傳感器與檢測技術(shù)第一、二章第一頁，共58頁。1.1傳感器概述1.1傳感器的定義1.2傳感器的組成1.3傳感器分類上一頁下一頁返回第二頁，共58頁。1.1傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置。上一頁下一頁返回第三頁，共58頁。包含的概念：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。上一頁下一頁返回第四頁，共58頁。1.2傳感器的組成敏感元件

直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量轉(zhuǎn)換元件

敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量轉(zhuǎn)換電路

上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量電量上一頁下一頁返回第五頁，共58頁。1.3傳感器分類工作機(jī)理：物理型、化學(xué)型、生物型物理型傳感器：物理基礎(chǔ)的基本定律。場的定律、物質(zhì)定律、守恒定律和統(tǒng)計(jì)定律構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型:物理學(xué)中場的定律物性型:物質(zhì)定律能量轉(zhuǎn)換能量控制型能量轉(zhuǎn)換型物理原理：電參量式傳感器、磁電式傳感器等用途：

位移、壓力、振動、溫度上一頁下一頁返回第六頁，共58頁。1.4傳感器的一般特性1.4.1傳感器的靜特性1.4.2傳感器的動特性上一頁下一頁返回第七頁，共58頁。1.4.1傳感器的靜特性輸出與輸入間關(guān)系

微分方程靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動特性：輸入量隨時間較快地變化時微分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時，可得到靜特性（動特性的特例）表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系希望輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。上一頁下一頁返回第八頁，共58頁。靜特性指標(biāo)一、線性度二、靈敏度三、遲滯四、重復(fù)性五、零點(diǎn)漂移六、溫度漂移上一頁下一頁返回第九頁，共58頁。1、線性度靜特性輸出量輸入量零點(diǎn)輸出理論靈敏度非線性項(xiàng)系數(shù)直線擬合線性化非線性誤差或線性度最大非線性誤差滿量程輸出上一頁下一頁返回第十頁，共58頁。直線擬合線性化出發(fā)點(diǎn)獲得最小的非線性誤差擬合方法：①理論擬合；②過零旋轉(zhuǎn)擬合；③端點(diǎn)連線擬合；④端點(diǎn)連線平移擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合上一頁下一頁返回第十一頁，共58頁。①理論擬合擬合直線為傳感器的理論特性，與實(shí)際測試值無關(guān)。方法十分簡單，但一般說較大xyΔLmax上一頁下一頁返回第十二頁，共58頁。②過零旋轉(zhuǎn)擬合曲線過零的傳感器。擬合時，使xyΔL2ΔL1上一頁下一頁返回第十三頁，共58頁。③端點(diǎn)連線擬合把輸出曲線兩端點(diǎn)的連線作為擬合直線xyΔLmax上一頁下一頁返回第十四頁，共58頁。④端點(diǎn)連線平移擬合在端點(diǎn)連線擬合基礎(chǔ)上使直線平移，移動距離為原先的一半yxΔLmaxΔL1上一頁下一頁返回第十五頁，共58頁。⑤最小二乘擬合原理:上一頁下一頁返回第十六頁，共58頁。最小二乘擬合方法xy=kx+by上一頁下一頁返回第十七頁，共58頁。2、靈敏度傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力上一頁下一頁返回第十八頁，共58頁。表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力(a)線性傳感器(b)非線性傳感器

圖1.4.2傳感器的靈敏度上一頁下一頁返回第十九頁，共58頁。3、遲滯正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯

—正反行程間輸出的最大差值。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，常用絕對誤差表示檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點(diǎn)。對應(yīng)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。上一頁下一頁返回第二十頁，共58頁。遲滯特性xΔHmaxY上一頁下一頁返回第二十一頁，共58頁。4、重復(fù)性傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度正行程的最大重復(fù)性偏差反行程的最大重復(fù)性偏差取較大者為上一頁下一頁返回第二十二頁，共58頁。

重復(fù)特性xΔRmax1ΔRmax2y上一頁下一頁返回第二十三頁，共58頁。5.零點(diǎn)漂移

傳感器在無輸入時，每隔一段時間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出量偏離零值，即為零點(diǎn)漂移零漂＝式中ΔY0

——最大零點(diǎn)偏差；

YFS——滿量程輸出。上一頁下一頁返回第二十四頁，共58頁。6、溫漂

傳感器在外界溫度下，輸出量發(fā)生偏移的程度，其定義為溫漂＝式中Δmax

——輸出最大偏差；

ΔT——溫度變化范圍；

YFS

——滿量程輸出。上一頁下一頁返回第二十五頁，共58頁。7.分辨力與閾值分辨力是傳感器能檢測到的最小輸入量。分辨力可以用絕對值來表示，也可以用相對值來表示。傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。第二十六頁，共58頁。8.靜態(tài)誤差合成靜態(tài)誤差是傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出量與其理論輸出值的偏離程度。求取方法：把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值的殘差，看成是隨機(jī)分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)差取2或3值，即為傳感器的靜態(tài)誤差。第二十七頁，共58頁。

靜態(tài)誤差是一項(xiàng)綜合指標(biāo)，可以把幾個單項(xiàng)誤差綜合而得：第二十八頁，共58頁。1.4.2傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映輸出值真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。為什么要研究傳感器動態(tài)特性？研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。

時域：瞬態(tài)響應(yīng)法

頻域：頻率響應(yīng)法上一頁下一頁返回第二十九頁，共58頁。1.瞬態(tài)響應(yīng)特性

在時域內(nèi)研究傳感器的動態(tài)特性時，常用的激勵信號有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對所加激勵信號的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。

理想情況下，階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲線形狀是沒有影響的。但在實(shí)際做過渡過程實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內(nèi)。

上一頁下一頁返回第三十頁，共58頁。⑴一階傳感器的單位階躍響應(yīng)設(shè)x(t)、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 式中τ——時間常數(shù)；

K——靜態(tài)靈敏度。 由于在線性傳感器中靈敏度K為常數(shù)，在動態(tài)特性分析中，K只起著使輸出量增加K倍的作用。討論時采用K=1。上一頁下一頁返回第三十一頁，共58頁。對于初始狀態(tài)為零的傳感器，當(dāng)輸入為單位階躍信號時，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為則一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為一階傳感器的時間常數(shù)τ越小越好上一頁下一頁返回第三十二頁，共58頁。⑵二階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階傳感器的傳遞函數(shù)為式中ωn——傳感器的固有頻率；

ζ——傳感器的阻尼比。在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為上一頁下一頁返回第三十三頁，共58頁。對Y（s）進(jìn)行拉氏反變換，即可得到單位階躍響應(yīng)。圖1.4.6為二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線。傳感器的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比ζ和固有頻率ωn。在實(shí)際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調(diào)量，一般傳感器都設(shè)計(jì)成欠阻尼式的，阻尼比ζ一般取在0.6~0.8之間。帶保護(hù)套管的熱電偶是一個典型的二階傳感器。上一頁下一頁返回第三十四頁，共58頁。⑶瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo)時間常數(shù)τ是描述一階傳感器動態(tài)特性的重要參數(shù)，τ越小，響應(yīng)速度越快。 二階傳感器階躍響應(yīng)的典型性能指標(biāo)可由圖1.4.7表示，上一頁下一頁返回第三十五頁，共58頁。各指標(biāo)定義如下：①上升時間tr

輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時間。②響應(yīng)時間ts

系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時間。③峰值時間tp

階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一個峰值所需時間。④超調(diào)量σ

傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值ΔA，常用相對于穩(wěn)態(tài)值的百分比σ表示。上一頁下一頁返回第三十六頁，共58頁。2.頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性

頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。 （1）零階傳感器的頻率特性 （2）一階傳感器的頻率特性 （3）二階傳感器的頻率特性 （4）頻率響應(yīng)特性指標(biāo)上一頁下一頁返回第三十七頁，共58頁。（1）零階傳感器的頻率特性零階傳感器的傳遞函數(shù)為頻率特性為零階傳感器的輸出和輸入成正比，并且與信號頻率無關(guān)。因此，無幅值和相位失真問題，具有理想的動態(tài)特性。電位器式傳感器是零階系統(tǒng)的一個例子。在實(shí)際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時，都可以近似的當(dāng)作零階系統(tǒng)來處理。上一頁下一頁返回第三十八頁，共58頁。⑵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，即可得到頻率特性表達(dá)式幅頻特性相頻特性上一頁下一頁返回第三十九頁，共58頁。(a)幅頻特性(b)相頻特性1.4.8一階傳感器的頻率特性時間常數(shù)τ越小，頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng)ωτ<<1時，A(ω)≈1，Φ(ω)≈ωτ，表明傳感器輸出與輸入為線性關(guān)系，相位差與頻率ω成線性關(guān)系，輸出y(t)

比較真實(shí)地反映輸入x(t)

的變化規(guī)律。因此，減小τ可以改善傳感器的頻率特性。上一頁下一頁返回第四十頁，共58頁。⑶二階傳感器的頻率特性二階傳感器的頻率特性表達(dá)式、幅頻特性、相頻特性分別為上一頁下一頁返回第四十一頁，共58頁。圖1.4.9二階傳感器的頻率特性上一頁下一頁返回第四十二頁，共58頁。⑷頻率響應(yīng)特性指標(biāo)①頻帶傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應(yīng)的頻率范圍，稱為傳感器的頻帶或通頻帶，對應(yīng)有上、下截止頻率。②時間常數(shù)τ

用時間常數(shù)τ來表征一階傳感器的動態(tài)特性，τ越小，頻帶越寬。③固有頻率ωn

二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動態(tài)特性。上一頁下一頁返回第四十三頁，共58頁。1.5傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定是通過試驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時，確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。

傳感器的標(biāo)定工作可分為如下幾個方面，

1.新研制的傳感器需進(jìn)行全面技術(shù)性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行量值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進(jìn)傳感器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；

2.經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復(fù)測工作。

上一頁下一頁返回第四十四頁，共58頁。傳感器的標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定:

目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動態(tài)標(biāo)定:

目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。上一頁下一頁返回第四十五頁，共58頁。1.5傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.5.1傳感器的靜態(tài)標(biāo)定1.5.2傳感器的動態(tài)標(biāo)定第四十六頁，共58頁。1.5.1傳感器的靜態(tài)標(biāo)定

1.靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件2.標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定3.靜態(tài)特性標(biāo)定的方法上一頁下一頁返回第四十七頁，共58頁。1.靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件

沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5℃）、相對濕度不大于85%，大氣壓力為101±7kPa的情況。上一頁下一頁返回第四十八頁，共58頁。2.標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根據(jù)試驗(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，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等級。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。上一頁下一頁返回第四十九頁，共58頁。3.靜態(tài)特性標(biāo)定的方法標(biāo)定過程步驟：⑴將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點(diǎn)；⑵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)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；⑶將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；⑷按⑵、⑶所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出－輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；⑸對測試數(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)。上一頁下一頁返回第五十頁，共58頁。1.5.2傳感器的動態(tài)標(biāo)定上一頁下一頁返回1.動態(tài)標(biāo)定的一般方法第五十一頁，共58頁。主要研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)，而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有一個時間常數(shù)τ，二階傳感器則有固有頻率ωn和阻尼比ζ兩個參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)激勵信號:

階躍變化和正弦變化的輸入信號1.動態(tài)標(biāo)定的一般方法第五十二頁，共58頁。一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為則上式可變?yōu)閦和時間t成線性關(guān)