傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)_劉愛(ài)華第二版_1 概述

1、,同學(xué)們好！,課 程 概 述,傳感器基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)變式傳感器電容式傳感器電感式傳感器壓電式傳感器熱電式傳感器磁敏式傳感器光電式傳感器其他傳感器傳感器與微機(jī)接口技術(shù),,主要內(nèi)容,教學(xué)基本要求,學(xué)會(huì)傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)。掌握各類(lèi)傳感器的基本特性和工作原理、典型測(cè)量電路。了解各類(lèi)傳感器的典型應(yīng)用。,,,,,第1章 傳感器的基本概念,1.1 學(xué)習(xí)傳感器的重要性,1.2     傳感

2、器的組成與分類(lèi),1.3 傳感器的數(shù)學(xué)模型概述,1.4 傳感器的基本特性,1.5 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn),1.1 學(xué)習(xí)傳感器的重要性,,傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)試系統(tǒng)的接口位置,即檢測(cè)與控制系統(tǒng)之首。因此，傳感器成為感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)傳感器獲取并通過(guò)它轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。所以，80年代以來(lái)，世界各國(guó)都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)，倍

3、受重視。,傳感器技術(shù)是材料學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、乃至系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、自動(dòng)化技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、信息產(chǎn)業(yè)、機(jī)械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、材料、災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)防、農(nóng)林漁業(yè)、食品、煙酒制造、汽車(chē)、艦船、機(jī)器人、家電、公共安全等領(lǐng)域。,傳感器技術(shù)與通

4、信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息科學(xué)技術(shù)的三大支柱。 21世紀(jì)是人類(lèi)全面進(jìn)入信息電子化的時(shí)代，隨著人類(lèi)探知領(lǐng)域和空間的拓展，使得人們需要獲得的自然信息的種類(lèi)日益增加，需要信息傳遞的速度加快，信息處理能力增強(qiáng)，因此要求與此相對(duì)應(yīng)的信息獲取技術(shù)即傳感技術(shù)必須跟上信息化發(fā)展的需要。,傳感器的主要應(yīng)用,在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。,石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓

5、力容器的破損和泄露檢測(cè)。,1、自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng),,在汽車(chē)、機(jī)床、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量檢測(cè)。,圖示為汽車(chē)出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過(guò)對(duì)抽樣汽車(chē)的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。,汽車(chē)扭距測(cè)量,機(jī)床加工精度測(cè)量,2、汽車(chē)與傳感器,汽車(chē)需要用傳感器對(duì)溫度、壓力、位置、距離、轉(zhuǎn)速、加速度、濕度、電磁、光電、振動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，一般需要幾十種傳感器。,3、傳感器

6、與家用電器,自動(dòng)電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風(fēng)干器、電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照相機(jī)、電冰箱、電視機(jī)、錄像機(jī)、家庭影院,全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度) 液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測(cè))。,指紋傳感器,透光率傳感器,鼠標(biāo):光電位移傳感器,攝象頭:CCD傳感器,聲位筆:超聲波傳感器,麥克風(fēng):電容傳聲器,聲卡:A/D卡 + D/A卡,軟驅(qū):速度,位置伺服

7、,PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用,樓宇控制與安全防護(hù),為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測(cè)試技術(shù)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況。,圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車(chē)管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。,煙霧傳感器,亮度傳感器,人體探測(cè)器,機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器 轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、

8、力傳感器、視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。,4、傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用,機(jī)器狗,機(jī)器人服務(wù)員,AGV自動(dòng)送貨車(chē),超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車(chē)位置識(shí)別；條形碼傳感器，貨品識(shí)別。,香港理工AGV模型,5、傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,對(duì)人體的健康狀況進(jìn)行診斷需要進(jìn)行多種生理參數(shù)的測(cè)量。 國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出了用于測(cè)量近紅外組織

9、血氧參數(shù)的檢測(cè)儀器。人類(lèi)基因組計(jì)劃的研究也大大促進(jìn)了對(duì)酶、免疫、微生物、細(xì)胞、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和體液組份以及血?dú)?、血壓、血流量、脈搏等傳感器的研究。,醫(yī)學(xué),,手環(huán)產(chǎn)品,GrandBand,小米手環(huán),Fuel Band SE,Gear Fit,Life band,Talk Band,市售智能手環(huán)產(chǎn)品還有：,微軟,Fitbit Flex,Misfit,UP24,SONY,bong2,OPPO,TCL,暢玩,咕咚手環(huán),vi

10、vofit,360兒童衛(wèi)士,運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、睡眠監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、智能提醒、安全定位、手機(jī)伴侶、社交、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)云儲(chǔ)存、時(shí)間顯示、電子ID,…,麥克風(fēng)、3軸加速計(jì)、陀螺儀、光線感應(yīng)器、體溫計(jì)、紫外線傳感器，電容傳感器、光學(xué)心率計(jì)、GPS、可測(cè)量緊張程度的皮膚電反應(yīng)探測(cè)器以及新增加的氣壓計(jì),光纖流速傳感器,熒光材料制作的電子鼻傳感器,生物酶血樣分析傳感器,6、傳感器與航空及航天,陀螺儀、陽(yáng)光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器,航天,7、傳感器與環(huán)境

11、保護(hù),保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)和江河湖海水質(zhì)檢測(cè)，需要大量用于污水流量、PH值、電導(dǎo)、濁度、COD、BOD、TP、TN、礦物油、氰化物、氨氮、總氮、總磷、金屬離子濃度特別是重金屬離子濃度以及風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、工業(yè)粉塵、煙塵、煙氣、SO2、NO、O3、CO等參數(shù)測(cè)量的傳感器，這些傳感器中大多數(shù)亟待開(kāi)發(fā)。,煙塵濁度測(cè)量,,8、傳感器與遙感技術(shù),紅外接收傳感器,9、傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)總

12、是最先被應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)。 以坦克、飛機(jī)、軍艦為標(biāo)志的作戰(zhàn)平臺(tái)是傳統(tǒng)的主戰(zhàn)兵器，各類(lèi)傳感器不過(guò)是配屬的保障設(shè)施。,而當(dāng)前由信息技術(shù)發(fā)展推動(dòng)的軍事革命把重點(diǎn)從作戰(zhàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)向如何觀察戰(zhàn)場(chǎng)、怎樣傳遞所觀察到的戰(zhàn)場(chǎng)情況、怎樣運(yùn)用那些性能優(yōu)越的精確武器的問(wèn)題上來(lái)，從重視軍艦、坦克和飛機(jī)轉(zhuǎn)為重視信息獲取技術(shù)和信息獲取裝置的作用，傳感器、通信以及精確制導(dǎo)武器等已在戰(zhàn)爭(zhēng)中至關(guān)重要的作用。,海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，伊拉克在科威特戰(zhàn)區(qū)部署了4280輛坦克，多國(guó)部隊(duì)

13、只有3800輛坦克。 但結(jié)果是伊拉克的坦克89％被毀，而多國(guó)部隊(duì)的坦克僅損失20輛。這種懸殊的損毀比，正是由于雙方信息優(yōu)勢(shì)及精確制導(dǎo)武器方面的明顯差距造成的。,由近期的幾場(chǎng)高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)可以看到，隨著新軍事革命浪潮的到來(lái)，高度信息化的武器平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮戰(zhàn)場(chǎng)主導(dǎo)作用。 數(shù)字化戰(zhàn)爭(zhēng)需要利用全方位、多手段的傳感器系統(tǒng)感知和收集戰(zhàn)場(chǎng)各種信息，對(duì)這些信息進(jìn)行判讀、分析、綜合與管理，實(shí)現(xiàn)“傳感器-控制器-武器”一體化

14、。 戰(zhàn)場(chǎng)生物傳感器不但能準(zhǔn)確識(shí)別各種生化戰(zhàn)劑，而且可與計(jì)算機(jī)配合，及時(shí)提出最佳防護(hù)和治療方案，還可通過(guò)測(cè)定炸藥、火箭推進(jìn)劑的降解情況來(lái)發(fā)現(xiàn)敵人庫(kù)存彈藥的數(shù)量和位置，成為偵察的有效手段。,21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)將是知識(shí)密集、技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè)，設(shè)施農(nóng)業(yè)可以有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和增強(qiáng)抗災(zāi)能力，借助溫室及其配套裝置來(lái)調(diào)節(jié)和控制作物生產(chǎn)環(huán)境條件，擺脫自然制約，以達(dá)到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)。 信息獲取手段是實(shí)現(xiàn)高水平設(shè)施農(nóng)業(yè)

15、的關(guān)鍵技術(shù)之一，設(shè)施農(nóng)業(yè)用傳感器的品種較多，主要用于溫度、濕度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤養(yǎng)分等參數(shù)的測(cè)量。信息獲取技術(shù)還在農(nóng)田和果園生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生物學(xué)研究、農(nóng)藥殘留量檢測(cè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。,10、傳感器與農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè),,,1.2 傳感器的組成與分類(lèi),1.2.1 傳感器的定義1.2.2 傳感器的組成1.2.3 傳感器的分類(lèi),,,,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

16、器或探測(cè)器。,1.2.1 傳感器的定義,,41,,,1.2.2 傳感器的組成,圖1-1 傳感器組成框圖,,,,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(chēng)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。,,敏感元件,傳感元件,壓力傳感器示例,,,,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

17、橋、放大器、變阻器、振蕩器等。,輔助電路通常包括電源等。,46,,1.2.3 傳感器的分類(lèi),1．按工作機(jī)理分類(lèi)：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(lèi),2．按被測(cè)量分類(lèi)：根據(jù)輸入物理量的 性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。,3．按敏感材料分類(lèi)：根據(jù)制造傳感器 所使用的材料進(jìn)行分類(lèi)?？煞譃榘?導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器……等。,,,,4. 按能量的關(guān)系分類(lèi)：根據(jù)能量觀點(diǎn) 分類(lèi)，可將傳感器分為有源傳感器

18、和無(wú)源傳感器兩大類(lèi)。,有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱(chēng)之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱(chēng)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、電磁式等。,,,無(wú)源傳感器又稱(chēng)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(lèi)。,,,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

19、個(gè)數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來(lái)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,,,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(lái)表示：,,

20、,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。,,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(guò)程中，一般采用線性常系數(shù)微分方程來(lái)描述輸出量 y和輸入量 x 的關(guān)系。,,,其通式如下：,an,an-1…a0和bm,bm-1…b0 為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。除b0 ?0外，一般

21、取b1,b2…bm為零.,,,,2. 傳遞函數(shù),如果y(t)在t≤0時(shí)， y(t) =0，則y(t) 的拉氏變換可定義為,式中s=σ+jω，σ>0。,對(duì)微分方程兩邊取拉氏變換，則得,,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t≤0時(shí)， y(t)=0。對(duì)于傳感器被激勵(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。,

22、,57,,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(wú)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。,,58,,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)。,,59,,若傳感器由p個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)而成,,,1.4 傳感器的基本特性,1.4.1 靜態(tài)

23、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(chēng)非線性誤差?？捎孟率奖硎?,?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,,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),,,,,,,,,,,（1） （2） （3）,三種形

24、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,,,2.靈敏度：在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值：,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。,,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。,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。,,,66

25、,,,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(chēng)最大滯環(huán)率：,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(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔， 傳

26、感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。,7．漂移：在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移 。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。,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

27、的殘差看成是隨機(jī)分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，取2σ或3σ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,,,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動(dòng)態(tài)誤差。,1.4.2 動(dòng)態(tài)特性,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T(mén)0，把置于環(huán)境溫度之中的熱電偶立即放入容器中（若T>T0)。,（1）階躍響應(yīng),2. 研究傳感器動(dòng)態(tài)特性的

28、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(chēng)為階躍響應(yīng)特性。,,,,,,,最大超調(diào)量σp,延滯時(shí)間td,上升時(shí)間tr,峰值時(shí)間tp,響應(yīng)時(shí)間ts,① 最大超調(diào)量σp：,響應(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：,② 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。,,,③ 上升時(shí)間t

29、r：,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(wú)振蕩的傳感器常用A。,,④ 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。,⑤ 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(guò)±5%或±2%時(shí)所需要的時(shí)間。有時(shí)稱(chēng)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。,,,（2）頻率響應(yīng),在定常線性系統(tǒng)中，拉氏變換是廣義的

30、傅氏變換，取s=σ+jω中的σ=0，則s=jω，即拉氏變換局限于s平面的虛軸，則得到傅氏變換：,同樣有：,H（jω）稱(chēng)為傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)。,H（jω）是一個(gè)復(fù)函數(shù)，它可以用指數(shù)形式表示，即,,,,,即,A(ω)稱(chēng)為傳感器的幅頻特性，也稱(chēng)為傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度（或增益）。A(ω)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,若以 分別表示H（jω）的實(shí)部和虛部，則頻率特性的相位角:,φ（ω）表示傳感器的輸出信號(hào)相位隨頻

31、率而變化的關(guān)系。,對(duì)于傳感器 φ 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φ 隨ω而變，故稱(chēng)之為傳感器相頻特性。,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：,（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,頻率響應(yīng)函數(shù),幅頻特性：,相頻特性：,討論：,τ越小，頻率響應(yīng)特性越好。,負(fù)號(hào)表

32、示相位滯后,τ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：,輸出的初值為0,隨著時(shí)間推移y接近于1；當(dāng)t=τ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)。,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：

33、 fC+fK=F(t),或,由（1-29）式,τ為時(shí)間常數(shù),令H(S )中的s =jω,即σ= 0，則系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)H（jω）為,由Ｈ(jω)可以分析該系統(tǒng)的幅頻特性Ajω）和相頻特性φ（jω） ：,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/ m2?k）。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。,,解：,頻率響應(yīng)特性,幅頻特性,相頻

34、特性,階躍響應(yīng)特性,（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：,阻尼比ξ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。,當(dāng)ξ→0時(shí)，在ωτ=1處A(ω)趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱(chēng)之為諧振。 隨著ξ的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。 當(dāng)ξ≥0.707時(shí)，不再出現(xiàn)諧振，這時(shí)A(ω)將隨著ωτ的增大而單調(diào)下降。

35、,相頻特性,二階傳感器的階躍響應(yīng)特性,隨阻尼比ξ的不同，有幾種不同的解：,單位階躍響應(yīng)通式,①ξ=0(零阻尼)：輸出變成等幅振蕩，即,②0＜ξ＜1(欠阻尼)：該特征方程具有共軛復(fù)數(shù)根,方程通解,根據(jù)t→∞，y→kA，求出A3；據(jù)初始條件 求出A1、A2則,其曲線如圖，是一衰減振蕩過(guò)程,ξ 越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。,④ξ>1（過(guò)阻尼）：特征方程具有

36、兩個(gè)不同的實(shí)根,過(guò)渡函數(shù)為：,③ξ=1 (臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,過(guò)渡函數(shù)為,上兩式表明，當(dāng)ξ≥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。,實(shí)際傳感器，ξ 值一般可適當(dāng)安排，兼顧過(guò)沖量δm不要太大，穩(wěn)定時(shí)間tω不要過(guò)長(zhǎng)的要求。在ξ＝0.6～0.7范圍內(nèi)，可獲得較合適的綜合特性。對(duì)正弦輸入來(lái)說(shuō)，當(dāng)ξ=0.6～0.7時(shí)，幅值比A(ω)/k在比較寬的范圍內(nèi)變化較小。計(jì)算表明

37、在ωτ＝0～0.58范圍內(nèi)，幅值比變化不超過(guò)5％，相頻特性φ(ω)接近于線性關(guān)系。,對(duì)于高階傳感器，在寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)方程后， 可根據(jù)式具體情況寫(xiě)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(guò)渡函數(shù)。有些傳感器可能難于寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)方程，這時(shí)可采用實(shí)驗(yàn)方法，即通過(guò)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(guò)渡函數(shù)等。,1.5 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn),1.5.

38、1 傳感器的標(biāo)定,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(guò)程。,輸入-輸出關(guān)系,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,標(biāo)定系統(tǒng)的組成,（1）被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器,（2）被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng),（3）待標(biāo)

39、定傳感器配接的信號(hào)檢測(cè)設(shè)備,為保證精度和可靠性，使用中注意問(wèn)題：,（1）標(biāo)定等級(jí)：只能用上一級(jí)精度的標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定下一級(jí)精度的傳感器,（2）環(huán)境條件,（3）標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng),（4）安裝條件,力：測(cè)力砝碼、拉（壓）式測(cè)力計(jì),壓力：活塞式壓力計(jì)、水銀壓力計(jì)、麥?zhǔn)险婵沼?jì),位移：深度尺、千分尺、塊規(guī),溫度：鉑電阻溫度計(jì)、熱電偶、基準(zhǔn)光電高溫比色儀,傳感器的靜態(tài)標(biāo)定及設(shè)備,低頻-激振器：電磁振動(dòng)臺(tái)、低頻回轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)械振動(dòng)臺(tái)、液壓振動(dòng)臺(tái),高頻-瞬變函數(shù)激勵(lì)