傳感檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用 第1-3章

傳感檢測(cè)技術(shù)

及其應(yīng)用鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電一體化研究所劉武發(fā)

2/2/2023本課程的主要內(nèi)容1.傳感檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.常用傳感器原理3.傳感器信號(hào)處理電路4.典型傳感器應(yīng)用2/2/20232第1－3章傳感檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)一、傳感器測(cè)技術(shù)概念1.傳感檢測(cè)技術(shù)作用（意義、重要性）

在自然界、社會(huì)生活、生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)中，存在各種各樣的量，需要知道他們的存在和大小。有些量大到能夠被人們感知，有些量較小，不能被人們感知。要測(cè)出人們感興趣量的大小，就要用到對(duì)這些量敏感的傳感器，信號(hào)處理（調(diào)理）電路，檢測(cè)技術(shù)等…2/2/202332.傳感器的概念＊傳感器是人體五官—耳、眼、鼻、舌、皮膚的工程模擬物。＊傳感器廣義概念是一種以一定的精確度將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測(cè)量的某種物理量的測(cè)量部件或裝置。＊傳感器狹義概念是能把外界非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件或裝置。＊隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器的“可用信號(hào)”內(nèi)涵也會(huì)隨之改變，如人們跨入光子時(shí)代，光信號(hào)將成為更便于快速、高效處理與傳輸?shù)摹翱捎眯盘?hào)”了。2/2/202343.傳感器的組成敏感元件被測(cè)量轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路電量電路參數(shù)物理量例如：懸臂梁機(jī)速度傳感器2/2/20235敏感元件：懸臂梁把加速度轉(zhuǎn)化為懸臂梁的應(yīng)變。轉(zhuǎn)換元件：電阻應(yīng)變片把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。基本轉(zhuǎn)換電路：電橋把電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出。dV2/2/20236二、傳感器的工作機(jī)理和分類1.傳感器工作機(jī)理傳感器的工作機(jī)理是基于各種物理、化學(xué)和生物效應(yīng)等，并受相應(yīng)的定律和法則支配。了解這些定律和法則有助于對(duì)傳感器本質(zhì)的理解和對(duì)新效應(yīng)傳感器的開發(fā)。＊守恒定律：包括能量、動(dòng)量、電荷量等守恒定律。＊場(chǎng)的定律：如重力場(chǎng)、靜電場(chǎng)、磁場(chǎng)等。遵守場(chǎng)定律的傳感器可稱為“結(jié)構(gòu)型傳感器”＊物質(zhì)定律：表示物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律。遵守物質(zhì)定律的傳感器稱為“物性型傳感器”2/2/20237＊統(tǒng)計(jì)法則：把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的法則。2.傳感器的分類＊按被測(cè)量分類

該分類法明確了傳感器的用途，便于使用者選擇傳感器，如位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、速度傳感器等。＊按工作原理分類該分類法清楚地表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，如電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式傳感器等。

2/2/20238＊按工作機(jī)理分類

▽物性型：依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換。如壓阻式傳感器、壓電式傳感器等。

▽結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。如電容式、電感式傳感器等。＊按基本效應(yīng)分類▽物理型：利用某些變換元件的物理性質(zhì)或某些功能材料的特殊性能制成的傳感器。如PN溫度傳感器。

2/2/20239▽化學(xué)型：利用電化學(xué)反應(yīng)原理把有機(jī)和無(wú)機(jī)的化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。如接觸燃燒氣敏傳感器等。▽生物型：利用生物功能物質(zhì)作識(shí)別器件制成的傳感器。如酸度計(jì)傳感器等。＊按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類▽能量轉(zhuǎn)換型（無(wú)源型、發(fā)電型或主動(dòng)型傳感器）不需要外加電源而將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電量輸出，但其負(fù)載能力有限，應(yīng)用時(shí)需要注意。如熱電偶、壓電式傳感器等。

▽能量控制型（有源型、被動(dòng)型傳感器）2/2/202310

需要外加電源才能將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電量，能量控制型傳感器本身參數(shù)的改變（如電阻、電容、電感）不起換能作用。＊按輸出信號(hào)的形式分類

▽模擬式：傳感器輸出模擬信號(hào)。大多傳感器如此▽數(shù)字式：傳感器輸出數(shù)字信號(hào)。如編碼器式傳感器。

工程習(xí)慣上常根據(jù)工作原理和被測(cè)量命名傳感器，電感式位移傳感器，電容式加速度傳感器等。2/2/202311三、傳感器數(shù)學(xué)模型（描述方法）

傳感器作為感受被測(cè)量信息的器件，總希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用信號(hào)，因此，需要研究其輸出-輸入關(guān)系及特性。最有效的描述方法是傳感器的數(shù)學(xué)模型。由于傳感器可以測(cè)量時(shí)不變信號(hào)和時(shí)變信號(hào)，所以應(yīng)該以帶隨機(jī)變量的非線性微分方程作為數(shù)學(xué)模型。這樣在數(shù)學(xué)上有困難，所以，實(shí)際上把傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分開考慮，從而有靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。2/2/2023121.靜態(tài)數(shù)學(xué)模型指在靜態(tài)信號(hào)作用下（即輸入量對(duì)時(shí)間t的各階導(dǎo)數(shù)等于0）得到的數(shù)學(xué)模型。其靜態(tài)數(shù)學(xué)模型為2/2/202313(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)表示輸出與輸入量之間的關(guān)系曲線稱為特性曲線2/2/2023142.動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是指?jìng)鞲衅髟谑艿綍r(shí)變輸入量作用時(shí)，其輸出－輸入之間的關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。有些傳感器雖然有良好的靜態(tài)特性，但由于傳感器總存在著彈性、慣性、阻尼等因素，使傳感器的輸出量不僅與輸入量有關(guān)，而且還與輸入量的變化速度等有關(guān)，所以將導(dǎo)致嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)誤差，這就必須認(rèn)真研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，為此建立的數(shù)學(xué)模型稱為動(dòng)態(tài)模型。常用的動(dòng)態(tài)方程有：微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)。2/2/202315（1）微分方程（時(shí)域內(nèi)）優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)解微分方程易于分清暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。通解僅與傳感器本身特性及初始條件有關(guān)；特解不僅與傳感器的特性有關(guān)，而且還與輸入量有關(guān)。缺點(diǎn)：求解麻煩，尤其是通過(guò)增減環(huán)節(jié)來(lái)改善傳感器的特性時(shí)顯得更不方便。2/2/202316（2）傳遞函數(shù)（復(fù)數(shù)域內(nèi)）在數(shù)學(xué)上，如果運(yùn)用拉普拉斯變換將時(shí)域的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型，就得到傳遞函數(shù)。上述微分方程在初始條件為零時(shí)，輸出y(t)拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)之比，即為傳遞函數(shù)G(S)。其中傳遞函數(shù)G(S)用于描述系統(tǒng)本身固有的特性，而與輸入量無(wú)關(guān)。2/2/202317（3）頻率響應(yīng)函數(shù)（頻域內(nèi)）對(duì)于傳感器或系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：初始條件為零時(shí)，輸出的傅立葉變換和輸入的傅里葉變換之比，即如將G(jω)的實(shí)部和虛部分開，則有G(jω)=P(ω)+jQ(ω)其中，P(ω)和Q(ω)都是ω的實(shí)函數(shù)，以頻率ω為橫坐標(biāo)，以P(ω)和Q(ω)為縱坐標(biāo)所繪的圖形分別稱為系統(tǒng)的實(shí)頻特性圖與虛頻特性圖。又若將G(jω)寫成G(jω)=A(ω)ejφ(ω)

其中2/2/202318分別稱為幅頻特性和相頻特性。四、傳感器的特性分析傳感器的特性主要是指其輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜特性和動(dòng)特性之分。1.傳感器的靜特性靜特性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓康母鱾€(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入關(guān)系，即當(dāng)輸入量是常量或變化極慢時(shí)，輸出與輸入的關(guān)系。2/2/202319衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有線性度、重復(fù)性、遲滯、靈敏度、分辨力、閾值、穩(wěn)定性、漂移、精確度等。（1）線性度標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。若在標(biāo)稱（全量程）輸出范圍A內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B，則定義非線性度為線性度=(B/A)×100%

線性度圖擬合直線（理論直線法、端點(diǎn)平移法、端點(diǎn)線法、最小二乘法），該如何確定，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。較常用的是最小二乘法。2/2/202320（2）遲滯

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程度稱為遲滯。遲滯誤差一般以正反行程中輸出的最大偏差量與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

遲滯特性遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定。2/2/202321（3）重復(fù)性指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得的特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差常用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示。

正行程的最大重復(fù)性偏差為△Rmax1，反行程的最大重復(fù)性偏差為△Rmax2

。重復(fù)性誤差取這兩個(gè)最大偏差之中較大者為△Rmax，與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

2/2/202322（4）靈敏度傳感器輸出的變化量與引起此變化量的輸入變化量之比即為其靈敏度。靈敏度表示傳感器對(duì)被測(cè)變化量的反應(yīng)能力。線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，可表示為2/2/202323（5）分辨力與閾值

分辨力是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出被測(cè)輸入量的最小變化值。有時(shí)對(duì)該值用相對(duì)滿量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示，則稱為分辨率。

閾值是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。有些傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成所謂“死區(qū)”，則將該“死區(qū)”的大小作為閾值。2/2/202324（6）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性又稱長(zhǎng)期穩(wěn)定性，即傳感器在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來(lái)表示，有時(shí)也用標(biāo)定的有效期來(lái)表示。（7）漂移

漂移是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移常包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。

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零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)漂是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間有緩慢的變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。（8）靜態(tài)誤差(精確度)靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。是系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差綜合影響程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差，看成是隨機(jī)分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，即2/2/202326取2σ或3σ值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，它基本上包含了前述的非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差等。所以也可以把這幾個(gè)單項(xiàng)誤差綜合而得，即2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的動(dòng)態(tài)特性取決于傳感器本身及輸入信號(hào)的形式。2/2/202327

因此，工程上常采用正弦函數(shù)和單位階躍函數(shù)作為“標(biāo)準(zhǔn)”信號(hào)函數(shù)，對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，從而確定評(píng)價(jià)傳感器動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)。（1）頻率響應(yīng)特性

傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)為對(duì)系統(tǒng)輸入正弦激勵(lì)信號(hào)x(x)=Asin(2πft)，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測(cè)量輸出和輸入的幅值比和相位差。這樣可以得到頻率f下系統(tǒng)的傳輸特性。從系統(tǒng)的最低測(cè)量頻率fmin到系統(tǒng)的最高測(cè)量頻率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激勵(lì)信號(hào)頻率f，記錄各頻率對(duì)應(yīng)的幅值比和相位差，繪制在圖上就可以得到系統(tǒng)的幅頻和相頻特性曲線。

2/2/202328（2）階躍響應(yīng)特性對(duì)一階系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)，測(cè)得系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)。取系統(tǒng)輸出值達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)值的63%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間作為時(shí)間常數(shù)

。

對(duì)二階系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)，測(cè)得系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)。從而可以測(cè)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。（3）傳感器不是真條件傳感器不失真檢測(cè)條件為2/2/202329即：幅頻特性應(yīng)當(dāng)是常數(shù)(即水平直線)；相頻特性應(yīng)該是線性關(guān)系。五、傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1.傳感器的標(biāo)定傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，其輸出與輸入的關(guān)系并不知道，只有通過(guò)標(biāo)定才能獲得。利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量（標(biāo)準(zhǔn)），或用基準(zhǔn)量來(lái)確定傳感器電輸出與非電量輸入關(guān)系的過(guò)程，稱為標(biāo)定。（1）標(biāo)定設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、輸出信號(hào)測(cè)試儀器。2/2/202330（2）靜態(tài)標(biāo)定輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測(cè)出傳感器的輸出，給出標(biāo)定曲線、標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算出傳感器（系統(tǒng)）的靜態(tài)特性。（3）動(dòng)態(tài)標(biāo)定用于確定傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。2.傳感器的校準(zhǔn)傳感器需要定期檢測(cè)其基本性能參數(shù)，以判定其是否可以繼續(xù)使用。若能繼續(xù)使用，則應(yīng)對(duì)其變化的主要指標(biāo)進(jìn)行修正。確定傳感器的測(cè)量精度的過(guò)程，稱之為傳感器的校準(zhǔn)。2/2/202331六、改善傳感器性能的主要技術(shù)途徑1.差動(dòng)技術(shù)2.平均技術(shù)3.穩(wěn)定性技術(shù)4.屏蔽、隔離與干擾抑制技術(shù)5.補(bǔ)償校正技術(shù)6.集成化與智能化