傳感器的基本概念

關(guān)于傳感器的基本概念第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是傳感器傳感器是獲取信息的工具。

傳感器（Transducer或Sensor），俗稱探頭，有時(shí)亦被稱為換能器、變換器、變送器或探測(cè)器。是指那些對(duì)某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的有用輸出信號(hào)的元器件或裝置。第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月密封型壓力變送器

壓阻式壓力傳感器電容式差壓變送器旋轉(zhuǎn)差動(dòng)變壓器電渦流傳感器電感式接近開關(guān)第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶熱敏電阻光敏電阻光敏三極管壓電加速度傳感器第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月旋轉(zhuǎn)編碼器激光位移傳感器霍爾電壓傳感器超聲物位開關(guān)

第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的作用和地位作用：

傳感器位于系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于人的五官，直接敏感外界信息。是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)控制的主要環(huán)節(jié)，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都要通過它轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理、記錄、顯示和控制的可用信號(hào)（一般為電信號(hào)）。自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月地位：傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并列成為支撐整個(gè)現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。如果沒有先進(jìn)的傳感器技術(shù)，那么信息的準(zhǔn)確獲取就成為一句空話，通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)就成了無源之水。“沒有傳感器技術(shù)就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)現(xiàn)在已為全世界所公認(rèn)?？茖W(xué)技術(shù)越發(fā)達(dá)，自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳感器的依賴性就越大。所以國內(nèi)外都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)。

第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器應(yīng)用領(lǐng)域傳感器的應(yīng)用范圍很廣，從航天、航空、兵器、船舟、交通、冶金、機(jī)械、電子、化工、輕工、能源、環(huán)保、煤炭、石油、醫(yī)療衛(wèi)生、生物工程、宇宙開發(fā)等領(lǐng)域至農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)，甚至人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方方面面，幾乎無處不使用傳感器，無處不需要傳感器技術(shù)。也可以說，傳感器已幾乎應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器定義：傳感器是將各種非電量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：

能感受規(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,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器定義和組成

第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理電路和輔助電路組成。

并不是所有的傳感器都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，因此，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩者合一的傳感器是很多的。例如：壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等都是這種形式的傳感器。

組成：敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)理電路輔助電路被測(cè)量非電量其他量非電量電量電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電量第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.敏感元件（預(yù)變換器）：是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量（非電量）并輸出與之成確定關(guān)系的其他量（非電量）的部分。（在完成非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接變換為電量，往往是將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量。能夠完成預(yù)變換的器件稱為敏感元件）。2.轉(zhuǎn)換元件：是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)到的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的可用輸出信號(hào)（一般為電信號(hào)）的部分。3.信號(hào)調(diào)理電路：是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)的電路。類型視轉(zhuǎn)換元件的分類而定，經(jīng)常采用的有電橋電路、放大器、振蕩器、阻抗變換、補(bǔ)償及其它特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路等。4.輔助電路：通常指電源，即交、直流供電系統(tǒng)。第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性膜片和電阻應(yīng)變片組成。其中彈性膜片就是敏感元件，它能將壓力轉(zhuǎn)換成彈性膜片的應(yīng)變（形變）；彈性膜片的應(yīng)變施加在電阻應(yīng)變片上，它能將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，電阻應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件。

第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器分類

傳感器種類繁多，功能各異。由于同一被測(cè)量可用不同轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)探測(cè)，利用同一種物理法則、化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計(jì)制作出檢測(cè)不同被測(cè)量的傳感器，而功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，故傳感器有不同的分類法。第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月其它分類：按輸出信號(hào)的傳送方式：電傳送、氣傳送（易燃、易爆環(huán)境）和光傳送（抗干擾、絕緣能力強(qiáng)）；位式作用（開關(guān)作用）和連續(xù)作用；有觸點(diǎn)及無觸點(diǎn)（利用晶體管或晶閘管的通斷發(fā)出信號(hào)）；常規(guī)式及靈巧式（Smart，處理電路使用單片機(jī)，功能豐富、使用靈活）；接觸式（敏感元件必須和被測(cè)物質(zhì)接觸）及非接觸式；普通型、隔爆型（在內(nèi)部電路和周圍易燃?xì)怏w之間采取了隔離措施，允許使用在有一定危險(xiǎn)性的環(huán)境里）及本安型（本質(zhì)安全型，依靠特殊設(shè)計(jì)的電路保證在正常工作及故障狀態(tài)下都不會(huì)引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的場(chǎng)所）。第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器技術(shù)的特點(diǎn)

傳感器技術(shù)包括傳感器的研究、設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、檢測(cè)與應(yīng)用。它已逐漸形成了一門相對(duì)獨(dú)立的專門學(xué)科。與其它學(xué)科相比，它具有如下技術(shù)特點(diǎn):

內(nèi)容范圍廣且離散

傳感器可涉及到的內(nèi)容廣而離散的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在傳感器技術(shù)可利用的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)等學(xué)科中的基礎(chǔ)“效應(yīng)”、“反應(yīng)”、“機(jī)理”不僅為數(shù)甚多，而且它們往往彼此獨(dú)立、甚至是完全不相關(guān)。2.知識(shí)密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃

由于傳感器技術(shù)是以材料的電、磁、光、聲、熱、力等功能效應(yīng)和功能形態(tài)變換原理為基礎(chǔ)，并綜合了物理學(xué)、化學(xué)、生物工程、微電子學(xué)、材料科學(xué)、精密機(jī)械、微細(xì)加工、試驗(yàn)測(cè)量等方面的知識(shí)和技術(shù)而形成的一門科學(xué)。由此可見，傳感器技術(shù)是學(xué)科交錯(cuò)應(yīng)用極多，知識(shí)密集極高，與許多基礎(chǔ)科學(xué)和專業(yè)工程學(xué)有著極為密切關(guān)系的技術(shù)。

第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3.技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高

傳感器的制造涉及了許多高新技術(shù)，如集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、微細(xì)或納米加工技術(shù)、粘合技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)以及多功能化、智能化技術(shù)等。因此，傳感器的制造工藝難度很大，要求很高。4.功能優(yōu)、性能好

傳感器功能優(yōu)良主要體現(xiàn)在其功能的擴(kuò)展性好、適應(yīng)性強(qiáng)。具體地說，傳感器不但具備人類“五官”所具有的視、聽、觸、嗅、味覺功能，而且還能檢測(cè)五官不能感覺到的信息，同時(shí)還能在人類無法忍受的高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作。性能好體現(xiàn)在傳感器的量程寬、精度高、可靠性好等方面。5.品種繁多、應(yīng)用廣泛

由于現(xiàn)代信息系統(tǒng)中待測(cè)的信息（待測(cè)量）很多，而且一種待測(cè)量往往可用幾種傳感器來測(cè)量，因此，傳感器產(chǎn)品品種極為龐雜、繁多。

第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的需求、水平、現(xiàn)狀

由于傳感器技術(shù)的重要性，80年代以來國際上出現(xiàn)了“傳感器熱”。日本把傳感器技術(shù)列為八十年代十大技術(shù)之首，美國把傳感器技術(shù)列為90年代22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，英國傳感器銷售額1990年比1980年增長24倍。傳感器技術(shù)之所以受到如此看重并獲得極為迅速發(fā)展的原因是：

1.微型計(jì)算機(jī)的普及、信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，而獲取信息的工具——傳感器處于明顯拖后腿的狀態(tài)，形成推動(dòng)傳感器技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。

2.廣闊的市場(chǎng)和強(qiáng)烈的社會(huì)需求是傳感器技術(shù)發(fā)展的又一強(qiáng)勁推動(dòng)力，傳感器的銷售值反映一個(gè)國家科技發(fā)達(dá)與社會(huì)進(jìn)步的程度。80年代，日本、西歐市場(chǎng)傳感器銷售值年增長率為：30%～40%。90年代全世界年增長率約為8.8％。90年代以來各方面對(duì)傳感器的需求也越來越強(qiáng)烈。第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器市場(chǎng)結(jié)構(gòu)

第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月90年代國內(nèi)市場(chǎng)各主要行業(yè)傳感器的用量

電力系統(tǒng) 140萬件化工系統(tǒng) 80萬件鋼鐵系統(tǒng) 130萬件能源管理與爐窯控制 4000萬件汽車行業(yè) 4400萬件機(jī)床行業(yè) 1500萬件文化辦公機(jī)械 200萬件各類儀器儀表 3億件

第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

一個(gè)電站 需要5000臺(tái)傳感器及其儀表；一個(gè)鋼鐵廠 需要20000臺(tái)傳感器及其儀表；大型石油化工廠需要6000臺(tái)傳感器及其儀表；大型發(fā)電機(jī)組 需要3000臺(tái)傳感器及其儀表；一部汽車 需要30至100臺(tái)傳感器；一架飛機(jī) 需要3600臺(tái)傳感器；

所以說，傳感器的市場(chǎng)需求非常龐大。其根本原因就是因?yàn)椤皞鞲衅魑挥谙到y(tǒng)之首”，“是現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)的源頭”。第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

自動(dòng)化過程都包括有三種主要功能塊：傳感器、計(jì)算機(jī)(或微處理器)、執(zhí)行器。

傳感器相當(dāng)于人的五官，時(shí)時(shí)檢測(cè)“對(duì)象”的狀態(tài)及其相應(yīng)的物理參量，并及時(shí)饋送給計(jì)算機(jī)；

計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦，經(jīng)過運(yùn)算、分析、判斷，根據(jù)“對(duì)象”狀態(tài)偏離設(shè)定值的方向與程度，對(duì)執(zhí)行器下達(dá)修正動(dòng)作的命令；

執(zhí)行器相當(dāng)于人的手腳，按大腦的命令對(duì)“對(duì)象”進(jìn)行操作。第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

透視人類自動(dòng)化的歷史進(jìn)程，我們看到：首先，人們發(fā)展了執(zhí)行器，如水磨、蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)、各種閥體等。然后，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，通過擴(kuò)展計(jì)算機(jī)程序的“智能”，產(chǎn)生了“信息革命”?，F(xiàn)在，人們正在通過應(yīng)用傳感器來擴(kuò)展“感覺”，去獲得信息數(shù)據(jù)，以便校正自動(dòng)化過程中的偏差，并能根據(jù)各種情況的變化做出實(shí)時(shí)正確的處理。在實(shí)際應(yīng)用中，需要三個(gè)功能塊（傳感器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器）都經(jīng)濟(jì)耐用，有良好的性能價(jià)格比。目前隨著計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器的的迅猛發(fā)展，傳感器的價(jià)格性能比相對(duì)來說卻居高不下，傳感器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器性能價(jià)格比的下降幅度為3:10:1000，傳感器與其它兩個(gè)功能塊的發(fā)展形勢(shì)不相適應(yīng)，制約了自動(dòng)化的發(fā)展。需要大力發(fā)展傳感器。第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

傳感器技術(shù)是涉及國民經(jīng)濟(jì)及國防科研各領(lǐng)域的重要技術(shù)。如果不建立我國自己的傳感器產(chǎn)業(yè)，而一味依賴從國外進(jìn)口傳感器來滿足需要，將使我國國民經(jīng)濟(jì)及國防力量的加強(qiáng)受到制約，因此必須盡快地發(fā)展我國的傳感器產(chǎn)業(yè)。我國傳感器的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在的主要問題是企業(yè)分散、實(shí)力不強(qiáng)、市場(chǎng)開拓不力。我國從事傳感器研究和生產(chǎn)的單位約1300家，居世界第一，但真正形成一定規(guī)模的卻寥寥無幾。多數(shù)企業(yè)是低水平的重復(fù)，處在生產(chǎn)的初級(jí)階段。傳感器屬于多學(xué)科交叉、技術(shù)密集的高技術(shù)產(chǎn)品，其技術(shù)水平?jīng)Q定于科學(xué)研究的水平，而我國在傳感器研究方面科研投入強(qiáng)度偏低，科研設(shè)備落后，加之我國存在科研和生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象，所以影響了傳感器科研成果的轉(zhuǎn)化，造成了我國傳感器產(chǎn)品綜合實(shí)力較低，阻礙了傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國傳感器行業(yè)的狀況第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

世界傳感器的種類約有2萬種，而我國經(jīng)過“八五”、“九五”的發(fā)展目前也僅有3000多種，尚有大量的品種需要我們?nèi)ラ_發(fā)。同時(shí)，我國傳感器產(chǎn)品的技術(shù)水平與國外有較大差距，主要是長期穩(wěn)定性和可靠性較差，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然我國傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀還不能適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，產(chǎn)品技術(shù)水平與國外相差15年左右，但是從統(tǒng)一市場(chǎng)的觀點(diǎn)看，我國具有傳感器的廣闊市場(chǎng)，所以我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。國家科委于1987年4月制定的《傳感器發(fā)展政策》白皮書中確定了“必須大力發(fā)展傳感器技術(shù)，特別是要把新型傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)中優(yōu)先領(lǐng)域予以發(fā)展”。1991年12月30日《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的十年規(guī)劃和“八五”計(jì)劃的建議》中第21條明確了要“大力加強(qiáng)傳感器的開發(fā)和在國民經(jīng)濟(jì)中的普遍應(yīng)用”。第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

國家對(duì)提高我國傳感器研究水平采取了一系列的措施，如在中國科學(xué)院建立了傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；在沈陽儀器儀表工藝研究所建立了傳感器國家工程研究中心；國家計(jì)委將傳感器技術(shù)研究列為國家“七五”、“八五”、“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目；國家科委在“863”計(jì)劃高技術(shù)項(xiàng)目中也列入了有關(guān)傳感器技術(shù)研究。通過上述措施不僅使我國傳感器研究水平與國外的差距迅速減小，而且在科研單位及高校中形成了一支具有較高水平的傳感器研究隊(duì)伍，如沈陽儀器儀表工藝研究所、中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等單位均有專業(yè)研究隊(duì)伍，他們目前均在知識(shí)創(chuàng)新及技術(shù)創(chuàng)新方面開展研究工作?！鞍宋濉?、“九五”期間，我國有關(guān)傳感器產(chǎn)業(yè)的相關(guān)專業(yè)部門，如信息電子部、機(jī)械工業(yè)部等，都分別組織有關(guān)科研和生產(chǎn)的專家制訂我國“傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”，規(guī)劃的制訂將有序地調(diào)整我國傳感器產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，迅速合理地發(fā)展傳感器產(chǎn)品，這無疑對(duì)建立我國傳感器產(chǎn)業(yè)有積極的作用。第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

一是開展基礎(chǔ)研究，探索新理論，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是增加品種、減小體積和重量，向標(biāo)準(zhǔn)化、固態(tài)化、集成化、多功能化、數(shù)字化、圖像化、智能化方向發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化：

不同廠家的產(chǎn)品，在硬件、軟件、通信規(guī)程、連接方式等方面互相兼容、互換聯(lián)用，既方便用戶使用，又易于安裝維修。固態(tài)化：

采用半導(dǎo)體、電介質(zhì)、強(qiáng)磁性體、陶瓷等材料。集成化：

將敏感元件、信息處理或轉(zhuǎn)換單元以及電源等部分利用半導(dǎo)體技術(shù)將其制作在同一芯片上。多功能化：傳感器具有多種參數(shù)的檢測(cè)功能。數(shù)字化：

用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，提高可靠性和抗干擾能力。圖像化：

傳感器的應(yīng)用不僅限于對(duì)某一點(diǎn)物理量的測(cè)量，而開始研究從一維、二維到三維空間的測(cè)量問題，如二維圖像傳感器等。智能化：

將信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)回路和信號(hào)處理回路等外圍電路全部集成在一塊基片上，使它具有自診斷、遠(yuǎn)距離通信、自動(dòng)調(diào)整零點(diǎn)和量程等功能。第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的一般特性

一種傳感器就是一種系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來描述。即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入間的關(guān)系和特性。從傳感器的靜態(tài)輸入－輸出關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型叫靜態(tài)模型；從傳感器的動(dòng)態(tài)輸入－輸出關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型叫動(dòng)態(tài)模型。傳感器所測(cè)量的非電量一般有兩種形式：一種是穩(wěn)定的，即不隨時(shí)間變化或變化極其緩慢，稱為靜態(tài)信號(hào)；另一種是隨時(shí)間變化而變化，稱為動(dòng)態(tài)信號(hào)。由于輸入量的狀態(tài)不同，傳感器所呈現(xiàn)出來的輸入－輸出特性也不同，因此存在所謂的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。為了降低或消除傳感器在測(cè)量控制系統(tǒng)中的誤差，傳感器必須具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，才能使信號(hào)(或能量)按規(guī)律準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換。

●

靜態(tài)模型

●動(dòng)態(tài)模型

●靜態(tài)特性●動(dòng)態(tài)特性

第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)模型

式中x——輸入量；

y——輸出量；

a0——零位輸出；

a1——傳感器線性靈敏度，常用K或S表示

a2，…，an

——非線性項(xiàng)的待定系數(shù)。

靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號(hào)情況下，描述傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系。一般可用多項(xiàng)式來表示：

第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)模型

動(dòng)態(tài)模型指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，描述其輸出和輸入信號(hào)的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。

動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)等來描述。1.

微分方程絕大多數(shù)傳感器都屬模擬（連續(xù)變化）系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。

式中x——輸入量

y——輸出量

an,an-1

,…,a0和bm,bm-1

,…,b0

為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（是常量）。對(duì)于傳感器，除外，一般取b1

,b2

,…,bm為0。

第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.

傳遞函數(shù)

在分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用傳感器時(shí)，傳遞函數(shù)的概念非常有用。傳遞函數(shù)是輸出量和輸入量之間的數(shù)學(xué)表示。如果傳遞函數(shù)已知，那么由任一輸入量就可求出相應(yīng)的輸出量。傳遞函數(shù)的定義是輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之比。

D（算子）——d/dt

這種形式的傳遞函數(shù)對(duì)瞬變輸入特別有用。對(duì)于線性系統(tǒng)，瞬變輸入所產(chǎn)生的輸出由于它只出現(xiàn)一次而不重復(fù)，通常直接表示為時(shí)間函數(shù)y(t)，它是這個(gè)傳感器微分方程的解。第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t≤0，y(t)=0。這對(duì)于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件均符合上述初始條件。從上式可知，它與輸入量無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)ai，bi有關(guān)。因此，可以簡(jiǎn)單而恰當(dāng)?shù)孛枋銎漭敵雠c輸入關(guān)系。只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意兩者，第三者便可方便地求出。這時(shí)可見，無需了解復(fù)雜系統(tǒng)的具體內(nèi)容，只要給系統(tǒng)一個(gè)激勵(lì)信號(hào)x(t)，使可得到系統(tǒng)的響應(yīng)y(t)

，系統(tǒng)特性就能被確定。

y(t)的拉氏變換Y(S)和x(t)的拉氏變換X(S)的比為拉氏傳遞函數(shù)H(S)：第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性

傳感器在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

a0=0時(shí)，表示靜態(tài)特性曲線通過原點(diǎn)。此時(shí)靜態(tài)特性有四種典型情況：1.理想線性（圖a）2.具有x奇次階項(xiàng)的非線性（圖b）3.具有x一次及偶次階項(xiàng)的非線性（圖c）4.具有x奇、偶次階項(xiàng)的非線性（圖d）第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

除圖(a)為理想線性特性外（幾乎每一種傳感器都不具備如此特性，即都存在非線性），其余均為非線性關(guān)系。僅具有奇次方的多項(xiàng)式模型，圖(b)，在原點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)其本上是線性特性。在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，應(yīng)將測(cè)量范圍選取在靜態(tài)特性最接近直線的一小段，此時(shí)原點(diǎn)可能不在零點(diǎn)。以圖（d）為例，如取ab段，則原點(diǎn)在c點(diǎn)。

傳感器靜態(tài)特性的非線性，使其輸出不能成比例地反映被測(cè)量的變化情況，而且對(duì)動(dòng)態(tài)特性也有一定影響。因此在使用非線性傳感器時(shí)，必須對(duì)傳感器輸出特性進(jìn)行線性處理。第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能指標(biāo)來描述:

1.線性度（非線性誤差）2.靈敏度3.重復(fù)性4.遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象5.精確度（精度）6.分辨率7.穩(wěn)定性8.漂移第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月線性度（非線性誤差）

所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。又稱為非線性誤差。非線性誤差可用下式表示：

式中ΔYmax

——輸出量和輸入量實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差；

YFS

——輸出滿量程值。

第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準(zhǔn)直線算出來的。因而，基準(zhǔn)直線不同，所得線性度也不同。

第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月靈敏度

傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量Δy與輸入增量Δx比值，常用Sn來表示。即

對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖(a)所示。即

非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)變量，如圖(b)所示，即用dy/dx表示傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。

第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月重復(fù)性

重復(fù)性表示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。多次按相同輸入條件測(cè)試的輸出特性曲線越重合，其重復(fù)性越好，誤差也越小。不重復(fù)性一般采用下式的極限誤差式表示：式中Δmax——輸出最大不重復(fù)誤差；

YFS

——滿量程輸出值。

不重復(fù)性誤差一般屬于隨機(jī)誤差性質(zhì)，按極限誤差公式計(jì)算不太合理。不重復(fù)性誤差可以通過校準(zhǔn)測(cè)得。根據(jù)隨機(jī)誤差的性質(zhì)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度隨校準(zhǔn)次數(shù)不同而不同，其最大偏差值也不一樣。因此，重復(fù)性誤差Ez可按下式計(jì)算：

式中為標(biāo)準(zhǔn)偏差，可用貝賽爾公式求得。

第39頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月遲滯(回差滯環(huán))現(xiàn)象

遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輔出-輸入特性曲線不重合的程度。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)x

，在x連續(xù)增大的行程中，對(duì)應(yīng)某一輸出量為yi，在x連續(xù)減小過程中，對(duì)應(yīng)于輸出量為yd

之間的差值叫做滯環(huán)誤差，這就是所謂的遲滯現(xiàn)象。該誤差用E表示為

在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用Δm表示，它與滿量程輸出值YFS的比值稱為最大滯環(huán)率Emax，即

第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月精確度（精度）

說明精確度的指標(biāo)有三個(gè)：精密度、正確度和精確度。1.精密度它說明測(cè)量結(jié)果的分散性。即對(duì)某一穩(wěn)定的對(duì)象（被測(cè)量）由同一測(cè)量者用同一傳感器和測(cè)量?jī)x表在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次（等精度測(cè)量），其測(cè)量結(jié)果的分散程度。精密度越小說明測(cè)量越精密（對(duì)應(yīng)隨機(jī)誤差）。2.正確度正確度說明測(cè)量結(jié)果偏離真值的程度，即示值有規(guī)則偏離真值的程度。指所測(cè)值與真值的符合程度（對(duì)應(yīng)系統(tǒng)誤差）。3.精確度它含有精密度與正確度兩者之和的意思，即測(cè)量的綜合優(yōu)良程度。在最簡(jiǎn)單的場(chǎng)合下可取兩者的代數(shù)和。通常精確度是以測(cè)量誤差的相對(duì)值來表示的。

第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月分辨率

傳感器的分辨率是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量Δxmin。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)()表示。穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。對(duì)于傳感器常用長期穩(wěn)定性描述其穩(wěn)定性。所謂傳感器的穩(wěn)定性是指在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時(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。因此，通常又用其不穩(wěn)定度來表征傳感器輸出的穩(wěn)定程度。

第42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月漂移

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移（零漂）和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移：傳感器在無輸入（或輸入值不變時(shí)），每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值）。

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（溫漂）。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的漂移程度。一般以溫度變化1℃輸出最大偏差與滿量程的百分比來表示。Δmax——輸出最大偏差；ΔT

——溫度變化范圍式中ΔYo——最大零點(diǎn)偏差（或相應(yīng)偏差）第43頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出-輸入特性。傳感器的動(dòng)態(tài)特性是傳感器在測(cè)量中非常重要的問題，它是傳感器對(duì)輸入激勵(lì)的輸出響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，隨時(shí)間變化的輸出曲線能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的曲線，即輸出-輸入具有相同類型的時(shí)間函數(shù)。