汽車傳感器原理與應(yīng)用 課件 第1-3章 汽車傳感器概述、傳感器敏感原理與特性、傳感器信號采集與調(diào)理

汽車傳感器概述第1章汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，將汽車運行過程中的各種工況信息轉(zhuǎn)換成電信號輸入給中央控制單元（ECU），使汽車各總成部件運行處于最佳狀態(tài)，它是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一，汽車傳感器的使用數(shù)量和技術(shù)水平?jīng)Q定了汽車控制系統(tǒng)的性能。1.1 傳感器1.1.1傳感器的定義傳感器在國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665—2005中的定義是“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置”。傳感器的這一定義主要包含以下內(nèi)容：1）傳感器是完成檢測任務(wù)的測量裝置或器件；2）輸入的是某一被測量，如物理量、化學(xué)量、生物量等；3）輸出某種物理量，如電壓、電流、電阻、電容等，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等；4）輸出與輸入之間具有對應(yīng)關(guān)系，且有一定的精確度。1.1.2傳感器的組成傳感器的作用是把被測的非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分。傳感器中將敏感元件輸出的中間非電量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)及電流或電壓信號的元件稱為轉(zhuǎn)換元件。轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換元件在工作時需有輔助電源。因此，轉(zhuǎn)換電路及輔助電源也可視為傳感器組成的一部分。1.1.3傳感器的分類（1）按照物理原理分類

按照物理原理可分為電參量式傳感器（如電阻式、電感式、電容式等）、磁電式傳感器（如磁電感應(yīng)式、霍爾式等）、壓電式傳感器、光電式傳感器、熱電效應(yīng)等。（2）按傳感器用途分類

按傳感器用途可分為位置傳感器、振動傳感器、能耗傳感器、熱敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、射線輻射傳感器、生物傳感器等。（3）按傳感器轉(zhuǎn)換原理分類

按傳感器轉(zhuǎn)換原理可將傳感器分為物理性能型和結(jié)構(gòu)型兩類。（4）按輸入量（被測對象）分類

按輸入量（被測對象）可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器。（5）按輸出信號分類

按輸出信號可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器和開關(guān)傳感器。1.2 傳感器在汽車上的應(yīng)用1—圖像傳感器2—雨水或光強傳感器3—節(jié)氣門位置傳感器4—曲軸位置傳感器5—凸輪軸位置傳感器6—爆燃傳感器7—車外溫度傳感器8—冷卻液溫度傳感器9—機油壓力傳感器10—空氣流量和進氣溫度傳感器11—碰撞傳感器12—變速器油溫傳感器13—紅外系統(tǒng)14—制動液液位傳感器15—輪胎壓力傳感器16—車輪轉(zhuǎn)速傳感器17—加速踏板位置傳感器18—氧傳感器19—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器20—座椅重量傳感器21—排氣溫度傳感器22—電磁減振器傳感器23—超聲波倒車?yán)走_傳感器24—燃油箱液位傳感器25—后窗除霜傳感器1.2.1汽車傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，不僅是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。隨著我國汽車產(chǎn)銷量的急劇上升，國內(nèi)汽車傳感器市場也在高速增長，其中工業(yè)電子設(shè)備和汽車電子增長最快。進一步完善傳感器的高可靠性、高性價比、高適應(yīng)性、高精度以及方便安裝使用等性能。目前汽車傳感器技術(shù)已向微型化、多功能化、集成化和智能化等方向發(fā)展。1.2.2汽車傳感器的性能要求檢測項目測量范圍精度要求（%）分辨能力響應(yīng)時間冷卻液溫度-50~150℃±2.51℃10s進氣歧管壓力10~100kPa±20.1%2.5ms空氣流量6~600kg/h±20.1%2.5ms曲軸轉(zhuǎn)角10°~360°±0.51°20μs排期中氧濃度0.4~1.4±11%10ms節(jié)氣門開度1°~90°±10.2°10ms現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)對傳感器的性能要求主要有以下幾點：（1）強環(huán)境適應(yīng)性

汽車工作環(huán)境溫度為-40~80℃，在各種道路條件下運行，特別是發(fā)動機承受著巨大的熱負荷、熱沖擊、振動等，因此要求傳感器能適應(yīng)溫度、濕度、沖擊、振動、腐蝕及油液污染等惡劣工作環(huán)境。（2）批量生產(chǎn)和通用性一種傳感器信號，可以被多個因素控制，如可以對速度信號求導(dǎo)，得到加速度信號等，所以要求傳感器具有通用性。（3）響應(yīng)速度快、可靠性高

通過把實時收集整理的數(shù)據(jù)傳輸給汽車電子控制系統(tǒng)，傳感器將被測參數(shù)轉(zhuǎn)變成電信號，進而讓汽車駕駛員可以精準(zhǔn)地控制汽車，有效減少各種汽車故障問題。此外，同普通傳感器一樣，汽車傳感器的可靠性要高。（4）高精度

傳感器的精度即傳感器輸出信號與被測值的偏差。車用傳感器的精度要求與普通傳感器相似。（5）其他要求

體積和外形要盡可能小型、輕量，便于安裝，符合標(biāo)準(zhǔn)化的要求。1.2.3汽車傳感器的選用原則（1）量程的選擇

量程是傳感器測量上限和下限的代數(shù)差。（2）靈敏度的選擇

傳感器輸出變化值與被測量的變化值之比稱為靈敏度。（3）分辨率的選擇

分辨率表示傳感器能檢測出的被測信號的最小增量。（4）誤差的選擇

誤差是指測量指示值與真實值之間的差。（5）重復(fù)性的選擇

重復(fù)性是傳感器在相同工作條件下，被測量的同一數(shù)值，在一個方向上進行重復(fù)測量時，測量結(jié)果的一致性。（6）線性度的選擇

汽車傳感器的線性度是指它的輸入輸出關(guān)系曲線與其理論擬合直線之間的偏差。（7）過載的選擇

過載表示傳感器允許承受的最大輸入量（被測量）。（8）可靠度的選擇

可靠度的含義是在規(guī)定條件（規(guī)定的時期，產(chǎn)品所處環(huán)境條件、維護條件和使用條件等）下，傳感器正常工作的可能性。（9）響應(yīng)時間的選擇

傳感器的響應(yīng)時間（或稱建立時間）是指階躍信號激勵后，傳感器輸出值達到穩(wěn)定值的最小規(guī)定百分?jǐn)?shù)（如5%）時所需的時間。1.2.4汽車傳感器的發(fā)展趨勢（1）智能化

智能化傳感器是一種將普通傳感器與專用微處理器一體化，能夠執(zhí)行信息存儲和信息處理，而且能夠進行邏輯思考和結(jié)論判斷的新型系統(tǒng)。（2）微型化

微型化就是利用微型加工技術(shù)，盡可能使傳感器的體積最小和重量最輕。（3）多功能化

將若干種敏感元件組裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器，能夠?qū)Σ煌N類的參數(shù)進行檢測，即用一個傳感器系統(tǒng)可以同時實現(xiàn)多種傳感器的功能，減少傳感器的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。（4）集成化

集成化技術(shù)是指利用集成加工技術(shù)，將敏感元件、放大電路、運算電路、補償電路等集成在一塊芯片上，或是在同一個芯片上將眾多同類型的單個傳感器件集成為一維、二維或三維陣列型傳感器，使它們成為一體化裝置。（5）高精度和高可靠性

追求低排放、低油耗、大功率的發(fā)動機是節(jié)能減排的發(fā)展趨勢，這必須具有高精度和高可靠性的傳感器來保證汽車各總成在最佳狀況下才能達到。（6）仿生化

仿生傳感器就是人類在對生物界不斷認識、不斷研究的過程中發(fā)展起來的。（7）新材料和新工藝的應(yīng)用

傳感器的材料是傳感器的重要基礎(chǔ)，材料性能直接影響傳感器的工作性能和靈敏度。傳感器的性能除了與傳感器材料有關(guān)外，還與加工技術(shù)有關(guān)，加工技術(shù)的微精細化在傳感器的生產(chǎn)中占有越來越重要的地位。傳感器敏感原理與特性第2章2.1傳感器的工作機理2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)是指導(dǎo)體在產(chǎn)生機械變形（伸長或縮短）時其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化的物理現(xiàn)象。一根電阻絲的電阻值R可表示為1）電阻絲的靈敏度系數(shù)受兩個因素影響，一個是受力后材料幾何尺寸的變化量，即；另一個是受力后材料電阻率發(fā)生的變化量，即。2）在外力作用下，被測電阻絲產(chǎn)生微小機械變形，應(yīng)變片隨之發(fā)生相同的變化，同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系（即滿足胡克定律），其比例系數(shù)稱為彈性模量。因此，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可表示為

金屬應(yīng)變片除了直接用于測量機械、儀器以及工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變外，還與某種形式的彈性元件相配合，制造成各種應(yīng)變式傳感器用來測量力、扭矩、位移、壓力、加速度等其他物理量。

金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。絲式應(yīng)變片是將金屬絲按照圖示形狀彎曲后黏貼在襯底上而成，基底可分為紙基、膠基和紙浸膠基等。箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵應(yīng)變片，其厚度一般在0.003~0.01mm；具有尺寸準(zhǔn)確、線條均勻、應(yīng)變性能好、橫向效應(yīng)小、散熱性能好等。薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)、真空沉淀或濺射等方法，將金屬材料在絕緣基片上制成一定形狀、厚度在0.1μm以下的薄膜敏感柵，最后再加上保護層。2.1.2磁電效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）1.磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱電動勢傳感器或感應(yīng)式傳感器，是一種通過閉合導(dǎo)體的磁通量變化而輸出感應(yīng)電動勢的傳感器。在不需要電源供電的條件下，直接將被測物體的機械能轉(zhuǎn)換成電信號輸出。這種傳感器具有“雙向”性，因此可作為“逆變器”應(yīng)用于近年發(fā)展起來的“反饋式/力平衡式”傳感器中，但其尺寸和重量都比較大。根據(jù)感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生方式，磁電感應(yīng)式傳感器可以分為變磁通式和恒定磁通式兩種類型。變磁通式結(jié)構(gòu)（又稱變磁阻式或變氣隙式），常用于旋轉(zhuǎn)角速度的測量。恒定磁通式傳感器的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是動圈式，另一種是動鐵式。動圈式和動鐵式的工作原理相同，當(dāng)殼體隨被測振動體一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，因此當(dāng)振動頻率足夠高（遠高于傳感器的固有頻率）時，運動部件的慣性很大，來不及跟隨振動體一起振動，近于靜止?fàn)顟B(tài)，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度。2.霍爾傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理將被測量（如電流、磁場、位移、壓力等）轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。當(dāng)有電流流過置于磁場中的金屬或半導(dǎo)體薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。從物理本質(zhì)上說，霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中的載流子受磁場中洛倫茲力作用而產(chǎn)生的。將一塊長為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，使磁場方向垂直于薄片。2.1.3壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)受到某個方向的外力作用時，內(nèi)部就會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆用電效應(yīng)：如對晶體施加某一方向的電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤消后，變形也隨之消失，稱為逆用電效應(yīng)。1.石英晶體的壓電效應(yīng)Z軸為光軸（中性軸），它是晶體的對稱軸，光線沿Z軸通過晶體時不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而以它作為基準(zhǔn)軸；X軸為電軸，該軸壓電效應(yīng)最為顯著，它通過六棱柱相對的兩個棱線且垂直于光軸Z，顯然X軸共有三個；Y軸為機械軸（力軸），顯然也有三個，它垂直于兩個相對的表面，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。石英晶體之所以具有壓電效應(yīng)，與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影。當(dāng)作用力FX=0時，正、負離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120°夾角的偶極矩P1、P2、P3。正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即：當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX＜0）作用時，晶體將沿X方

向產(chǎn)生收縮，正、負離子相對位置隨之發(fā)生變化。晶體在Y軸方向受到力FY作用下的情況與FX相似。晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體在Z軸方向的力FZ的作用時，因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z（即光軸）方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力

作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度

與應(yīng)力

成正比，即在X軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的X軸正向表面帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。如果力沿著機械軸的方向作用在同一晶片上，電荷仍在與X軸垂直的平面上出現(xiàn)，此時電荷的大小為基于上述分析可知：1）無論是正壓電效應(yīng)還是逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間呈線性關(guān)系；2）晶體在某方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；3）石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的2.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是一種常見的壓電材料。壓電陶瓷與單晶體的石英晶體不同，它是人工制造的多晶體材料。壓電陶瓷是具有電疇結(jié)構(gòu)的多晶體壓電材料，其內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它們是分子自發(fā)形成的區(qū)域，有一定的極化方向，從而存在電場。陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷，這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反但數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。a）正壓電效應(yīng)b）負壓電效應(yīng)2.1.4光電效應(yīng)1.外光電效應(yīng)在光的照射下，電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。1）光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的電子表面逸出功A。2）當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。3）光電子的初動能取決于入射光的頻率γ。4）因為一個光子的能量只能傳給一個電子2.內(nèi)光電效應(yīng)光線照射在半導(dǎo)體材料上時，材料中處于價帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價帶內(nèi)空穴增多，但這些被釋放的電子并不能逸出物體表面，而是停留在物體內(nèi)部，使其導(dǎo)電能力發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。半導(dǎo)體材料受到光線照射時會產(chǎn)生電子－空穴對，使導(dǎo)電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，物體兩端產(chǎn)生一定方向的電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏特效應(yīng)。2.1.5熱電效應(yīng)兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B串接成一個閉合回路，并使結(jié)點1和結(jié)點2處于不同的溫度T，T0，那么回路中就會存在熱電勢，因而就有電流產(chǎn)生，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)（或塞貝克效應(yīng)）。相應(yīng)的熱電勢稱為溫差電勢（或塞貝克電勢），都稱為熱電勢?；芈分挟a(chǎn)生的電流稱為熱電流，單體A、B稱為熱電極。1.兩種導(dǎo)體的接觸電勢由于各種金屬導(dǎo)體都存在有大量的自由電子，并且不同金屬的自由電子密度是不同的。當(dāng)A、B兩種金屬接觸在一起時，在接點處會產(chǎn)生電子擴散現(xiàn)象，即電子濃度大的金屬中的自由電子向電子濃度小的金屬中擴散，這樣電子濃度大的金屬因失去電子而帶正電。A與B兩種不同金屬的接點處產(chǎn)生的電動勢稱為接觸電勢或珀爾帖電勢。2.單一導(dǎo)體的溫度差電勢在一根勻質(zhì)的金屬導(dǎo)體中，如果兩端的溫度不同，則導(dǎo)體內(nèi)部熱端的自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。

導(dǎo)體兩端形成的電勢稱為溫差電勢或湯姆遜電勢。1）如果熱電偶兩電極材料相同，雖然兩端溫度不同，但總輸出電勢仍為零，因此，必須由兩種不同的材料才能構(gòu)成熱電偶。2）如果熱電偶兩結(jié)點溫度相同，則回路中的總電勢必然等于零。3）熱電勢的大小只與材料和結(jié)點溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀和沿電極溫度分布無關(guān)。2.2傳感器的特性2.2.1靜態(tài)特性1.線性度傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間的線性程度。傳感器的靜態(tài)特性曲線可通過實際測試獲得。在實際應(yīng)用中，為了得到線性關(guān)系，往往引入各種非線性補償環(huán)節(jié)。如采用非線性補償電路或計算機軟件進行線性化處理，或采用差動結(jié)構(gòu)，使傳感器的輸出—輸入關(guān)系為線性或接近線性。選取擬合直線的方法很多，還可以用最小二乘法求取擬合直線，且其擬合的精度最高。當(dāng)采用最小二乘法擬合時，設(shè)擬合直線方程為2.靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量

與引起此變化的輸入變化量

之比，用k表示，即3.遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。即：對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機械零部件的缺陷，例如彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件的摩擦、傳動機構(gòu)的間隙、緊固件松動等。4．重復(fù)性重復(fù)性

是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變化測量時，所得特性曲線不一致的程度。5．分辨率和閾值傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。當(dāng)分辨力以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示時則稱為分辨率。閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。6．精確度（精度）精確度是用來表示儀表測量結(jié)果可靠程度最重要的指標(biāo)。儀表的

越大，表示它的精確度越低；反之，

越小，表示它的精確度越高。國家統(tǒng)一規(guī)定儀表精度等級的方法：將儀表允許的最大相對百分誤差去掉“±”和“%”，便可用來確定儀表的精度等級。劃分的精度等級有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0。例1

某臺測溫儀表的測溫范圍為200℃~700℃，校驗該表時得到的最大絕對誤差為+4℃，試確定該儀表的精度等級。解：該儀表的相對百分誤差為去掉“+”和“%”，數(shù)值為0.8。但國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，而且該儀表的誤差超過了0.5級儀表所允許的最大誤差，因此該儀表的精度等級為1.0級。例2

某臺測溫儀表的測溫范圍為0℃~1000℃。根據(jù)工藝要求，溫度指示器的誤差不允許超過±7℃，試問應(yīng)如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？解：根據(jù)工藝要求，儀表允許的最大百分誤差為2.2.2動態(tài)特性1．瞬態(tài)響應(yīng)特性（1）一階傳感器的單位階躍響應(yīng)

設(shè)x(t)和y(t)分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為（2）二階傳感器的單位階躍響應(yīng)

二階傳感器的傳遞函數(shù)為2．頻率響應(yīng)特性（1）零階傳感器的頻率特性（2）一階傳感器的頻率特性

將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用jω代替，即可得到頻率特性、幅頻特性、相頻特性的表達式分別為（3）二階傳感器的頻率特性

將二階傳感器傳遞函數(shù)中的s用jω代替，可得二階傳感器的頻率特性表達式、幅頻特性、相頻特性，分別為：傳感器信號采集與調(diào)理第3章3.1概述信號是傳送信息的物理量或參數(shù)。信號源有許多種，它們可能是物理現(xiàn)象的測量結(jié)果。信號處理的主要目的是消除和減少不希望的信號。信號的基本表示中至少有一個自變量的函數(shù)。信號值作為自變量的函數(shù)，它的變化稱為波形。3.2傳感器信號分類及描述3.2.1信號的分類1.確定性信號和非確定性信號（1）確定性信號

能用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達的信號稱為確定性信號，確定性信號可以是周期的也可以是非周期的。（2）非確定性信號

不能用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達的信號稱為非確定性信號。具有這種性質(zhì)的信號稱為隨機信號。2.周期信號和非周期信號（1）周期信號

一個隨時間變化的信號x(t)，當(dāng)滿足關(guān)系式

時，稱x(t)為周期信號。諧波信號是最簡單、最基本的周期信號。傅里葉級數(shù)定理：以T為周期的函數(shù)x(t)，如果在[-T/2，T/2]滿足狄利克雷條件，即函數(shù)在[-T/2，T/2]上滿足：①連續(xù)或只有有限個第一類間斷點(即左、右極限均存在但不相等的間斷點)；②只有有限個極值點，那么在[-T/2，T/2]上就可以展開成傅里葉級數(shù)。（2）非周期信號

能用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式表達，但取值不具有周期性的信號稱為非周期信號。3.模擬信號和數(shù)字信號根據(jù)信號的取值在時間上是否是連續(xù)的（不考慮個別不連續(xù)點），可以將信號分為時間連續(xù)信號和時間離散信號。如果信號在所討論的時間段內(nèi)的任意時間點都有確定的函數(shù)值，則稱此類信號為時間連續(xù)信號，簡稱連續(xù)信號。實際系統(tǒng)中存在的絕大多數(shù)物理過程或物理量，都是在時間和幅值上連續(xù)的量，對這些連續(xù)量，稱為模擬信號。離散信號是在連續(xù)信號上采樣得到的信號。3.2.2信號的描述1.時域描述在實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化加工處理過程中，為避免混疊效應(yīng)的影響，在A/D轉(zhuǎn)換電路前通常設(shè)置前置濾波器（或稱反混疊濾波器）對模擬信號xa(t)進行前置濾波器濾波。濾除高頻成分的信號后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號x(n)，即可運用數(shù)字技術(shù)對信號x(n)進行處理，得到輸出數(shù)字信號y(n)。2.頻域描述頻域描述用來反映信號的頻率組成及其幅值相角的大小。常用的基本信號有正弦信號、復(fù)指數(shù)型信號、階躍信號、沖激信號等。信號的頻域描述即是將一個時域信號變換為一個頻域信號，根據(jù)任務(wù)分析的要求將該信號分解成一系列基本信號的頻域表達形式之和，從頻率分布的角度出發(fā)，研究信號的結(jié)構(gòu)及各種頻率成分的幅值和相位關(guān)系。3.3數(shù)字信號處理基礎(chǔ)3.3.1時域采樣和采樣定理1.時域采樣信號的采樣是由采樣器來獲得的，采樣器的作用如同一個開關(guān)。開/關(guān)間每隔時間間隔T接通輸入信號和接地各一次。顯然，采樣器的輸出信號f(t)只包含開關(guān)接通時間內(nèi)輸入信號f(t)的一些小段，這些小段是原信號的采樣。2.時域采樣定理一個信號f(t)的頻譜受限于區(qū)間(-ωｍ，ωｍ)，則信號f(t)可用等間隔Ts的采樣值確定。采樣頻率間隔Ts必須小于或等于2fｍ（其中ωｍ＝2πfｍ）。或者說，由時域采樣定理可知，為了能從采樣信號fs(t)中恢復(fù)原信號f(t)，需要滿足以下兩個條件：由于f(t)是帶限信號，即f(t)的頻譜函數(shù)F(jω)在|ω|＞ωｍ處均為零，則采樣頻率不能過低，必須滿足fｓ≥２fｍ（或ωs≥2ωｍ），也就是說，取樣時間間隔T不能超過f(t)，即f(t)的頻譜函數(shù)F(jω)在|ω|＞ωｍ處均為零。同時必須滿足T≤２/fｍ，否則將會發(fā)生混疊。3.3.2頻域采樣和柵欄效應(yīng)1.頻域采樣根據(jù)時域與頻域的對稱性，可由時域采樣定理直接推論出頻域采樣定理。頻域采樣定理為，若信號f(t)是時間受限信號，它集中在(-tｍ，tｍ)的時間范圍內(nèi)，若在頻域中以不大于1/(2tｍ)的頻率間隔譜對f(t)的頻譜F(jω)進行頻域沖激采樣，則采樣后的頻譜Fs(jω)可唯一地表示出原信號的頻譜F(jω)。2.柵欄效應(yīng)由以上對離散傅里葉變換過程的分析可知，被分析信號x(t)的頻譜X(f)經(jīng)離散傅里葉變換計算之后，所得的N根譜線的位置是在

的地方，即僅在基頻1/T的整數(shù)倍頻率點上才有其各個頻率成分，所有那些位于離散譜線之間的頻譜圖形都得不到顯示，不能知道其精確的值。換言之，若信號中某頻率成分的頻率f1等于k/T，即它與輸出的頻率采樣點相重合，那么該譜線便可被精確地顯示出來；反之若f1與頻率采樣點不重合，便得不到顯示，所得的頻譜會產(chǎn)生誤差，上述現(xiàn)象稱為柵欄效應(yīng)，由柵欄效應(yīng)產(chǎn)生的測量誤差屬于譜估計的偏度誤差。3.4傳感器信號采集與調(diào)理3.4.1電橋電橋是將電阻、電感、電容等參量的變轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路。其輸出既可以用于指示儀表直接測量，也可以送入放大器進行放大。在物理構(gòu)成上，電橋由首尾相聯(lián)的四個阻抗構(gòu)成，其對角端分別為橋電源和輸出電壓。電橋的主要作用是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，以便后續(xù)電路測量和記錄。1．直流電橋直流電橋是一種精密的電阻測量儀器，按電橋輸出方式的不同可被分為平衡電橋和非平衡電橋。2.交流電橋交流電橋采用交流激勵電壓。電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。因此，除了電阻外還包含電抗。如果阻抗、電流及電壓都用復(fù)數(shù)表示，則關(guān)于直流電橋的平衡關(guān)系式在交流電橋中也可適用，即電橋達到平衡時必須滿足交流電橋可以用于測量隨被測量變化而變化的各種交流阻抗，如電容量、電感量等。此外還可以測量與電容、電感有關(guān)的其他物理量，如互感、磁性材料的磁導(dǎo)率、電容的介質(zhì)損耗、介電常數(shù)和電源頻率等，其測量準(zhǔn)確度和靈敏度都很高。3．帶感應(yīng)耦合臂的電橋帶感應(yīng)耦合臂的電橋是將感應(yīng)耦合的兩個繞組作為電橋臂而組成的電橋，一般有下列兩種形式。3.4.2信號的放大與隔離

1．典型運算放大器及其主要特性運算放大器是使用最廣的模擬電子器件，它是儀器放大器、濾波器以及混合型模擬和數(shù)字式數(shù)據(jù)處理設(shè)備的基本單元。在運放符號中的“+”“-”，表示運放的同相輸入端和反相輸入端，即當(dāng)輸入電壓加在同相輸入端和公共端之間時，輸出電壓和輸入電壓兩者的實際方向相對于公共端而言是相同的；反之，當(dāng)輸入電壓加在反相輸入端和公共端之間時，輸出電壓和輸入電壓兩者的實際方向相對于公共端而言是相反的。（1）基本放大器

利用運算放大器可組成反相輸入、同相輸入和差動輸入放大器。（2）儀器放大器

對于輸出阻抗大、共模電壓高的輸入信號，需要用到高輸入阻抗和高共模抑制比的差動放大器。（3）可編程增益放大器

可編程增益放大器是指放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由程序來控制，簡稱為PGA(ProgrammableGainAmplifier)。其主要作用是，在多回路或多參數(shù)檢測系統(tǒng)中，由于各回路傳感器信號的變化范圍不盡相同，必須提供多種量程的放大器，才能使放大后的信號幅值變化范圍一致，如果放大器的增益可以由計算機輸出的數(shù)值信號控制，則可通過改變計算機程序來改變放大器的增益，使各輸入通道均有最合適的放大增益，各通道或各參數(shù)的信號經(jīng)放大器達到ADC輸入所要求的標(biāo)準(zhǔn)值，從而簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計和調(diào)試工作量。x2x1y4y3y2y1閉合開關(guān)000110111110110110110111S1S2S3S42．信號的隔離遠距離信號傳輸常因兩地信號和電源接地或者其他共同回路而引入很強的干擾，因此隔離是信號調(diào)理中很重要的環(huán)節(jié)。信號的隔離一方面切斷電路間的直接聯(lián)系，另一方面又保證信號的暢通。隔離放大器在實現(xiàn)輸出電壓和輸入電壓的線性放大傳輸?shù)耐瑫r，保證了輸入信號和輸出信號之間的電氣隔離。（1）變壓器耦合隔離放大器

變壓器耦合放大器是利用變壓器原邊和副邊之間的電氣隔離特性，將測量系統(tǒng)中接地點不同的各電路之間的電氣連接隔離開來。（2）光電耦合隔離放大器

光電耦合隔離放大器又稱為光耦合器，這種器件是一種將發(fā)光器件與受光器件相對設(shè)置并封裝在同一外殼中的復(fù)合器件。其輸入/輸出之間用光進行聯(lián)系，而電氣完全絕緣，是一種具有獨特性質(zhì)和功能的固體器件。3.4.3信號的調(diào)制與解調(diào)

根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)的不同，調(diào)制可分為調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。使載波的幅值、頻率或者相位隨調(diào)制信號而變化的過程分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相。這些被調(diào)制波分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波。1．調(diào)幅及其解調(diào)（1）原理

調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化?，F(xiàn)以頻率為f0的余弦信號作為載波進行討論。（2）整流檢波和相敏檢波

若把調(diào)制信號進行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號的形狀。把該調(diào)幅波xm(t)簡單地整流、濾波就可以恢復(fù)原調(diào)制信號。如果原調(diào)制信號中有直流分量，則在整流以后應(yīng)準(zhǔn)確地減去所加的偏置電壓。2．調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，使振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。當(dāng)信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率；信號電壓為正值時頻率提高，為負值時則降低。（1）直接調(diào)頻測量電路

在被測電路小范圍變化時，電容（或電感）的變化也有與之對應(yīng)的、接近線性的變化。（2）壓控振蕩器

壓控振蕩器是一種常用的調(diào)頻方案。壓控振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入的控制電壓值呈線性關(guān)系。（3）變壓器耦合的諧振回路鑒頻法

調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。3.4.4濾波器1．濾波器的概述（1）濾波的定義

通常情況下，測量信號有多個頻率分量，濾波是讓被測信號中的有效信號通過而其他不需要的信號成分被抑制或衰減的過程。該過程通常由濾波器實現(xiàn)。（2）濾波器的分類

濾波器按其所處理的信號性質(zhì)可以分為：①

模擬濾波器：對連續(xù)的模擬信號進行運算處理的濾波器。②

數(shù)字濾波器：對離散的數(shù)字信號進行運算處理的濾波器。2．濾波器的作用濾波器可以將有用的信號與大量的干擾噪聲分離開來，這樣，可以提高信號傳輸過程中的抗干擾性，提高信噪比。濾波器還可以用來濾掉被測信號中不感興趣的頻率成分。一方面可以提高分析精度，另一方面可以降低對分析儀器的性能要求。濾波器的另一個重要用途是對動態(tài)信號進行頻譜分析，即通過分辨力高的窄帶濾波器從具有復(fù)雜頻率成分的信號中分離出單一的頻率分量，進行幅值和相位分析。3．濾波器的綜合應(yīng)用（1）濾波器的串聯(lián)

為加強濾波效果，在實際應(yīng)用中，常將兩個具有相同中心頻率的（帶通）濾波器串聯(lián)，其合成系統(tǒng)總的幅頻特性將是兩濾波器幅頻特性的乘積，這樣，通帶外的頻率成分將大大衰減，改善了過渡帶的性能。（2）濾波器的并聯(lián)

濾波器的并聯(lián)常用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提取。使用時常將被分析信號輸入一組中心頻率不同但增益相同的濾波器，這樣各個濾波器的輸出反映了信號中所含的各個頻率成分。3.4.5信號的顯示與記錄1．動圈式磁電指示機構(gòu)可轉(zhuǎn)動線圈處于很強的均勻磁場中，信號電流i