第2章傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)本章主要內(nèi)容:2.1傳感器的基本概念2.2傳感器的基本特性2.3傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)2010.9.3（2學(xué)時(shí)，5.6節(jié).5-101）第1頁，共26頁。本章的教學(xué)要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)要求：了解傳感器的定義、組成及分類。掌握傳感器的靜態(tài)特性（線性度、靈敏度、遲滯或回程誤差、重復(fù)性）及分析方法。了解傳感器動(dòng)態(tài)特性及分析方法，了解傳感器標(biāo)定方法。重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)。難點(diǎn)：傳感器的動(dòng)態(tài)特性及分析方法、傳感器的標(biāo)定。第2頁，共26頁。2.1傳感器的基本概念1.傳感器的定義傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。2.傳感器的基本組成傳感器的基本功能是檢測信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，因此傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成。

第3頁，共26頁。第4頁，共26頁。3.傳感器的分類

傳感器從不同的角度有許多分類方法。目前一般采用兩種分類方法：①一種是按檢測對(duì)象分，如溫度、壓力、位移、速度等，相應(yīng)的有溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器等。②另一種是按傳感器的工作原理分，如光電、壓電、熱阻等，相應(yīng)的有光電傳感器、壓電傳感器、熱電式傳感器等。第5頁，共26頁。2.2傳感器的基本特性

傳感器的基本特性主要分為：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。一．靜態(tài)特性是指傳感器的輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號(hào)或緩慢變化時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系。

傳感器的靜態(tài)特性可以用代數(shù)方程和其特性指標(biāo)來描述。第6頁，共26頁。1.數(shù)學(xué)描述：

如果不考慮遲滯及蠕變效應(yīng)，其靜態(tài)特性可用下列代數(shù)方程來表示：a1,a2,…an決定特性曲線的形狀和位置的系數(shù)，一般通過傳感器的校準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)曲線擬合求得，可正可負(fù)。2.特性指標(biāo)：主要有線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性（分辨力、漂移、穩(wěn)定性、閾值)等。第7頁，共26頁。(1)線性度反應(yīng)傳感器輸出量與輸入量之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值Δmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用γ表示第8頁，共26頁。(2)靈敏度：靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，其定義為輸出量的增量Δy與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量Δx之比。用S表示靈敏度，即，

對(duì)線性傳感器：S是一個(gè)常數(shù)，如圖（a）所示；對(duì)非線性傳感器，S是個(gè)變量，表示某一工作點(diǎn)的靈敏度，如圖（b）所示。第9頁，共26頁。(3)遲滯傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯，如圖所示。

遲滯誤差:傳感器在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值ΔHmax與滿量程輸出值YFS之比，用表示，即第10頁，共26頁。(4)重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度，如圖所示。重復(fù)性誤差：屬于隨機(jī)誤差，常用標(biāo)準(zhǔn)差σ計(jì)算，也可用正反行程中最大重復(fù)差值ΔRmax計(jì)算。即

第11頁，共26頁。(5)分辨力：用來表示傳感器或儀表裝置能夠檢測被測量最小變化量的能力，是有量綱的數(shù)，通常以最小量程的單位值表示。當(dāng)被測量變化值小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。(6)漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。(7)穩(wěn)定性:傳感器在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。在室溫條件下，經(jīng)過規(guī)定的時(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。(8)閾值：傳感器產(chǎn)生可測輸出變化量時(shí)的最小被測輸入量值。第12頁，共26頁。二.動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性是指傳感器的輸入為隨時(shí)間變化的信號(hào)時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器的動(dòng)態(tài)特性可通過動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)來描述。1.動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型描述

⑴零階系統(tǒng)：它是一種與頻率無關(guān)的環(huán)節(jié)，又稱比例環(huán)節(jié)或無慣性環(huán)節(jié)。K：傳感器靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。第13頁，共26頁。⑵一階系統(tǒng)：

當(dāng)式（2-1）中除了外，其他系數(shù)均為零時(shí)，則即

τ:時(shí)間常數(shù)，k:靜態(tài)靈敏度。不帶套管熱電偶測溫系統(tǒng)可看作一階系統(tǒng)。⑶二階系統(tǒng)：二階系統(tǒng)的微分方程，即第14頁，共26頁。2.動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)：時(shí)域單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)和頻域頻率特性性能指標(biāo)。⑴單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)下圖分別為一階傳感器輸出的單位階躍響應(yīng)曲線和衰減振蕩的二階傳感器輸出的單位階躍響應(yīng)曲線

第15頁，共26頁。對(duì)一階系統(tǒng)：

時(shí)間常數(shù)τ——傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時(shí)間；延遲時(shí)間tr——傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時(shí)間；上升時(shí)間td——傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。第16頁，共26頁。對(duì)于二階系統(tǒng):峰值時(shí)間——tp振蕩峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；最大超調(diào)量——σP響應(yīng)曲線偏離穩(wěn)態(tài)值的最大值；上升時(shí)間—tr響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間；延遲時(shí)間——td響應(yīng)曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時(shí)間；調(diào)節(jié)時(shí)間——ts響應(yīng)曲線進(jìn)入并且不再超出誤差帶所需要的最短時(shí)間。誤差帶通常規(guī)定為穩(wěn)態(tài)值的±5%或±2%；穩(wěn)態(tài)誤差——ess系統(tǒng)響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與希望值之差。第17頁，共26頁。⑵頻域頻率特性指標(biāo)：

通頻帶、工作頻帶、時(shí)間常數(shù)、固有頻率、相位誤差、跟隨角。通頻帶（）：傳感器在對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上衰減3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。工作頻帶：當(dāng)傳感器的幅值誤差為±5%或±10%時(shí)其增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍。固有頻率：相位誤差：在工作頻帶范圍內(nèi)，傳感器的實(shí)際輸出與所希望的無失真輸出間的相位差值。第18頁，共26頁。跟隨角：當(dāng)時(shí)，對(duì)應(yīng)于相頻特性上的相角。時(shí)間常數(shù)：表征一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性，越小，頻帶越寬。第19頁，共26頁。三.傳感器的互換性

指被同樣的傳感器替換時(shí)，不需要對(duì)其尺寸及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，仍能保證誤差不超過規(guī)定的范圍。第20頁，共26頁。2.3傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)一.基本概念1.標(biāo)定：是利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)新研制或生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行全面的技術(shù)檢定和標(biāo)度。2.校準(zhǔn)：是指對(duì)傳感器在使用中和儲(chǔ)存后進(jìn)行的性能再次測試。3.標(biāo)定基本方法利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知的非電量并輸入到待標(biāo)定的傳感器中，然后將傳感器的輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較從而得到一系列標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)或者曲線。4.標(biāo)定手段：通過實(shí)驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系，同時(shí)確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。第21頁，共26頁。二.靜態(tài)標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定是指在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)傳感器的靜態(tài)特性如線性度、滯差、靈敏度和重復(fù)性等指標(biāo)的確定。

注意：對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)際上也是確定傳感器的測量精度。標(biāo)定傳感器時(shí)，所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個(gè)等級(jí)。這樣，通過標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可靠的，所確定的精度才是可信的。第22頁，共26頁。

三．動(dòng)態(tài)標(biāo)定

動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，常用的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)源是正弦信號(hào)和階躍信號(hào)。動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，如時(shí)間常數(shù)、固有頻率()和阻尼比等。第23頁，共26頁。五.標(biāo)定過程步驟(1)將傳感器全量程(測量范圍)分成若干等間距點(diǎn)。(2)根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。(3)將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減小，同時(shí)記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。(4)按(2)、(3)所述過程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出與輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線。(5)對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。第24頁，共26頁。本章小結(jié)第25頁，共26頁。內(nèi)容梗概第2章傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)。難點(diǎn)：傳感器的動(dòng)態(tài)特性及分析方法、傳感器的標(biāo)定。是指傳感器的輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號(hào)或。緩慢變化時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系。an決定特性曲線的形狀和位置的系數(shù)，。最小變化量的能力，是有量綱的數(shù)，通常以最小量程的單位值表示。(6)漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況。后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。動(dòng)態(tài)特性是指傳感器的輸入為隨時(shí)間變化的信號(hào)。時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系。和衰減振蕩的二階傳感器輸出的單位階躍響應(yīng)曲線。時(shí)間常數(shù)τ——傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時(shí)間。上升時(shí)間—tr響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。