1、第一張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 將被測(cè)非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系電量輸出的器件或裝置叫做傳感器，也叫變換器、換能器或探測(cè)器。 1.2.1 傳感器的定義第二張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3 1.2.2 傳感器的組成敏感元件輔助電路傳感元件 被測(cè)非電量 有用非電量有 用電 量信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路電 量圖1-1 傳感器組成框圖第三張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月敏感元件：直接感受被測(cè)非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系的其它量的元件。傳感元件：又稱變換器。能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。第四張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月敏感

2、元件傳感元件壓力傳感器示例第五張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路：能把傳感元件輸出的電信號(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。常用的電路有電橋、放大器、變阻器、振蕩器等。輔助電路通常包括電源等。第七張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月81.2.3 傳感器的分類1按工作機(jī)理分類：根據(jù)物理和化學(xué) 等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)進(jìn)行分類2按被測(cè)量分類：根據(jù)輸入物理量的 性質(zhì)進(jìn)行分類。3按敏感材料分類：根據(jù)制造傳感器 所使用的材料進(jìn)行分類?？煞譃榘?導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。第八張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于202

3、2年6月基本物理量派生物理量位移線位移長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度等角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)等速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量等角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)等加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等角加速度角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力壓力重量、應(yīng)力、力矩等時(shí)間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等溫 度熱容量、氣體速度、渦流等光光通量與密度、光譜分布等第九張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 按能量的關(guān)系分類：根據(jù)能量觀點(diǎn) 分類，可將傳感器分為有源傳感器 和無源傳感器兩大類。有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱換能器。通常配合有電壓測(cè)量電路和放大器。如:壓電式、熱電式、電磁式

4、等。第十張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月無源傳感器又稱為能量控制型傳感器。被測(cè)非電量?jī)H對(duì)傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用。所以必須具有輔助能源(電能)。如:電阻式、電容式和電感式等。5. 其他：按用途、學(xué)科、功能和輸出 信號(hào)的性質(zhì)等進(jìn)行分類。第十一張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月從系統(tǒng)角度看，一種傳感器就是一種系統(tǒng)。而一個(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的關(guān)系和特性，從而，用這種關(guān)系指導(dǎo)對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)、制造、校正和使用。 通常從傳感器的靜態(tài)輸入-輸出關(guān)系和動(dòng)態(tài)輸入-輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模型。1.3 傳感器的數(shù)學(xué)模型概述第十二

5、張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.1 靜態(tài)模型 靜態(tài)模型是指在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的情況下，描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯特性，傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項(xiàng)式來表示：第十三張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 1.3.2 動(dòng)態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型是指?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)描述。第十四張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 1 .微分方程 大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實(shí)際的模型建立過程中，一般采用線性常系數(shù)微分方程來

6、描述輸出量 y和輸入量 x 的關(guān)系。第十五張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 其通式如下：an,an-1a0和bm,bm-1b0 為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。除b0 0外，一般取b1,b2bm為零. 第十六張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 傳遞函數(shù)如果y(t)在t0時(shí)， y(t) =0，則y(t) 的拉氏變換可定義為 式中s=+j，0。 對(duì)微分方程兩邊取拉氏變換，則得第十七張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月定義輸出y(t)的拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，則對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t0時(shí)， y(t)=0。對(duì)于傳感器

7、被激勵(lì)之前所有的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。第十八張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月19對(duì)于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可忽略相互間的影響，傳感器的等效傳遞函數(shù)可按代數(shù)方式求得。顯然H(s)與輸入量x(t)無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而H(s)可以簡(jiǎn)單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關(guān)系。第十九張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月20若傳感器由r個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成 對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡(jiǎn)單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。第二十張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月21若傳感器由p個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)而成第二十一張，PPT共七十三

8、頁，創(chuàng)作于2022年6月1.4 傳感器的基本特性1.4.1 靜態(tài)特性 1線性度：輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度。又稱非線性誤差。可用下式表示:max輸出量與輸入量實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差yFS輸出滿量程值第二十二張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月傳感器的靜態(tài)模型有三種有用的特殊 形式：（1） 理想的線性特性（2） 僅有偶次非線性項(xiàng)（3） 僅有奇次非線性項(xiàng)第二十三張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（1） （2） （3）三種形式所呈現(xiàn)的非線性程度 圖1-2 三種特殊形式的特性曲線 第二十四張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.靈敏度：在穩(wěn)態(tài)下輸出增量

9、與輸入增量的比值： 對(duì)線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率：非線性傳感器靈敏度是一個(gè)變量，只能表示傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。 第二十五張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3.重復(fù)性： 輸入量按同一方向作全程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。 圖1-3 重復(fù)性yx0Rmax2Rmax1第二十六張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月4.遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象：表明傳感器在正向行程和反向行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。H0 x yyFS xFS圖1-4 遲滯特性第二十七張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月28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

10、輸出量yi，與在x連續(xù)減小的行程中，對(duì)應(yīng)某一輸出量yd之間的差值叫滯環(huán)誤差，即所謂的遲滯現(xiàn)象。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用m表示，它與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率：第二十八張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月5分辨率與閾值 ：傳感器在規(guī)定的范圍所能檢測(cè)輸入量的最小變化量。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。6穩(wěn)定性：在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔， 傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。第二十九張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7漂移：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)漂移和靈敏度漂移 。

11、零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。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)或靈敏度漂移。第三十張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月8靜態(tài)誤差（精度） 靜態(tài)誤差是傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。求靜態(tài)誤差是把全部校準(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，取2或3值即為傳感器的靜態(tài)誤差。或用相對(duì)誤差表示：也可以由非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差這幾個(gè)單項(xiàng)誤差綜合而得，即第三十一張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 動(dòng)態(tài)誤差在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出與輸入間的差異即為

12、動(dòng)態(tài)誤差。 1.4.2 動(dòng)態(tài)特性 圖1-5 熱電偶測(cè)溫過程測(cè)試曲線動(dòng)態(tài)誤差TtTT0tt0例：用一只熱電偶測(cè)量某一容器的液體溫度T，若環(huán)境溫度為T0，把置于環(huán)境溫度之中的熱電偶立即放入容器中（若TT0)。第三十二張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）階躍響應(yīng) 2. 研究傳感器動(dòng)態(tài)特性的方法及其指標(biāo)當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào) （1-17）時(shí)，其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。第三十三張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月圖1-6 階躍響應(yīng)特性tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t第三十四張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 最大超調(diào)量p： 響

13、應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值。 當(dāng)穩(wěn)態(tài)值為1，則最大百分比超調(diào)量為： 延滯時(shí)間td：階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50%所需要的時(shí)間。 第三十五張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 上升時(shí)間tr： A響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值10%90%所需要的時(shí)間。 B響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值5%95%所需要的時(shí)間。 C響應(yīng)曲線從零到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。 對(duì)有振蕩的傳感器常用C，對(duì)無振蕩的傳感器常用A。第三十六張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 峰值時(shí)間tp： 響應(yīng)曲線到第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。 響應(yīng)時(shí)間ts： 響應(yīng)曲線衰減到穩(wěn)態(tài)值之差不超過5%或2%時(shí)所需要的時(shí)間。有時(shí)稱過渡過程時(shí)間。第三十七張，PPT共七十三頁

14、，創(chuàng)作于2022年6月（2）頻率響應(yīng)在定常線性系統(tǒng)中，拉氏變換是廣義的傅氏變換，取s=+j中的=0，則s=j，即拉氏變換局限于s平面的虛軸，則得到傅氏變換： 同樣有：第三十八張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 H（j）稱為傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)。 H（j）是一個(gè)復(fù)函數(shù)，它可以用指數(shù)形式表示，即第三十九張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月即 A()稱為傳感器的幅頻特性，也稱為傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度（或增益）。A()表示傳感器的輸出與輸入的幅度比值隨頻率而變化的大小。其中第四十張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 若以 分別表示H（j）的實(shí)部和虛部，則頻率特性的相位角:（）表示傳感器

15、的輸出信號(hào)相位隨頻率而變化的關(guān)系。第四十一張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)于傳感器 通常是負(fù)的，表示傳感器輸出滯后于輸入的相位角度，而且 隨而變，故稱之為傳感器相頻特性。第四十二張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 典型環(huán)節(jié)傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析（1）零階傳感器系統(tǒng)由（1-2）式，零階系統(tǒng)的微分方程為或零階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性為：第四十三張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)微分方程：對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，得則傳遞函數(shù)為時(shí)間常數(shù)，靜態(tài)靈敏度其中第四十四張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討

16、論：越小，頻率響應(yīng)特性越好。負(fù)號(hào)表示相位滯后第四十五張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月越小，階躍響應(yīng)特性越好。若輸入為階躍函數(shù)一階系統(tǒng)微分方程 的解為：討論：tx01輸出的初值為0,隨著時(shí)間推移y接近于1；當(dāng)t=時(shí),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)。第四十六張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月圖 1-7 一階傳感器CKK x(t) =F(t)y(t)例1-1：由彈簧阻尼器構(gòu)成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量 為F(t) = Kx (t)，輸出量為位移y(t )，分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。解：根據(jù)牛頓第二定律： fC+fK=F(t) 或 第四十七張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2

17、022年6月由（1-29）式為時(shí)間常數(shù)第四十八張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月令H(S )中的s =j,即= 0，則系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)H（j）為 由(j)可以分析該系統(tǒng)的幅頻特性Aj）和相頻特性（j） ：第四十九張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月例1-2：一階測(cè)溫傳感器系統(tǒng)中，已知敏感部分的質(zhì)量為m，比熱為c，表面積為s，傳熱系數(shù)為h（w/ m2k）。給出輸入量T0與輸出量T之間的微分方程，并推導(dǎo)其幅頻特性、相頻特性及階躍響應(yīng)特性。 圖1-8 一階測(cè)溫傳感器解：第五十張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月頻率響應(yīng)特性幅頻特性相頻特性階躍響應(yīng)特性第五十一張，PPT共七十三頁

18、，創(chuàng)作于2022年6月（3）二階傳感器的數(shù)學(xué)模型所謂二階傳感器是指由二階微分方程所描述的傳感器。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：靜態(tài)靈敏度阻尼比固有頻率,0=1/第五十二張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十三張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 阻尼比的影響較大，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。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707A() 當(dāng)0時(shí)，在=1處A()趨近無窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。 隨著

19、的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。 當(dāng)0.707時(shí)，不再出現(xiàn)諧振，這時(shí)A()將隨著的增大而單調(diào)下降。第五十四張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0()相頻特性第五十五張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 二階傳感器的階躍響應(yīng)特性 隨阻尼比的不同，有幾種不同的解：y/K210t=01.510.60.2單位階躍響應(yīng)通式=0(零阻尼)：輸出變成等幅振蕩，即 第五十六張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月01(欠阻尼)：該特征

20、方程具有共軛復(fù)數(shù)根方程通解根據(jù)t，ykA，求出A3；據(jù)初始條件 求出A1、A2則第五十七張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月其曲線如圖，是一衰減振蕩過程, 越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。y/K210t=01.510.60.2第五十八張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1（過阻尼）：特征方程具有兩個(gè)不同的實(shí)根過渡函數(shù)為：=1 (臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/,過渡函數(shù)為 上兩式表明，當(dāng)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。第五十九張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 實(shí)際傳感器， 值一般可適當(dāng)安排，兼顧過沖量m不要

21、太大，穩(wěn)定時(shí)間t不要過長(zhǎng)的要求。在0.60.7范圍內(nèi)，可獲得較合適的綜合特性。對(duì)正弦輸入來說，當(dāng)=0.60.7時(shí)，幅值比A()/k在比較寬的范圍內(nèi)變化較小。計(jì)算表明在00.58范圍內(nèi)，幅值比變化不超過5，相頻特性()接近于線性關(guān)系。第六十張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 對(duì)于高階傳感器，在寫出運(yùn)動(dòng)方程后， 可根據(jù)式具體情況寫出傳遞函數(shù)、頻率特性等。在求出特征方程共軛復(fù)根和實(shí)根后，可將它們分解為若干個(gè)二階模型和一階模型研究其過渡函數(shù)。有些傳感器可能難于寫出運(yùn)動(dòng)方程，這時(shí)可采用實(shí)驗(yàn)方法，即通過輸入不同頻率的周期信號(hào)與階躍信號(hào)，以獲得該傳感器系統(tǒng)的幅頻特性、相頻特性與過渡函數(shù)等。 第六十一張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.5 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1.5.1 傳感器的標(biāo)定 壓電式壓力傳感器電荷信號(hào)壓力信號(hào)活塞式壓力計(jì)：已知標(biāo)準(zhǔn)力精度已知檢測(cè)設(shè)備測(cè)量校準(zhǔn)：傳感器在使用中或存儲(chǔ)后進(jìn)行的性能復(fù)測(cè)。 再次的標(biāo)定。標(biāo)定：利用標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)度的過程。輸入-輸出關(guān)系第六十二張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6月待標(biāo)定傳感器已知非電量輸入量標(biāo)定的基本方法標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備輸出量輸入量 發(fā)生器 標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出2 待標(biāo)定傳感器輸出1輸入標(biāo)準(zhǔn)量：由標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)得到實(shí)質(zhì)：待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較。電量第六十三張，PPT共七十三頁，創(chuàng)作于2022年6