應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界因素對(duì)傳感器的影響。其方法有：

減小傳感器對(duì)影響因素的靈敏度降低外界因素對(duì)傳感器實(shí)際作用的程度對(duì)于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對(duì)于如溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分離或抑制，減小其影響。

第48頁(yè)/共61頁(yè)第47頁(yè)/共61頁(yè)6．補(bǔ)償與修正技術(shù)

補(bǔ)償與修正技術(shù)的運(yùn)用大致針對(duì)兩種情況：★針對(duì)傳感器本身特性★針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境對(duì)于傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測(cè)出其大小和方向，采用適當(dāng)?shù)姆椒右匝a(bǔ)償或修正。針對(duì)傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也是提高傳感器精度的有力技術(shù)措施。不少傳感器對(duì)溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必要時(shí)可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費(fèi)用太高，或使用現(xiàn)場(chǎng)不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補(bǔ)償又常常是可行的。這時(shí)應(yīng)找出溫度對(duì)測(cè)量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補(bǔ)償措施。補(bǔ)償與修正，可以利用電子線路（硬件）來(lái)解決，也可以采用微型計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。第49頁(yè)/共61頁(yè)第48頁(yè)/共61頁(yè)1.4傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向1.4.1傳感器需求的新動(dòng)向1.4.2傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向1.發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)新材料傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳感器，一般說(shuō)它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點(diǎn)，加之過(guò)去發(fā)展也不夠。世界各國(guó)都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強(qiáng)研究，從而使它成為一個(gè)值得注意的發(fā)展動(dòng)向。第50頁(yè)/共61頁(yè)第49頁(yè)/共61頁(yè)傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，人們?cè)谥圃鞎r(shí)，可任意控制它們的成分，從而設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來(lái)制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。（1）半導(dǎo)體敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點(diǎn)。有機(jī)材料作為傳感器材料的研究，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。第51頁(yè)/共61頁(yè)第50頁(yè)/共61頁(yè)

2．集成化、微型化、多功能化同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)，如CCD圖像傳感器。多功能一體化，即將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件。把多個(gè)功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)的測(cè)量外，還可對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評(píng)價(jià)，可反映出被測(cè)系統(tǒng)的整體狀態(tài)。為同時(shí)測(cè)量幾種不同被測(cè)參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。第52頁(yè)/共61頁(yè)第51頁(yè)/共61頁(yè)例如：瑞士Sensirion公司的SHT11/15型高精度、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器。能同時(shí)測(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)；兼有數(shù)字濕度計(jì)、溫度計(jì)和露點(diǎn)計(jì)這3種儀表的功能；可廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療儀器、通風(fēng)及空調(diào)設(shè)備等領(lǐng)域。SHT11/15型智能傳感器的外形尺寸僅為7.62mm（長(zhǎng)）×5.08mm（寬）×2.5mm（高），質(zhì)量只有0.1g，其體積與一個(gè)大火柴頭相近。第53頁(yè)/共61頁(yè)第52頁(yè)/共61頁(yè)3.仿生傳感器

生物傳感器系統(tǒng)亦稱生物芯片，它是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠(yuǎn)意義的科技革命。生物芯片不僅能模擬人的嗅覺(jué)（如電子鼻）、視覺(jué)（如電子眼）、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等，還能實(shí)現(xiàn)某些動(dòng)物的特異功能（例如海豚的聲納導(dǎo)航測(cè)距，蝙蝠的超聲波定位，犬類極靈敏的嗅覺(jué)，信鴿的方向識(shí)別，昆蟲(chóng)的復(fù)眼）。生物芯片的效率是傳統(tǒng)檢測(cè)手段的成百、上千倍。西門(mén)子公司最近研制出一種能辨別氣體及其味道的微型芯片傳感器，可檢測(cè)空氣中臭氧含量，監(jiān)測(cè)火災(zāi)以及氣體泄漏。第54頁(yè)/共61頁(yè)第53頁(yè)/共61頁(yè)4.智能傳感器（smartsensor）智能傳感器指具有判斷能力、學(xué)習(xí)能力的傳感器。事實(shí)上是一種帶微處理器的傳感器，它具有檢測(cè)、判斷和信息處理功能。如美國(guó)霍尼韋爾公司制作的ST-3000型智能傳感器，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制作靜態(tài)壓力、壓差、溫度三種敏感元件，芯片中還包含了微處理器、存儲(chǔ)器、A/D、D/A、轉(zhuǎn)換器和數(shù)字I/O接口，能提供4～20mA標(biāo)準(zhǔn)輸出和數(shù)字量輸出。設(shè)計(jì)得平均故障間隔時(shí)間為470年，實(shí)際使用壽命不低于15年。第55頁(yè)/共61頁(yè)第54頁(yè)/共61頁(yè)