1、傳感器技術(shù),第1章 傳感器技術(shù)基礎(chǔ),教材： 傳感器原理與應(yīng)用黃賢武、鄭筱霞，電子科大出版社、高等教育出版社,2020年7月31日星期五,光纖光柵位移計,索尼700采用的新型CMOS傳感器,2020年7月31日星期五,一 傳感器的概念與發(fā)展,11 傳感器基本概念 傳感器定義 傳感器的發(fā)展,2020年7月31日星期五,12 傳感器的構(gòu)成與分類,傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、調(diào)理電路組成。,電量,2020年7月31日星期五,表1 傳感器的分類,2020年7月31日星期五,13 傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢,（一）集成化 (二）微型化 （三）數(shù)字化 （四）智能化 （五）新型原理傳感器,2020年7月31日星

2、期五,二 傳感器技術(shù)基礎(chǔ),21 傳感器的特性與指標(biāo) 211 傳感器的靜態(tài)特性 Nonlinearity (often called Linearity) Hysteresis Repeatability Sensitivity Resolution Stability Drift Precision,2020年7月31日星期五,212 傳感器的動態(tài)特性,微分方程 傳遞函數(shù),2020年7月31日星期五,階躍響應(yīng)特性,0 t0,（a）一階系統(tǒng),（b）二階系統(tǒng),2020年7月31日星期五,階躍響應(yīng)曲線,（a）一階系統(tǒng),（b）二階系統(tǒng),2020年7月31日星期五,衡量階躍響應(yīng)的指標(biāo)有： （1）時間常數(shù)

3、 傳感器輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值yc的63.2所需的時間。 （2）上升時間Tr 傳感器輸出值由穩(wěn)態(tài)值的10上升到90所需的時間，但有時也規(guī)定其他百分?jǐn)?shù)。 （3）響應(yīng)時間Ts 輸出值達(dá)到允許誤差范圍2所經(jīng)歷的時間，或明確為“百分之二響應(yīng)時間”。 （4）超調(diào)量a1 響應(yīng)曲線第一次超過穩(wěn)態(tài)值之峰高，即a1 =ymax+yc，或用相對值a=（ymax- yc）/ yc100表示。 （5）衰減率 指相鄰兩個波峰（或波谷）高度下降的百分?jǐn)?shù)：=（anan2）/ an100。 （6）穩(wěn)態(tài)誤差ess 系無限長時間后傳感器的穩(wěn)態(tài)輸出值與目標(biāo)值之間偏差ss的相對值： ess=（ss / yc）100。,2020年7月31

4、日星期五,2123 傳感器典型環(huán)節(jié)的動態(tài)響應(yīng),常見的傳感器通?？梢钥闯墒橇汶A、一階或二階環(huán)節(jié)，或者是由上述環(huán)節(jié)組合而成的系統(tǒng)。,2020年7月31日星期五,1零階環(huán)節(jié),零階環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)分別為 式（2-16） 式（2-17） 式中K靜態(tài)靈敏度。 可見零階環(huán)節(jié)的輸入量無論隨時間怎么變化，輸出量的幅值總與輸入量成確定的比例關(guān)系，在時間上也無滯后。它是一種與頻率無關(guān)的環(huán)節(jié)，故又稱比例環(huán)節(jié)或無慣性環(huán)節(jié)。 在實際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高的情況下，都可以近似看作零階環(huán)節(jié)。,2020年7月31日星期五,2一階環(huán)節(jié),一階環(huán)節(jié)的微分方程為 (2-18) 令 = ala0時間常數(shù)； K=

5、 b0a0靜態(tài)靈敏度。 則式(2-18)變成 （2-19）,2020年7月31日星期五,其傳遞函數(shù)和頻率特性分別為:,(2-20),(2-21),2020年7月31日星期五,幅頻特性和相頻特性分別為:,(2-22),(2-23),2020年7月31日星期五,圖2-4 一階傳感器對數(shù)幅頻圖 A（）與（）如圖2-4所示(圖中坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo)),2020年7月31日星期五,動態(tài)相對誤差：,(2-24),一階環(huán)節(jié)輸入階躍信號后在5之后采樣，其動態(tài)誤差可以忽略，可認(rèn)為輸出已接近穩(wěn)態(tài)。反過來，若已知允許的相對誤差值計算出穩(wěn)定時間：,(2-26),為一階環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，越小階躍響應(yīng)越迅速，頻率響應(yīng)的上截止頻率

6、越高。的大小表示慣性的大小，故一階環(huán)節(jié)又稱為慣性環(huán)節(jié)。,2020年7月31日星期五,3二階環(huán)節(jié),二階環(huán)節(jié)的微分方程為,(2-26),令,靜態(tài)靈敏,時間常數(shù),固有頻率,阻尼比,2020年7月31日星期五,式（2-26）可寫成,(2-27),其傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)分別為:,(2-28),2020年7月31日星期五,幅頻特性和相頻特性分別為:,(2-29),(2-30),2020年7月31日星期五,圖 2-5 二階環(huán)節(jié)的幅頻特性與相頻特性,2020年7月31日星期五,二階環(huán)節(jié)的幅頻特性與相頻特性如圖2-5所示。由圖可見，當(dāng)/n1時，A（）K，（）/0，近似于零階環(huán)節(jié)。在無阻尼固有頻率附近(/n=1），

7、系統(tǒng)發(fā)生諧振。為了避免這種情況，可增大值，當(dāng)0.707時，諧振就不會發(fā)生了。當(dāng) =0.7時,幅頻特性的平坦段最寬，而且相頻特性接近于一條斜直線。 若對二階環(huán)節(jié)輸入一階躍信號，式（2-25）就變成 :,（2-31）,2020年7月31日星期五,特征方程及其兩根分別為:,（2-32）,（2-33）,2020年7月31日星期五,當(dāng)l（過阻尼）時:,（2-34）,當(dāng)1（臨界阻尼）時:,（2-35）,（2-36）,2020年7月31日星期五,當(dāng)1（欠阻尼）時:,（2-37）,式中,-衰減振蕩相位差。,2020年7月31日星期五,將上述三種情況繪成曲線，可得圖2-6所示二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線簇。,圖26

8、二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng),2020年7月31日星期五,將上述三種情況繪成曲線，可得圖2-6所示二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線簇。由圖可知，固有頻率n越高，則響應(yīng)曲線上升越快，即響應(yīng)速度越高；反之n越小，則響應(yīng)速度越低。而阻尼比越大，則過沖現(xiàn)象減弱越快。1時完全沒有過沖，也不產(chǎn)生振蕩；1時，將產(chǎn)生衰減振蕩。為使接近穩(wěn)態(tài)值的時間縮短，設(shè)計時常取=0.60.8。 當(dāng)=0時，式（2-37）變成 ，形成等幅振蕩，這時振蕩頻率就是二階環(huán)節(jié)的振動角頻率n，稱為“固有頻率”。,2020年7月31日星期五,圖27 二節(jié)環(huán)節(jié)實例,圖2-7所示由彈簧（k）、阻尼（c）和質(zhì)量（m）組成的機械系統(tǒng)是二階環(huán)節(jié)在傳感器中的應(yīng)用實例。在外力F作用下，其運動微分方程為:,2020年7月31日星期五,213 傳感器的性能指標(biāo)一覽,2020年7月31日星期五,思考題 1.計算傳感器線性度的方法有哪幾種?差別何在? 2.怎樣評價傳感