第一章 傳感器的概念及特性

第一章傳感器的概念及特性第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四①敏感元件(或稱預變換器，也統(tǒng)稱彈性敏感元件)

將被測非電量預先變換為另一種易于變換成電量的非電量（例如應變或位移），然后再利用傳感元件，將這種非電量變換成電量。彈性敏感元件是傳感器的心臟部分，它常由金屬或非金屬材料做成，當承受外力作用時，它會產(chǎn)生彈性變形；當去除外力后，彈性變形消失并能完全恢復其原來的尺寸和形狀。2傳感器的組成第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四②傳感元件凡是能將感受到的非電量（如力、壓力、溫度梯度等）直接變換為電量的器件稱為傳感元件（或稱變換元件）。如應變計、壓電晶體、壓磁式器件、光電元件及熱電偶等。傳感元件是利用各種物理效應或化學效應等原理制成的。說明:并不是所有的傳感器都包括敏感元件和傳感元件兩部分。如熱敏電阻、光電器件等。合二為一的傳感器：如固態(tài)壓阻式壓力傳感器等。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四按輸入量分：傳感器以被測物理量的命名按工作原理分：傳感器以工作原理命名3傳感器的分類第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四例如：氣體壓力傳感器

由半導體材料制成的物性性傳感器基本是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件二合一。直接能將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出。壓電傳感器、光電池。熱敏電阻等。膜盒差動電感電橋電路氣體壓力傳感器組成框圖PSLU0第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻傳感器第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四人與機器的機能對應關(guān)系圖外界對象感官傳感器人腦微機肢體執(zhí)行器傳感器的作用和地位第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四傳感器技術(shù)的發(fā)展方向新現(xiàn)象、新材料、新工藝、智能化傳感器第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四傳感器實例溫度傳感器壓力傳感器第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四

液位傳感器第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四傳感器的特性靜態(tài)特性：輸入量為常量或變化極慢時傳感器輸入——輸出特性。動態(tài)特性：輸入量隨時間變化時的傳感器的輸入——輸出特性。第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性：通過靜態(tài)標定，可得到測量系統(tǒng)的響應值yi和激勵值xi之間的一一對應關(guān)系，稱為測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性可以用一個多項式方程表示，即

稱為傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指標線性度遲滯重復性靈敏度和靈敏度誤差分辨率和閾值穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性抗干擾能力靜態(tài)誤差第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四非線性誤差：：非線性最大偏差：滿量程輸出一、線性度定義：在采用直線擬合線性化時，輸入輸出的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，稱為非線性誤差。第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四（3）端點連線（2）過零旋轉(zhuǎn)擬合（1）理論擬合（4）端點平移線第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四（5）最小二乘直線擬合基本含義：直線方程的形式為y=kx+b，且對于各個標定點（xi，yi）偏差的平方和最小的直線；計算方法：n個測量點（xi，yi），第i個校準數(shù)據(jù)yi與擬合直線上相應值之間的殘差為根據(jù)平方和最小原理即從而求得k和b的值為最小值，即第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四二、遲滯遲滯特性曲線遲滯：亦稱滯后量、滯后或回程誤差，表征測量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)兩者靜態(tài)特性不一致的程度。顯然,越小,遲滯性能越好第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四三、重復度重復特性重復性：表示測量系統(tǒng)在同一工作條件下，按同一方向作全量程多次(三次以上)測量時，對于同一個激勵量其測量結(jié)果的不一致程度。第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四靈敏度：是儀器在靜態(tài)條件下響應量的變化△y和與之相對應的輸入量變化△x的比值。四、靈敏度和靈敏度誤差若K為常數(shù)，線性傳感器。靈敏度誤差：第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四量程：測量上限值與下限值的代數(shù)差稱為量程。測量范圍：測量系統(tǒng)能測量的最小輸入量（下限）至最大輸入量（上限）之間的范圍稱為測量范圍。S00xS0±δ·S0%五、量程及測量范圍第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四

分辨率是指測量系統(tǒng)能測量到輸入量最小變化的能力。六、分辨率與閾值為了保證測量系統(tǒng)的測量準確度，工程上規(guī)定：測量系統(tǒng)的分辨率應小于允許誤差的1/3,1/5或1/10。可以通過提高儀器的敏感單元的增益的方法來提高分辨率。測量儀器必須有足夠高的分辨率。閾值(死區(qū)值)的概念簡介第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四七、穩(wěn)定性八、溫度穩(wěn)定性傳感器在外界溫度變化情況下輸出量的變化。傳感器在長時間工作情況下輸出量的變化第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四測量系統(tǒng)的動態(tài)特性是指系統(tǒng)對激勵（輸入）的響應（輸出）特性。一個動態(tài)特性好的測量系統(tǒng)，其輸出隨時間變化的規(guī)律（變化曲線），將能同時再現(xiàn)輸入隨時間變化的規(guī)律（變化曲線），即具有相同的時間函數(shù)。傳感器的動態(tài)特性時域：瞬態(tài)響應法，采用階越、脈沖和斜坡函數(shù)分析方法頻域：頻率響應法第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四典型測量系統(tǒng)的動態(tài)特性及分析測量系統(tǒng)的種類和形式很多，一般可以簡化為一階或二階系統(tǒng)。1．典型一階系統(tǒng)的動態(tài)響應在工程上，將視為一階測量系統(tǒng)的微分方程的通式，可改寫為第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四式中——具有時間的量綱，稱為系統(tǒng)的時間

——系統(tǒng)的靈敏度s，具有輸出/輸入的量綱。常數(shù)，一般記為；傳遞函數(shù)為：第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四典型例：圖2-7所示的由彈簧阻尼器組成的機械系統(tǒng)其微分方程為或式中k——彈性剛度；

c——阻尼系數(shù)；τ——時間常數(shù)，τ=c/k。第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四(a)幅頻特性；(b)相頻特性。21.010520.11.00.70.50.50.40.30.20.20.110521.00.50.20.1-80°-60°-40°-20°0°ωτφ(ω)ωτA(ω)當時：，表明測量系統(tǒng)輸出與輸入為線性關(guān)系；很小，，，相位差與頻率呈線性關(guān)系。頻域分析第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四①一階系統(tǒng)的零輸入響應②一階系統(tǒng)的沖激響應時域分析自學③一階系統(tǒng)的階越響應單位階躍信號方程的零狀態(tài)響應一階系統(tǒng)的階躍響應解為：第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四2．典型二階測量系統(tǒng)的頻率響應二階測量系統(tǒng)的微分方程通式傳遞函數(shù)：頻率響應函數(shù)：幅頻特性：相頻特性：第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四典型例：圖2-9所示彈簧－質(zhì)量－阻尼系統(tǒng)其微分方程為改寫為第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四式中m——系統(tǒng)運動部分的質(zhì)量；

c——阻尼系數(shù)；

k——彈簧剛度；

——系統(tǒng)的固有圓頻率；

——系統(tǒng)的阻尼比系數(shù)

cc——臨界阻尼系數(shù)，。動態(tài)特性討論：圖2-10為二階測量系統(tǒng)的頻率響應特性曲線?？梢娤到y(tǒng)的頻率響應特性好壞，取決于系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四頻域分析第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四（1）＜1，時，幅頻特性平直，輸出與輸入為線性關(guān)系；很小，與為線性關(guān)系。系統(tǒng)的輸出y(t)真實準確地再現(xiàn)輸入x(t)的波形，這是測試設備應有的性能。結(jié)論：為了使測試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測信號的波形，在傳感器設計或測量系統(tǒng)設計時，必須使其阻尼比＜1，固有圓頻率至少應大于被測信號頻率的（3～5）倍，即≥(3～5)。第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四時域響應①二階系統(tǒng)的零輸入響應②二階系統(tǒng)的沖激響應自學③二階系統(tǒng)的階越響應二階系統(tǒng)的階躍響應第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四傳感器選擇減小誤差的方法一階系統(tǒng)：時間常數(shù)的選取原則。一般的講，時間常數(shù)越小越好二階系統(tǒng)：、選取原則。、兩參數(shù)要正確、合理的選擇，一般地，要盡可能大，選擇在0.6～0.8之間第三十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四作業(yè)1.何為傳感器靜態(tài)特性？靜態(tài)特性主要技術(shù)指標有哪些？2.何為傳感器動態(tài)特性？動態(tài)特性主要技術(shù)指標有哪些？3.已知某二階系統(tǒng)傳感器的自振頻率f0=20kHz,阻尼比=0.1,若要求該系統(tǒng)的輸出幅值誤差小于3%，試確定該傳感器的工作頻率范圍。4.有一個傳感器，其微分方程為，其中y輸出電壓（mV），x為輸入溫度（℃）,試求傳感器的時間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度k。5.某力傳感器為一典型的二階振蕩系統(tǒng)，已知該傳感器的自振頻率f0=1000Hz，阻尼比，試求用它測量頻率為600Hz的正弦交變力時，其輸出與輸入幅值比和相位差各為多少？6.某壓力傳感器的標定數(shù)據(jù)如表1所列。分別求以端點連線、端點連線平移線、最小二乘直線作為參考工作直線的線性度、遲滯誤差及重復性。第三十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期四表1某壓力傳感器標定數(shù)據(jù)X壓力/MPa系統(tǒng)輸出/mV第一輪第二輪第三輪正行程反行程正行程反行程正行程反行程0