傳感器原理及應(yīng)用教程

1、傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件第第2章章 傳感器概述傳感器概述2.1 2.1 傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類2.2 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件2.1 2.1 傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類 傳感器的作用傳感器的作用 傳感器的定義傳感器的定義 傳感器的組成傳感器的組成 傳感器的分類傳感器的分類傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較眼（視覺）眼（視覺）耳（聽覺）耳（聽覺）鼻（嗅覺）鼻（嗅覺）皮膚（觸覺）皮膚（觸覺）舌（味覺）舌（味覺）感知外界

2、信息感知外界信息 大腦大腦 肌體肌體2.1 2.1 傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類1 1、傳感器的地位和作用、傳感器的地位和作用傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件傳感器傳感器是一個(gè)匯聚物理、化學(xué)、材料、電子、生物是一個(gè)匯聚物理、化學(xué)、材料、電子、生物工程等工程等多類型交叉學(xué)科多類型交叉學(xué)科，涉及傳感檢測(cè)原理、傳感，涉及傳感檢測(cè)原理、傳感器件設(shè)計(jì)、傳感器開發(fā)與應(yīng)用的綜合技術(shù)。傳感器器件設(shè)計(jì)、傳感器開發(fā)與應(yīng)用的綜合技術(shù)。傳感器技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一 。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理

3、及應(yīng)用 第第2章章整理課件工工業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件智能建筑智能建筑降低能耗降低能耗提高操作者提高操作者工作效率工作效率提高樓宇內(nèi)提高樓宇內(nèi)部舒適程度部舒適程度提供高效的提供高效的設(shè)備管理手設(shè)備管理手段段監(jiān)控軟件監(jiān)控軟件縮短投資回收周期縮短投資回收周期降低培訓(xùn)成本降低培訓(xùn)成本傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件航空航天宇宙飛船航空航天宇宙飛船 飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、磁場(chǎng)、振動(dòng)測(cè)量；磁場(chǎng)、振動(dòng)測(cè)量；“阿波羅阿波羅10”10”飛船對(duì)飛船對(duì)32953295個(gè)參數(shù)個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，

4、其中：進(jìn)行檢測(cè)，其中：溫度傳感器溫度傳感器559559個(gè)個(gè)壓力傳感器壓力傳感器140140個(gè)個(gè)信號(hào)傳感器信號(hào)傳感器501501個(gè)個(gè)遙控傳感器遙控傳感器142142個(gè)個(gè)整個(gè)宇宙飛船就是高性能傳感器的集合體整個(gè)宇宙飛船就是高性能傳感器的集合體智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽能提供能源）智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動(dòng)顯示、記錄公路壓力、溫度、車流量）智能公路（自動(dòng)顯示、記錄公路壓力、溫度、車流量）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）未來世界未來世界傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件Human

5、 with Sensors傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件傳感器還滲透到海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診傳感器還滲透到海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。血壓測(cè)定方法和輸出的結(jié)果血壓測(cè)定方法和輸出的結(jié)果傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件 廣義：廣義：傳感器傳感器是一種能

6、把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置器件和裝置。 狹義：狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。 國家標(biāo)準(zhǔn)（國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）：）：對(duì)傳感器（對(duì)傳感器（Transducer/Sensor）的定義：）的定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。輸出信號(hào)的器件或裝置。2 2、傳感器的定義、傳感器的定義傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件 測(cè)

7、量?jī)x器一般由信號(hào)檢測(cè)器件和信號(hào)處理兩部分組成。測(cè)量?jī)x器一般由信號(hào)檢測(cè)器件和信號(hào)處理兩部分組成。 這種能感應(yīng)被測(cè)量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其他物理量變化這種能感應(yīng)被測(cè)量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其他物理量變化 的器件就是的器件就是傳感器傳感器。輸入匹配輸入匹配放大變換放大變換被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)輸出輸出檢測(cè)器件檢測(cè)器件信號(hào)處理信號(hào)處理廣義傳感器廣義傳感器傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件n傳感器定義有以下含義傳感器定義有以下含義它能完成檢測(cè)任務(wù)，是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成檢它能完成檢測(cè)任務(wù)，是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成檢測(cè)裝置；測(cè)裝置；輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)輸入量是某一被測(cè)

8、量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；量、生物量等；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，輸出量是能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；是氣、光、電物理量，主要是電物理量；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。傳感器的輸出與輸入之間存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 n按使用場(chǎng)合不同又稱為：按使用場(chǎng)合不同又稱為：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭傳感器功用：傳感器功用：一感二傳一感二傳, ,即感受被測(cè)信息即感受被測(cè)信息, ,并

9、傳送出去。并傳送出去。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件3、傳感器的組成、傳感器的組成 輔助電源輔助電源敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量被測(cè)量電量電量敏感元件敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成

10、電量輸出。物理、化學(xué)、物理、化學(xué)、生物信息生物信息傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件實(shí)際上，有些傳感器很簡(jiǎn)單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)實(shí)際上，有些傳感器很簡(jiǎn)單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是是開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)。由敏感元件和轉(zhuǎn)換由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的傳感器元件組成的傳感器由于空間的限制或者其他原因由于空間的限制或者其他原因, ,轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。然而，因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電然而，因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號(hào)，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。信號(hào)，從而決定了轉(zhuǎn)換電

11、路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 由一個(gè)敏感元件組成由一個(gè)敏感元件組成的最簡(jiǎn)單的傳感器的最簡(jiǎn)單的傳感器質(zhì)量塊質(zhì)量塊壓電片壓電片傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件4. 傳感器的分類傳感器的分類 物理型：物理型：化學(xué)型：利用電化學(xué)反應(yīng)原理化學(xué)型：利用電化學(xué)反應(yīng)原理 生物型：利用生物活性物質(zhì)選擇性生物型：利用生物活性物質(zhì)選擇性 結(jié)構(gòu)型：取決于幾何尺寸和形狀結(jié)構(gòu)型：取決于幾何尺寸和形狀物性型：取決于材料性質(zhì)物性型：取決于材料性質(zhì)按按傳感器的工作原理傳感器的工作原理傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件 按被測(cè)量按被測(cè)量溫度、溫度、 流量、流量、壓力、濕度、濃度、力學(xué)量、磁學(xué)量

12、、壓力、濕度、濃度、力學(xué)量、磁學(xué)量、光學(xué)量、氣體成分等光學(xué)量、氣體成分等 根據(jù)傳感器輸出信號(hào)：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)根據(jù)傳感器輸出信號(hào)：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào) 根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器器 傳感器的能量來源：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感傳感器的能量來源：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器器 按可變電參量：電阻型、電感型或電容型按可變電參量：電阻型、電感型或電容型 按傳感器技術(shù)發(fā)展：聾啞傳感器按傳感器技術(shù)發(fā)展：聾啞傳感器(Dumb Sensor)(Dumb Sensor)、智、智能傳感器能傳感器(Smart Sensor)(Smart Sensor

13、)、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、網(wǎng)絡(luò)化傳感器(Networked (Networked Sensor)Sensor)其他分類其他分類傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件2.2 2.2 傳感器的特性與主要性能指標(biāo)傳感器的特性與主要性能指標(biāo) 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo) 傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件n定義：定義： 傳感器特性：指輸入傳感器特性：指輸入x x（被測(cè)量）與輸出（被測(cè)量）與輸出y y之間的關(guān)系之間的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極

14、慢時(shí)的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)的關(guān)系2.2 傳感器的特性與主要性能指標(biāo)傳感器的特性與主要性能指標(biāo)2.2.1 1 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo) 23n23n0123n0123ny = a +a x+a x +a x +y = a +a x+a x +a x +a x+a x式中：式中：a a0 0輸入量輸入量x x為零時(shí)的輸出量為零時(shí)的輸出量; ; a a1 1, a, a2 2, , a, , an n非線性項(xiàng)系數(shù)非線性項(xiàng)系數(shù)。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件1 1測(cè)量范圍和量程測(cè)量范

15、圍和量程 傳感器所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入）傳感器所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入）x xminmin與最大被與最大被測(cè)量（輸入）測(cè)量（輸入）x xmaxmax之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍（measuring rangemeasuring range）, ,表示為表示為Y YFSFS或（或（x xminmin，x xmaxmax） 。傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值之差傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值之差x xmaxmaxx xmin稱為稱為量程量程（spanspan）。例如一溫度傳感器的測(cè)量范圍是）。例如一溫度傳感器的測(cè)量范圍是-30-30+120,+120,那么該

16、傳感器的量程為那么該傳感器的量程為150 150 。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件2 2靈敏度與靈敏度誤差靈敏度與靈敏度誤差可見，傳感器輸出曲線的可見，傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。對(duì)線性就是其靈敏度。對(duì)線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度s s是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。傳感器傳感器輸出的變化量輸出的變化量 y y與引起該變化量的與引起該變化量的輸入變化量輸入變化量 x x之比即為其之比即為其靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度(Sensitivity)(Sensitivity)，其表達(dá)式

17、為，其表達(dá)式為線性：線性： S=y/x非線性：非線性： S=dy/dx 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得。在獲得特性曲線之后，靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)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(biāo)定和數(shù)據(jù)處理可以說問題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。這時(shí)可采用各種方法，的方便，希望得到線性關(guān)系。這時(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理線性化處理。3 3線性度線性度(Linearity)(Linearity)

18、傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性靜態(tài)特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示：式中：式中：yy輸出量；輸出量； xx輸入量；輸入量； a a0 0零點(diǎn)輸出；零點(diǎn)輸出； a a1 1理論靈敏度；理論靈敏度； a a2 2、a a3 3、 、 a an n非線性項(xiàng)系數(shù)。非線性項(xiàng)系數(shù)。 各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn傳感器原理及應(yīng)用傳感器原

19、理及應(yīng)用 第第2章章整理課件LLmaxmax一最大非線性誤差；一最大非線性誤差； y yFSFS滿量程輸出。滿量程輸出。在采用直線擬合線性化時(shí)，全量程范圍實(shí)際曲線與其擬在采用直線擬合線性化時(shí)，全量程范圍實(shí)際曲線與其擬合曲線之間的最大偏差與滿量程輸出值之比，就稱為合曲線之間的最大偏差與滿量程輸出值之比，就稱為非非線性誤差或線性度，線性誤差或線性度，用相對(duì)誤差用相對(duì)誤差L表示：表示：一般來說，這些辦法都比較復(fù)雜。所以在非線性誤差不一般來說，這些辦法都比較復(fù)雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法采用直線擬合的辦法來線性化。來線性化。非線性偏差的大小是以一定的擬合

20、直線為基準(zhǔn)直線而得非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選出來的。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(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。理論擬合；理論擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合；端點(diǎn)連線擬合；端點(diǎn)連線擬合； 端點(diǎn)連線平移擬合；端點(diǎn)連線平移擬合；最小二乘擬合最小二乘擬合m ma ax xL LF FS SL L = =1 10 00 0% %Y Y傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第

21、第2章章整理課件傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件4 4遲滯遲滯0yxHmaxyFS遲滯特性遲滯特性m ma ax xH HF FS SH H = =1 10 00 0% %Y Y式中式中 H Hmaxmax正反行程間輸出的最大差值。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?；爻陶`差常用遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)差值的最大者即為回程誤差。信號(hào)差值的最大者即

22、為回程誤差。 傳感器在正傳感器在正( (輸入量增大輸入量增大) )反（輸入量減反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯遲滯。遲滯差值：遲滯差值：正反行程的差值。正反行程的差值。遲滯誤差：遲滯誤差：傳感器在全量程范圍內(nèi)最大傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值遲滯差值Hmax與滿量程輸出值之比與滿量程輸出值之比傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件5 5重復(fù)性重復(fù)性(Repeatability)(Repeatability)yx0Rmax2Rmax1m ma ax xR RF FS SR R = =1 10 00 0% %Y Y重復(fù)性誤差可用正反行

23、程的最重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即大偏差表示，即重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐恢貜?fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜃鋈砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所方向做全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。得特性曲線不一致的程度?；蛴脴?biāo)準(zhǔn)差或用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，表示如下：計(jì)算，表示如下：R Rmax1max1正行程的最大重復(fù)性偏差，正行程的最大重復(fù)性偏差， R Rmax2max2反行程的最大重復(fù)性偏差。反行程的最大重復(fù)性偏差。R RFSFS(23)(23) =100%100%Y Y傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件 分辨力用絕對(duì)值表示分辨力用絕對(duì)值表示, ,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為用與滿

24、量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。 6 6分辨力與分辨率分辨力與分辨率 分辨力（分辨力（resolutionresolution）: :指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量的入增量的x xminmin的絕對(duì)值。的絕對(duì)值。 有些傳感器有些傳感器, ,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí), ,輸出量只作階梯變輸出量只作階梯變化化, ,則分辨力就是輸出量的每個(gè)則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯階梯”所代表的輸入所代表的輸入量的大小。分辨率反映了傳感器檢測(cè)輸入微小變化的能量的大小。分辨率反映了傳感器檢測(cè)輸

25、入微小變化的能力。力。 影響傳感器分辨力的因素很多，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的摩影響傳感器分辨力的因素很多，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的摩擦、電路中的儲(chǔ)能元件和擦、電路中的儲(chǔ)能元件和A/DA/D的位數(shù)。在傳感器的測(cè)量的位數(shù)。在傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)，由于其輸入范圍內(nèi)，由于其輸入/ /輸出之間呈非線性關(guān)系，所以在輸出之間呈非線性關(guān)系，所以在不同輸入時(shí)分辨力不同，用不同輸入時(shí)分辨力不同，用max|max| x xminmin| |表示傳感器的表示傳感器的分辨力。用滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。分辨力。用滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件 被測(cè)量可能以各種形式隨時(shí)間變化，

26、只要輸入量是時(shí)被測(cè)量可能以各種形式隨時(shí)間變化，只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)。其間的關(guān)系間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)。其間的關(guān)系用動(dòng)態(tài)特性方程描述。用動(dòng)態(tài)特性方程描述。2.2.22.2.2、傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)、傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。 傳感器動(dòng)態(tài)特性方程就是指在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的輸傳感器動(dòng)態(tài)特性方程就是指在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的輸出量與輸入被測(cè)量之間隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。出量與輸入被測(cè)量之間隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。 它依賴于傳感器本身的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)，取決于系統(tǒng)

27、內(nèi)它依賴于傳感器本身的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)，取決于系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械的、電氣的、磁性、光學(xué)的等各種參數(shù)，而且這個(gè)部機(jī)械的、電氣的、磁性、光學(xué)的等各種參數(shù)，而且這個(gè)特性本身不因輸入量、時(shí)間和環(huán)境條件的不同而變化。特性本身不因輸入量、時(shí)間和環(huán)境條件的不同而變化。 使用傳感器時(shí)，根據(jù)動(dòng)態(tài)特性及使用條件確定使用方法，使用傳感器時(shí)，根據(jù)動(dòng)態(tài)特性及使用條件確定使用方法，同時(shí)估計(jì)給定條件下傳感器動(dòng)態(tài)誤差、響應(yīng)速度同時(shí)估計(jì)給定條件下傳感器動(dòng)態(tài)誤差、響應(yīng)速度(延遲時(shí)延遲時(shí)間間)和動(dòng)態(tài)靈敏度。和動(dòng)態(tài)靈敏度。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件1110111101( )( )( )( )( )( )( )( )

28、nnnnnnmmmmmmd y tdy tdy taaaa y tdtdtdtd x tdx tdx tbbbb x tdtdtdt傳感器動(dòng)態(tài)特性可用下列微分方程描述傳感器動(dòng)態(tài)特性可用下列微分方程描述下面只研究零階、一階、二階系統(tǒng)：下面只研究零階、一階、二階系統(tǒng)：0 01 1n n- -1 1n n0 01 1m m- -1 1m m式式中中：a a , ,a a , , ,a a, ,a a , , b b , , b b , , , b b, , b b是是與與傳傳感感器器結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特性性有有關(guān)關(guān)的的常常系系數(shù)數(shù)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件1 1零階傳感器動(dòng)態(tài)特性指

29、標(biāo)零階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)零階傳感器的輸出通過下列類型的方程與其輸入相聯(lián)系零階傳感器的輸出通過下列類型的方程與其輸入相聯(lián)系 y(t)=kx(t) y(t)=kx(t) 傳感器的傳輸函數(shù)傳感器的傳輸函數(shù) G(s)=kG(s)=k傳感器的頻率特性傳感器的頻率特性 G(j)=kG(j)=k k k：靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。：靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。零階傳感器是比例傳感系統(tǒng)，傳函恒定不變。因此，傳零階傳感器是比例傳感系統(tǒng)，傳函恒定不變。因此，傳感器的動(dòng)態(tài)誤差和延遲兩者皆為零。感器的動(dòng)態(tài)誤差和延遲兩者皆為零。上式的輸入上式的輸入輸出關(guān)系要求傳感器不包含任何儲(chǔ)能元件。輸出關(guān)系要求傳感器不包含任何儲(chǔ)能元件。例如，

30、用來測(cè)量線性位移和旋轉(zhuǎn)位移的電位器型傳感器。例如，用來測(cè)量線性位移和旋轉(zhuǎn)位移的電位器型傳感器。 傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件2 2一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)1 10 0d dy y( (t t) )a a+ +a a y y( (t t) )= = x x( (t t) )d dt t在一階傳感器中包含一個(gè)儲(chǔ)能元件和另一些耗能元在一階傳感器中包含一個(gè)儲(chǔ)能元件和另一些耗能元件。輸入件。輸入x(t)x(t)和輸出和輸出y(t)y(t)由一階微分方程描述：由一階微分方程描述： 相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：相應(yīng)的傳遞函數(shù)為： Y(s)KY(s)K= =X(s) X(s)

31、 s+1s+1KK靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度( (靜態(tài)增益靜態(tài)增益) ) ，K= 1/aK= 1/a0 0時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)，= a= a1 1/a/a0 0傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件 對(duì)初始狀態(tài)為零的傳感器對(duì)初始狀態(tài)為零的傳感器, , 當(dāng)輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)當(dāng)輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)1 1由由于于x x( (t t) )= =1 1( (t t) )， X X( (s s) )= = ， 傳傳感感器器輸輸出出的的拉拉氏氏變變換換為為s s11Y(s)=H(s)X(s)=1ss0 0t t0 0 x x ( ( t t ) ) = =1 1t t 0 0傳感器原理及應(yīng)用傳感器原

32、理及應(yīng)用 第第2章章整理課件一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為 相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖2-72-7所示。由圖可見所示。由圖可見, , 傳感器傳感器存在慣性存在慣性, , 它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào), , 而是從零而是從零開始開始, , 按指數(shù)規(guī)律上升按指數(shù)規(guī)律上升, , 最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在器的響應(yīng)只在t t趨于無窮大時(shí)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值趨于無窮大時(shí)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值, , 但實(shí)際上但實(shí)際上當(dāng)當(dāng)t=4t=4時(shí)其輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)其輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98.2%, 98.2%, 可以認(rèn)為已達(dá)可以認(rèn)為

33、已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。到穩(wěn)態(tài)。越小越小, , 響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線, , 因因此此, , 值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。 -y(t)= 1 -et傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件二階傳感器包含兩個(gè)儲(chǔ)能元件和一些耗能元件。如，二階傳感器包含兩個(gè)儲(chǔ)能元件和一些耗能元件。如，由質(zhì)量、彈簧和阻尼器構(gòu)成的加速度傳感器，可變由質(zhì)量、彈簧和阻尼器構(gòu)成的加速度傳感器，可變電感、分布電容和匹配電阻構(gòu)成的位移傳感器，均電感、分布電容和匹配電阻構(gòu)成的位移傳感器，均為經(jīng)典的二階系統(tǒng)。傳感器輸

34、入為經(jīng)典的二階系統(tǒng)。傳感器輸入x(t)x(t)和輸出和輸出y(t)y(t)由二由二階微分方程相聯(lián)系：階微分方程相聯(lián)系： 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：3 3二階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)二階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)2 2210021002 2d y(t)dy(t)d y(t)dy(t)a+a+a y(t)= b x(t)a+a+a y(t)= b x(t)dtdtdtdt2 22 2n n22222 2nnnnkkY(s)1Y(s)1=X(s)X(s)s +2s +2 s+s+s +2s +2s+1s+1時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)， ； n n固有頻率固有頻率,n n=1/ =1/ 阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)， ； k k靜態(tài)靈敏度

35、，靜態(tài)靈敏度，k k=b b0 0/ /a a0 0 (常取為常取為1)2 20 0= =a a / /a a1 10 02 2= = a a / / 2 2 a a a a傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0二階傳感器幅頻與相頻特性二階傳感器幅頻與相頻

36、特性（a a）幅頻特性）幅頻特性 （b b）相頻特性）相頻特性 當(dāng)當(dāng)00時(shí)，在時(shí)，在=1=1處處A A()()趨近趨近無窮大，這一現(xiàn)象無窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著稱之為諧振。隨著的增大，振蕩現(xiàn)的增大，振蕩現(xiàn)象逐漸不明顯。象逐漸不明顯。 當(dāng)當(dāng)0.7070.707時(shí)，時(shí)，不再出現(xiàn)振蕩，這不再出現(xiàn)振蕩，這時(shí)時(shí)A A()()將隨著將隨著的增大而單調(diào)下降。的增大而單調(diào)下降。阻尼系數(shù)的影響阻尼系數(shù)的影響A()傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件二階傳感器的階躍響應(yīng)二階傳感器的階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)通式單位階躍響應(yīng)通式n n傳感器的固有頻率；傳感器的固有頻率；傳感器的阻尼比傳感器的阻尼比特

37、征方程特征方程2 22 2n nn n + +2 2+ + = = 0 0根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：1 1）0 01( 1(有有/ /欠阻尼欠阻尼) )：該特征方程具有共軛復(fù)數(shù)根：該特征方程具有共軛復(fù)數(shù)根 / )1(22, 1j方程通解方程通解 2 22 2- -t t/ /1 12 23 31 1- -1 1- -y y( (t t) )= = - -e eA A c co os st t+ + A A s si in nt t + + A A根據(jù)根據(jù)t t, ,y ykAkA求出求出A A3 3；根據(jù)初始條件；根據(jù)初始條件, 0)0(, 0)0

38、(, 0yyt求出A1、A2，則令x=A222222d y/dt +2d y/dt +2dy/dt+y = kAdy/dt+y = kA傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件其曲線如圖其曲線如圖, ,這是一衰減振這是一衰減振蕩過程蕩過程,越小越小, ,振蕩頻率越振蕩頻率越高高, ,衰減越慢。衰減越慢。tw0.021ttmm1 (1 (過阻尼過阻尼) )：特征方程具有兩個(gè)不同的實(shí)根：特征方程具有兩個(gè)不同的實(shí)根/ )1(22, 12 22 22 22 22 22 2- - - -1 1- -+ + - -1 1+ + - -1 1- - - - -1 1y y= =k kA A 1

39、1+ +e ex xp pt t - -e ex xp pt t2 2 - -1 12 2 - -1 13) =1(3) =1(臨界阻尼臨界阻尼) )：特征方程具有重根：特征方程具有重根-1/,-1/,過渡函數(shù)為過渡函數(shù)為 t ty y t t = =k kA A 1 1- -e ex xp p( (- -t t/ /) )- - e ex xp p( (- -t t/ /) )上兩式表明，當(dāng)上兩式表明，當(dāng)11時(shí)，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是時(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，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。后者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)

40、不同。過渡函數(shù)為過渡函數(shù)為傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件杭州微圖視覺科技有限公司杭州微圖視覺科技有限公司趙工趙工 1385803497813858034978機(jī)器視覺系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng) 工業(yè)相機(jī)工業(yè)相機(jī) 傳感傳感器器 工業(yè)鏡頭工業(yè)鏡頭傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件2.2 2.2 傳感器的特性與主要性能指標(biāo)傳感器的特性與主要性能指標(biāo) 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo) 傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件n定義：定義： 傳感器特性：指輸入傳感器特性：指輸入x x

41、（被測(cè)量）與輸出（被測(cè)量）與輸出y y之間的關(guān)系之間的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)的關(guān)系2.2 傳感器的特性與主要性能指標(biāo)傳感器的特性與主要性能指標(biāo)2.2.1 1 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo) 23n23n0123n0123ny = a +a x+a x +a x +y = a +a x+a x +a x +a x+a x式中：式中：a a0 0輸入量輸入量x x為零時(shí)的輸出量為零時(shí)的輸出量; ; a a1 1, a, a2 2, , a, , an n非線性項(xiàng)系數(shù)非線性項(xiàng)系數(shù)。傳感器原理及應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用 第第2章章整理課件1 1測(cè)量范圍和量程測(cè)量范圍和量程 傳感器所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入）傳感器所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入）x xminmin與最大被與最大被測(cè)量（輸入）測(cè)量（輸入）x xmaxmax之間的范圍稱為傳感器