1第一頁，共73頁。第1章緒論1.1傳感器的地位(dìwèi)和作用例1人與機器的機能對應(duìyìng)關系定性人通過感官(gǎnguān)感覺外界對象的刺激，通過大腦對感受的信息進行判斷、處理，肢體作出相應的反映。定量傳感器相當于人的感官，稱“電五官”，外界信息由它提取，并轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)易于處理的電信號，微機對電信號進行處理，發(fā)出控制信號給執(zhí)行器，執(zhí)行器對外界對象進行控制。2第二頁，共73頁。人與機器(jīqì)的機能對應關系圖外界對象感官傳感器人腦微機肢體執(zhí)行器3第三頁，共73頁。

無論是金屬糧倉還是土倉，為防止霉變，糧食都是分層存放，倉內(nèi)溫度和濕度不能過高，為此，需在各層安放溫濕度傳感器進行檢測。裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖如下。將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過巡檢儀監(jiān)視器監(jiān)視各點溫濕度情況(qíngkuàng)。通過通風口保持溫濕度在要求范圍內(nèi)。例2糧倉溫度(wēndù)、濕度檢測4第四頁，共73頁。裝有溫濕度探頭(tàntóu)的糧倉示意圖通風口探頭通風口通風口5第五頁，共73頁。例3：開發(fā)區(qū)海灣公司生產(chǎn)(shēngchǎn)的感溫、感煙火災報警器集控器1中央監(jiān)控圖1監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖探頭11探頭12探頭1N其監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖2:6第六頁，共73頁?？梢娫诿恳环块g安放一對感溫、感煙探頭（智能傳感器），它們輸出溫度、濃度信號通過串行通訊線送入由微機組成的檢測系統(tǒng)（集控器）；集控器負責信號匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號，并監(jiān)控各房間溫度、煙濃度是否異常(yìcháng)，如異常(yìcháng)，聲光報警并打開噴淋設備滅火，一層一臺。各層集控器通過CAN總線、M-BUS總線等現(xiàn)場總線將溫度、濃度等信號送入中央監(jiān)控計算機。值班人員在電腦屏幕上直觀(zhíguān)監(jiān)視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過電視屏幕查看房間、樓道情況?？煽闯鰶]有感溫、感煙傳感器，就像人缺少感官，系統(tǒng)無法工作。7第七頁，共73頁。例4：熱軋(rèzhá)帶鋼表面溫度的測量用輻射溫度計測量熱軋帶鋼(dàiɡānɡ)表面溫度的方法巳被廣泛采用。從加熱爐出來的鋼坯最后到卷取機之前的整個軋制線上，如加熱爐出口、粗軋機的入口和出口、精軋機的入口和出口以及在卷取機之前都設有輻射溫度計，用以測量各階段帶鋼(dàiɡānɡ)的表面溫度。并用此溫度信號來控制軋制速度、軋輥壓下力和冷卻水流量等。8第八頁，共73頁。

傳感器作為整個檢測系統(tǒng)(xìtǒng)的前哨，它提取信息的準確與否直接決定著整個檢測系統(tǒng)(xìtǒng)的精度。一個國家的現(xiàn)代化水平是用其自動化水平來衡量的。而自動化水平是用儀表及傳感器的種類和數(shù)量多少來衡量的。信息化技術包括傳感器技術、通訊技術和計算機技術。傳感器技術列為信息技術之首，由此可見一斑。國內(nèi)高精度、多功能、集成化、智能化傳感器急需開發(fā)研制?？偨Y9第九頁，共73頁。1.2傳感器的定義(dìngyì)與組成一、定義（Sensor）

能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律和精度轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置.（GB7665-87）它是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。

輸入量是物理量、化學(huàxué)量和生物量。輸出量主要是電量。（電量最便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理及顯示）輸入輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律（關系）已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足測控系統(tǒng)的應用要求。10第十頁，共73頁。傳感器應用場合（領域）不同，叫法不同。過程(guòchéng)控制：變送器。（標準化的傳感器）射線檢測：發(fā)送器、接收器。探頭。二、組成(zǔchénɡ)11第十一頁，共73頁。例如：氣體(qìtǐ)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(shūchū)。壓電傳感器、光電池。熱敏電阻等。膜盒差動電感(diànɡǎn)電橋電路氣體壓力傳感器組成框圖PSLU012第十二頁，共73頁。mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)傳感器13第十三頁，共73頁。1.3傳感器的分類(fēnlèi)與要求分類(fēnlèi)一.分類1.按輸入量分類常用的有機、光、電和化學等傳感器。例如：位移、速度(sùdù)、加速度(sùdù)、力、溫度和流量傳感器等2.按輸出量分類

參數(shù)式：電阻、電感、電容、頻率和離子傳感器

發(fā)電式：壓電式、霍爾式、光電和熱電式傳感器3.按輸出信號的性質(zhì)分類

模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。14第十四頁，共73頁。二.一般(yībān)要求1、穩(wěn)定性、可靠性一般用平均無故障時間來衡量穩(wěn)定性、可靠性。在計量、工業(yè)生產(chǎn)等領域中穩(wěn)定性、可靠性至關重要。2、靜態(tài)精度(jīnɡdù)測靜態(tài)量，傳感器精度應滿足系統(tǒng)的精度要求。3、動態(tài)性能測動態(tài)量，如響應速度、工作頻率、穩(wěn)定時間等。4、量程測量被測量的范圍。一般量程越大，精度越低。15第十五頁，共73頁。5、抗干擾能力工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較惡劣，存在溫濕度、電磁等干擾，設計的傳感器能克服這些干擾，安全穩(wěn)定運行。6、體積小、能耗低、成本低結構型傳感器向物性型半導體傳感器發(fā)展。如測人體血壓(xuèyā)的電子血壓(xuèyā)計。（uWmW級）16第十六頁，共73頁。1.4傳感器的發(fā)展趨勢

傳感技術的發(fā)展分為兩個(liǎnɡɡè)方面：●提高與改善傳感器的技術性能；●尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。

一、改善傳感器的性能的技術途徑1．差動技術

差動技術是傳感器中普遍采用的技術。它的應用可顯著地減小溫度變化、電源(diànyuán)波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差，減小非線性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術，還可使靈敏度增大。17第十七頁，共73頁。2．平均技術

在傳感器中普遍采用平均技術可產(chǎn)生平均效應(xiàoyìng)，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為δΣ=±δ/√n式中n—傳感單元數(shù)。可見，在傳感器中利用平均技術不僅可使傳感器誤差(wùchā)減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。18第十八頁，共73頁。3．補償與修正技術補償與修正技術的運用大致針對兩種情況：★針對傳感器本身特性★針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境對于(duìyú)傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當?shù)姆椒右匝a償或修正。針對傳感器工作條件或外界環(huán)境進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補償措施。補償與修正，可以利用電子線路（硬件(yìnɡjiàn)）來解決，也可以采用微型計算機通過軟件來實現(xiàn)。19第十九頁，共73頁。4．屏蔽、隔離與干擾抑制

傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的。各種外界(wàijiè)因素要影響傳感器的精度與各有關性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界(wàijiè)因素對傳感器的影響。其方法有：

減小傳感器對影響因素(yīnsù)的靈敏度降低外界因素對傳感器實際作用的程度對于電磁干擾，可以采用屏蔽(píngbì)、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，減小其影響。20第二十頁，共73頁。

5．穩(wěn)定性處理(chǔlǐ)

在使用(shǐyòng)傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關鍵元器件進行老化處理。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流(jiāoliú)穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場合。21第二十一頁，共73頁。二、傳感器的發(fā)展(fāzhǎn)動向

開發(fā)(kāifā)新型傳感器

開發(fā)新材料新工藝的采用集成化、多功能化智能化

開展基礎研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料(cáiliào)和新工藝；實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化22第二十二頁，共73頁。傳感器的工作(gōngzuò)機理是基于各種效應和定律，由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結構型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結構型傳感器，一般說它的結構復雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。1．開發(fā)(kāifā)新型傳感器新型傳感器包括(bāokuò)：①采用新原理；②填補傳感器空白；③仿生傳感器等方面。它們之間是互相聯(lián)系的。23第二十三頁，共73頁。傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，由于材料科學的進步，人們在制造時，可任意控制它們的成分，從而設計制造出用于各種(ɡèzhǒnɡ)傳感器的功能材料。用復雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。2．開發(fā)新材料(cáiliào)（1）半導體敏感材料(cáiliào)（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半導體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠高于半導體，光導纖維的應用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國內(nèi)外學者的極大興趣。24第二十四頁，共73頁。在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細加工技術。該技術又稱微機械加工技術，是近年來隨著集成電路(jíchéng-diànlù)工藝發(fā)展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學刻蝕等用于微電子加工的技術，目前已越來越多地用于傳感器領域。

3．新工藝的采用(cǎiyòng)例如利用半導體技術制造(zhìzào)出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造(zhìzào)出快速響應的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術進行高精度三維加工，在硅片上構成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。25第二十五頁，共73頁。4．集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝(gōngyì)在同一平面上排列起來，如CCD圖像傳感器。多功能一體化，即將(jíjiāng)傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進行多種參數(shù)的測量外，還可對這些(zhèxiē)參數(shù)的測量結果進行綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。為同時測量幾種不同被測參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。26第二十六頁，共73頁。5．智能化對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(shìyìng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機互相對話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進行分割處理，實現(xiàn)遠距離、高速度、高精度傳輸?shù)?。智能傳感器是傳感器技術(jìshù)與大規(guī)模集成電路技術(jìshù)相結合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)取決于傳感技術(jìshù)與半導體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。如，DS18B20、傳感器測量(cèliáng)系統(tǒng)27第二十七頁，共73頁。傳感器特性主要(zhǔyào)是指輸出與輸入之間的關系。1.5傳感器的特性(tèxìng)

傳感器輸出與輸入關系可用微分方程來描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即得到靜態(tài)特性(tèxìng)。因此，傳感器的靜態(tài)特性(tèxìng)只是動態(tài)特性(tèxìng)的一個特例。當輸入量隨時間較快地變化時，這一關系稱為動態(tài)特性。當輸入量為常量，或變化極慢時，這一關系稱為靜態(tài)特性；28第二十八頁，共73頁。實際上傳感器的靜態(tài)特性要包括非線性和隨機性等因素，如果把這些因素都引入微分方程．將使問題復雜化。為避免這種情況，總是把靜態(tài)特性和動態(tài)(dòngtài)特性分開考慮。傳感器的輸出與輸入具有確定的對應關系最好呈線性關系。但一般情況下，輸出輸入不會符合(fúhé)所要求的線性關系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的影響，使輸出輸入對應關系的唯一確定性也不能實現(xiàn)。考慮了這些情況之后，傳感器的輸出輸入作用圖大致如圖所示。傳感器除了描述輸出輸入關系的特性之外，還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求(yāoqiú)等有關的特性。29第二十九頁，共73頁。穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動電磁場線性滯后重復性靈敏度輸入誤差因素外界影響

傳感器輸入輸出作用圖輸出取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制(yìzhì)，有時也可以對外界條件加以限制。衡量(héngliáng)傳感器特性的主要技術指標30第三十頁，共73頁。靜態(tài)特性曲線可實際(shíjì)測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說問題已經(jīng)得到解決。但是為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行線性化處理。一、靜態(tài)(jìngtài)特性技術指標1．線性度傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況(qíngkuàng)下，其靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程表示：式中：y—輸出量；x—輸入量；a0—零點輸出；

a1—理論靈敏度；a2、a3、…、an—非線性項系數(shù)。各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn31第三十一頁，共73頁。

通常用相對誤差γL表示：ΔLmax一最大非線性誤差；yFS—量程(liángchéng)輸出。在采用直線(zhíxiàn)擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度一般來說，這些辦法都比較復雜。所以在非線性誤差不太大的情況(qíngkuàng)下，總是采用直線擬合的辦法來線性化。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。γL=±(ΔLmax/yFS)×100%①理論擬合；②端點連線平移擬合；③端點連線擬合；④過零旋轉(zhuǎn)擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合32第三十二頁，共73頁。直線擬合方法

a)理論(lǐlùn)擬合b)過零旋轉(zhuǎn)擬合

c)端點連線擬合d)端點連線平移擬合33第三十三頁，共73頁。設擬合(nǐhé)直線方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法(chéngfǎ)擬合y=kx+b若實際校準測試點有n個，則第i個校準數(shù)據(jù)(shùjù)與擬合直線上響應值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即Δi=yi-(kxi+b)

對k和b一階偏導數(shù)等于零，求出a和k的表達式34第三十四頁，共73頁。即得到(dédào)k和b的表達式將k和b代入擬合直線方程(fāngchéng)，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。35第三十五頁，共73頁。2．遲滯(chízhì)0yx⊿HmaxyFS遲滯特性式中△Hmax—正反行程(xíngchéng)間輸出的最大差值。

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差。回程誤差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。

傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般(yībān)是由實驗方法測得。遲滯誤差一般(yībān)以滿量程輸出的百分數(shù)表示,即36第三十六頁，共73頁。3．重復性重復性誤差可用正反行程的最大偏差(piānchā)表示，即重復性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得(suǒdé)特性曲線不一致的程度。重復性誤差也常用絕對誤差表示。檢測時也可選取幾個測試點，對應每一點(yīdiǎn)多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin

，算出最大值與最小值之差或3σ作為重復性偏差ΔRi，在幾個ΔRi中取出最大值ΔRmax

作為重復性誤差。yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重復性偏差，△Rmax2反行程的最大重復性偏差。37第三十七頁，共73頁。4．靈敏度與靈敏度誤差(wùchā)γs=(Δk/k)×100%由于(yóuyú)某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對誤差表示，即可見，傳感器輸出(shūchū)曲線的斜率就是其靈敏度。對線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數(shù)，與輸入量大小無關。K=Δy/Δx傳感器輸出的變化量y與引起該變化量的輸入變化量x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達式為38第三十八頁，共73頁。分辨力用絕對值表示,用與滿量程的百分數(shù)表示時稱為(chēnɡwéi)分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。

5．分辨力與閾值(yùzhí)分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量(zēnɡliànɡ)。有些傳感器,當輸入量連續(xù)變化時,輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。

6．穩(wěn)定性測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤差表示,也可用絕對誤差表示。穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。39第三十九頁，共73頁。測試(cèshì)時先將傳感器置于一定溫度(如20℃),將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如5℃或10℃),再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。8．抗干擾穩(wěn)定性7．溫度(wēndù)穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界(wàijiè)溫度下輸出量發(fā)生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干℃的絕對誤差或相對誤差表示,每℃引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。評價這些能力比較復雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。40第四十頁，共73頁。

9．靜態(tài)(jìngtài)誤差取2σ和3σ值即為傳感器的靜態(tài)(jìngtài)誤差。靜態(tài)(jìngtài)誤差也可用相對誤差來表示，即靜態(tài)(jìngtài)誤差的求取方法如下：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對應值的殘差,看成是隨機分布,求出其標準偏差,即靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點的輸出值與其理論值的偏離程度。yi—各測試點的殘差；

n一測試點數(shù)。41第四十一頁，共73頁。與精確度有關指標(zhǐbiāo)：精密度、準確度和精確度(精度)10、精確度準確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如,某流量傳感器的準確度為0.3m3/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準確度是系統(tǒng)誤差大小的標志(biāozhì)，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準確度高不一定精密度高。精密度：說明測量傳感器輸出值的分散(fēnsàn)性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當短的時間內(nèi)連續(xù)重復測量多次，其測量結果的分散(fēnsàn)程度。例如，某測溫傳感器的精密度為0.5℃。精密度是隨即誤差大小的標志，精密度高，意味著隨機誤差小。注意：精密度高不一定準確度高。42第四十二頁，共73頁。精確度：是精密度與準確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準確度都比較高。在最簡單(jiǎndān)的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機器的常以測量誤差的相對值表示。

（a）準確度高而精密度低（b）準確度低而精密度高（c）精確度高在測量(cèliáng)中我們希望得到精確度高的結果。

43第四十三頁，共73頁。被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。通常研究動態(tài)特性是根據(jù)(gēnjù)標準輸入特性來考慮傳感器的響應特性。二、傳感器的動態(tài)(dòngtài)特性動態(tài)特性(tèxìng)指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性(tèxìng)。標準輸入有三種：經(jīng)常使用的是前兩種。正弦變化的輸入階躍變化的輸入線性輸入44第四十四頁，共73頁。1．數(shù)學模型與傳遞函數(shù)分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學模型。線性系統(tǒng)的數(shù)學模型為一常系數(shù)線性微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)。對線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學模型的輸入量x與輸出量y之間的關系，通過對微分方程求解，得出動態(tài)性能指標。對于線性定常（時間(shíjiān)不變）系統(tǒng)，其數(shù)學模型為高階常系數(shù)線性微分方程，即y——輸出量；x——輸入量；t——時間a0，a1，…，an——常數(shù)(chángshù)；b0，b1，…，bm——常數(shù)

——輸出量對時間t的n階導數(shù)；

——輸入量對時間t的m階導數(shù)返回2返回145第四十五頁，共73頁。動態(tài)特性(tèxìng)的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。當傳感器的數(shù)學模型初值為0時，對其進行拉氏變換(biànhuàn)，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Y(s)——傳感器輸出量的拉氏變換(biànhuàn)式；X(s)——傳感器輸入量的拉氏變換式上式分母是傳感器的特征多項式，決定系統(tǒng)的“階”數(shù)?？梢?，對一定常系統(tǒng)，當系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中各階導數(shù)用相應的s變量替換，即求出傳感器的傳遞函數(shù)。46第四十六頁，共73頁。正弦輸入下傳感器的動態(tài)(dòngtài)特性（即頻率特性）由傳遞函數(shù)導出為一復數(shù)，它可用代數(shù)形式(xíngshì)及指數(shù)形式表示，即

=式中—分別(fēnbié)為的實部和虛部；

—分別為的幅值和相角；K=可見，K值表示了輸出量幅值與輸入量幅值之比，即動態(tài)靈敏度，K值是ω的函數(shù)，稱為幅頻特性，以K(ω)表示。47第四十七頁，共73頁。1．動態(tài)(dòngtài)響應（正弦和階躍）（1）正弦輸入(shūrù)時的頻率響應零階傳感器在零階傳感器中，只有a0與b0兩個系數(shù)(xìshù)，微分方程為a0y=b0xK——靜態(tài)靈敏度零階輸入系統(tǒng)的輸入量無論隨時間如何變化，其輸出量總是與輸入量成確定的比例關系。在時間上也不滯后，幅角等于零。如電位器傳感器。在實際應用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時，都可以近似地當作零階系統(tǒng)處理。48第四十八頁，共73頁。一階傳感器微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)除系數(shù)a1，a0

，b0外其他系數(shù)均為0，則a1(dy/dt)+a0y=b0xτ—時間常數(shù)(shíjiānchánɡshù)(τ=a1/a0)；K——靜態(tài)靈敏度(K=b0/a0)傳遞函數(shù)：頻率特性：幅頻特性：相頻特性：負號(fùhào)表示相位滯后時間常數(shù)τ越小，系統(tǒng)的頻率特性越好49第四十九頁，共73頁。二階傳感器很多傳感器，如振動(zhèndòng)傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：τ—時間常數(shù)(shíjiānchánɡshù)，；ω0—自振角頻率,ω0=1/τξ—阻尼比，；k—靜態(tài)靈敏度，k=b0/a50第五十頁，共73頁。不同阻尼比情況下相對幅頻特性即動態(tài)特性與靜態(tài)(jìngtài)靈敏度之比的曲線如圖。傳遞函數(shù)幅頻特性相頻特性頻率特性51第五十一頁，共73頁。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)ωτ(b)0-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=1ξ=0.8ξ=0.707ξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=0.707ξ=0.8ξ=1ξ=0.8ξ=1ξ=0.707ξ=0.6ξ=0.4ξ=0.2ξ=0二階傳感器幅頻與相頻特性（a）幅頻特性（b）相頻特性當ξ→0時，在ωτ=1處k(ω)趨近(qūjìn)無窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著ξ的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。當ξ≥0.707時，不再出現(xiàn)諧振，這時k(ω)將隨著ωτ的增大而單調(diào)下降。阻尼比的影響(yǐngxiǎng)較大。52第五十二頁，共73頁。（2）階躍輸入(shūrù)時的階躍響應一階傳感器的階躍響應(xiǎngyìng)對一階系統(tǒng)的傳感器，設在t=0時，x和y均為0，當t>0時，有一單位階躍信號輸入,如圖。此時(cǐshí)微分方程為tx01(dy/dt)+a0y=b1(dx/dt)+b0x齊次方程通解：非齊次方程特解：y2=1(t>0)方程解：tx01以初始條件y(0)=0代入上式，即得t=0時，C1=-1，所以輸出的初值為0,隨著時間推移y接近于1,當t=τ時,y=0.63在一階系統(tǒng)中,時間常數(shù)值是決定響應速度的重要參數(shù)。53第五十三頁，共73頁。二階傳感器的階躍響應(xiǎngyìng)單位(dānwèi)階躍響應通式ω0——傳感器的固有頻率(ɡùyǒupínlǜ)；ζ——傳感器的阻尼比特征方程根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：1）0＜ξ＜1(有阻尼)：該特征方程具有共軛復數(shù)根

方程通解

根據(jù)t→∞,y→kA求出A3；根據(jù)初始條件求出A1、A2，則令x=A54第五十四頁，共73頁。其曲線如圖，這是一衰減振蕩(zhèndàng)過程,ξ越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。tw0.021ttmδmξ<1的二階傳感器的過渡過程(設允許(yǔnxǔ)相對誤差γy=0.02)2)ξ=0(零阻尼)：輸出(shūchū)變成等幅振蕩，即發(fā)生時間過沖量穩(wěn)定時間tW=4τ/ξ55第五十五頁，共73頁。4）ξ>1（過阻尼）：特征方程具有兩個(liǎnɡɡè)不同的實根3)ξ=1(臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,過渡(guòdù)函數(shù)為

上兩式表明(biǎomíng)，當ξ≥1時，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個時間常數(shù)相同，后者兩個時間常數(shù)不同。過渡函數(shù)為56第五十六頁，共73頁。

實際傳感器，ξ值一般可適當安排，兼顧過沖量δm不要太大，穩(wěn)定時間tω不要過長的要求。在ξ＝0.6～0.7范圍內(nèi)，可獲得較合適的綜合(zōnghé)特性。對正弦輸入來說，當ξ=0.6～0.7時，幅值比k(ω)/k在比較寬的范圍內(nèi)變化較小。計算表明在ωτ＝0～0.58范圍內(nèi)，幅值比變化不超過5％，相頻特性中φ(ω)接近于線性關系。對于高階傳感器，在寫出運動方程后，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根(fùɡēn)和實根后，可將它們分解為若干個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動方程，這時可采用實驗方法，即通過輸入不同頻率的周期信號與階躍信號，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。57第五十七頁，共73頁。一、與測量條件有關的因素

(1)測量的目的；

(2)被測試量的選擇；

(3)測量范圍；

(4)輸入信號的幅值，頻帶寬度；

(5)精度要求；

(6)測量所需要(xūyào)的時間。1.6傳感器的選用(xuǎnyòng)原則58第五十八頁，共73頁。二、與傳感器有關的技術指標

(1)精度；

(2)穩(wěn)定度；

(3)響應特性；

(4)模擬量與數(shù)字量；

(5)輸出幅值；

(6)對被測物體產(chǎn)生(chǎnshēng)的負載效應；

(7)校正周期；

(8)超標準過大的輸入信號保護。

59第五十九頁，共73頁。

三、與使用環(huán)境條件有關的因素

(1)安裝現(xiàn)場條件及情況；

(2)環(huán)境條件(濕度、溫度、振動等)；

(3)信號傳輸距離(jùlí)；

(4)所需現(xiàn)場提供的功率容量。

四、與購買和維修有關的因素

(1)價格；

(2)零配件的儲備；

(3)服務與維修制度，保修(bǎoxiū)時間；

(4)交貨日期。60第六十頁，共73頁。基本參數(shù)指標(zhǐbiāo)環(huán)境參數(shù)指標(zhǐbiāo)可靠性指標(zhǐbiāo)其他指標量程指標：量程范圍、過載能力等靈敏度指標：靈敏度、分辨力、滿量程輸出等精