傳感器技術(shù)基礎(chǔ)課件重點(diǎn)

1、2022-4-141復(fù)習(xí)1、現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)、現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)2、傳感器的定義、組成及分類(lèi)、傳感器的定義、組成及分類(lèi) (重點(diǎn)重點(diǎn))3、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)、傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 緒論緒論 2022-4-1422022-4-143第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的一般數(shù)學(xué)模型傳感器的一般數(shù)學(xué)模型 (重點(diǎn)重點(diǎn))第二節(jié)第二節(jié) 傳感器的特性與指標(biāo)傳感器的特性與指標(biāo) (重點(diǎn)重點(diǎn))第三節(jié)第三節(jié) 改善傳感器性能的技術(shù)途徑改善傳感器性能的技術(shù)途徑 (了解了解)第四節(jié)第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn) (了解了解)第五節(jié)第五節(jié) 傳感器材料與工藝傳感器材料與工藝 (補(bǔ)充補(bǔ)充)2022-4-1445、分辨力與閾值

2、、分辨力與閾值 6、穩(wěn)定性與漂移、穩(wěn)定性與漂移7、誤差表達(dá)、誤差表達(dá)（一（一 ）、傳感器的靜態(tài)特性）、傳感器的靜態(tài)特性（二）、傳感器的動(dòng)態(tài)特性（二）、傳感器的動(dòng)態(tài)特性(二二)、動(dòng)態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型(一一)、靜態(tài)模型、靜態(tài)模型新課1、微分方程、微分方程 2、傳遞函數(shù)、傳遞函數(shù)1、頻率響應(yīng)特性、頻率響應(yīng)特性 2、階躍響應(yīng)特性、階躍響應(yīng)特性3、典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)8、精確度等級(jí)、精確度等級(jí)1、線性度、線性度 2、回差（滯后或遲滯）、回差（滯后或遲滯）3、重復(fù)性、重復(fù)性4、靈敏度、靈敏度第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的一般數(shù)學(xué)模型傳感器的一般數(shù)學(xué)模型第二節(jié)第二節(jié) 傳感器的特性與指標(biāo)傳感器的特性與

3、指標(biāo)代數(shù)方程代數(shù)方程 2022-4-145建立傳感器的數(shù)學(xué)模型的建立傳感器的數(shù)學(xué)模型的必要性必要性傳感器數(shù)學(xué)模型的傳感器數(shù)學(xué)模型的靜態(tài)靜態(tài)與與動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)之分之分 2022-4-146靜態(tài)模型是指在靜態(tài)模型是指在靜態(tài)條件靜態(tài)條件下得到的傳感器數(shù)學(xué)下得到的傳感器數(shù)學(xué)模型。模型。傳感器的靜態(tài)模型可用一代數(shù)方程表示，即：傳感器的靜態(tài)模型可用一代數(shù)方程表示，即：nnxaxaxaay2210輸入量對(duì)時(shí)間輸入量對(duì)時(shí)間t t的各階導(dǎo)數(shù)為零的各階導(dǎo)數(shù)為零2022-4-147表示表示輸出量輸出量與與輸入量輸入量之間的關(guān)系曲線稱(chēng)為之間的關(guān)系曲線稱(chēng)為特性曲線特性曲線。理想情況下，傳感器數(shù)學(xué)模型為：理想情況下，傳感器數(shù)學(xué)

4、模型為：xay12022-4-148（1 1）微分方程）微分方程傳感器的動(dòng)態(tài)模型用傳感器的動(dòng)態(tài)模型用線性常系數(shù)微分方程線性常系數(shù)微分方程來(lái)表示：來(lái)表示：xbdtxdbdtxdbyadtydadtydammmmmmnnnnnn011101112022-4-149用微分方程作為傳感器數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)：用微分方程作為傳感器數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)求解微分方程容易分清通過(guò)求解微分方程容易分清暫態(tài)響暫態(tài)響應(yīng)應(yīng)與與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：求解微分方程很麻煩，尤其當(dāng)需要求解微分方程很麻煩，尤其當(dāng)需要通過(guò)增減環(huán)節(jié)來(lái)改變傳感器的性能時(shí)顯得很不通過(guò)增減環(huán)節(jié)來(lái)改變傳感器的性能時(shí)顯得很不方便。方便。202

5、2-4-1410（2 2）傳遞函數(shù)）傳遞函數(shù)由控制理論可知，對(duì)于用由控制理論可知，對(duì)于用線性常系數(shù)微分方程線性常系數(shù)微分方程表示的傳感表示的傳感器，其傳遞函數(shù)為器，其傳遞函數(shù)為 ：框圖表示法為框圖表示法為：0101)()()(aSaSabSbSbSxSySHnnmmxy0101aSaSabSbSbnnmmS=+jw，稱(chēng)為拉氏變換的自變量。2022-4-1411對(duì)于對(duì)于n個(gè)環(huán)節(jié)的個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)串聯(lián)系統(tǒng)：系統(tǒng)：對(duì)于對(duì)于n個(gè)環(huán)節(jié)的個(gè)環(huán)節(jié)的并聯(lián)并聯(lián)系統(tǒng)：系統(tǒng)：H1(S)H2(S）轉(zhuǎn)換電路X(S)Y(S)H1(S)H2(S）轉(zhuǎn)換電路X(S)Y(S) niiSHSH1)(niiSHSH1)(2022-4-1

6、412采用傳遞函數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)：1、容易看清各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響，因而、容易看清各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響，因而便于對(duì)傳感器或測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。便于對(duì)傳感器或測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。2、當(dāng)傳感器比較復(fù)雜或傳感器的基本參數(shù)、當(dāng)傳感器比較復(fù)雜或傳感器的基本參數(shù)未知時(shí)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得傳遞函數(shù)。未知時(shí)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得傳遞函數(shù)。2022-4-1413傳感器特性：傳感器特性：主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，輸出與輸當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，輸出與輸入之間的關(guān)系稱(chēng)為入之間的關(guān)系稱(chēng)為 ；靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)輸入量各個(gè)值處于靜態(tài)特性表示傳

7、感器在被測(cè)輸入量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出時(shí)的輸出輸入關(guān)系。輸入關(guān)系。研究靜態(tài)特性主要應(yīng)考慮其研究靜態(tài)特性主要應(yīng)考慮其非線性非線性與與隨機(jī)變化隨機(jī)變化等因素。等因素。一、傳感器的靜態(tài)特性一、傳感器的靜態(tài)特性第二節(jié) 傳感器的特性與指標(biāo)2022-4-1414定義：表征傳感器定義：表征傳感器輸出輸出輸入校準(zhǔn)曲線輸入校準(zhǔn)曲線與與所選所選定的擬合直線定的擬合直線（作為工作直線）之間的吻合（或偏（作為工作直線）之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)。離）程度的指標(biāo)。通常用通常用相對(duì)誤差相對(duì)誤差來(lái)表示線性度，即來(lái)表示線性度，即%100.maxSFLYL2022-4-1415目前常用的擬合方法有：目前常用的擬

8、合方法有：A A、理論擬合：、理論擬合：B B、過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合：、過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合：C C、端點(diǎn)連線擬合：、端點(diǎn)連線擬合：D D、端點(diǎn)連線平移擬合：、端點(diǎn)連線平移擬合：2022-4-1416a)理論擬合 b)過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合 c)端點(diǎn)連線擬合 d)端點(diǎn)連線平移擬合2022-4-14170yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法min2112niiiniibkxyE E、最小二乘法擬合最小二乘法擬合（重點(diǎn)）（重點(diǎn)）y=kx+b最小二乘法擬合直線的最小二乘法擬合直線的原理原理就是就是使使 為最小值為最小值，即，即i=yi-(kxi+b)2i2022-4-1418得到得到k和和b的表達(dá)式的表達(dá)式22iiiiii

9、xxnyxyxnk 222iiiiiiixxnyxxyxb2022-4-14192022-4-1420最小二乘法準(zhǔn)則的幾何意義在于擬和直線精密度高即誤差小。將幾組x分別帶入以上五式，與y值相差最小的就是所求，（5）為所求。 2022-4-1421定義：傳感器在定義：傳感器在正反正反行程中行程中輸出輸入曲線的不重合輸出輸入曲線的不重合程度程度稱(chēng)為遲滯。稱(chēng)為遲滯。遲滯特性一般是由遲滯特性一般是由實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。測(cè)得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即%100.maxSFHyH2022-4-1422 y0 xHmaxyFS遲滯特性遲滯特性2022-

10、4-1423定義：指?jìng)鞲衅髟谳斎氚炊x：指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蛲环较蜃髯魅砍踢B續(xù)全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。的程度。重復(fù)性誤差可用重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差正反行程的最大偏差表示，即表示，即%100.maxSFRyR2022-4-1424 yx0Rmax2Rmax1 Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差， Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。2022-4-1425定義：定義：傳感器輸出的變化量傳感器輸出的變化量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之比即為其之比即為其靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式，其表達(dá)式為為靈敏度誤差用

11、靈敏度誤差用相對(duì)誤差相對(duì)誤差表示，即表示，即xyK%100kkk2022-4-1426分辨力：分辨力：是傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出是傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出被測(cè)輸入量的被測(cè)輸入量的最小變化量最小變化量，用，用絕對(duì)值絕對(duì)值表示。表示。分辨率：分辨率：分辨力用分辨力用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱(chēng)為稱(chēng)為分辨率。分辨率。閾值：閾值：在傳感器在傳感器輸入零點(diǎn)附近輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱(chēng)為閾值。的分辨力稱(chēng)為閾值。2022-4-1427穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化。有時(shí)稱(chēng)為生的變化。有時(shí)稱(chēng)為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性長(zhǎng)時(shí)

12、間工作穩(wěn)定性或或零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移。漂移：漂移：指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著有與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。有與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移包括漂移包括零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移與與靈敏度漂移靈敏度漂移，兩者又可分為，兩者又可分為時(shí)時(shí)間漂移間漂移（時(shí)漂）和（時(shí)漂）和溫度漂移溫度漂移（溫漂）。（溫漂）。2022-4-1428（1）絕對(duì)誤差）絕對(duì)誤差測(cè)量結(jié)果與被測(cè)參量真值之間的差值的絕對(duì)值稱(chēng)測(cè)量結(jié)果與被測(cè)參量真值之間的差值的絕對(duì)值稱(chēng)為絕對(duì)誤差。為絕對(duì)誤差。絕對(duì)誤差只能評(píng)估絕對(duì)誤差只能評(píng)估同一被測(cè)值同一被測(cè)值的測(cè)量精度。的測(cè)量精度。 QX 被測(cè)參量的測(cè)

13、量值 被測(cè)參量的真值 2022-4-1429（2）相對(duì)誤差）相對(duì)誤差測(cè)量的絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值的比值稱(chēng)為測(cè)量的絕對(duì)誤差與被測(cè)量真值的比值稱(chēng)為相對(duì)誤差，通常以百分?jǐn)?shù)表示，即相對(duì)誤差，通常以百分?jǐn)?shù)表示，即相對(duì)誤差可用來(lái)評(píng)價(jià)相對(duì)誤差可用來(lái)評(píng)價(jià)不同被測(cè)值不同被測(cè)值的精度。的精度。%100%100XQ2022-4-1430（3）引用誤差）引用誤差測(cè)量的絕對(duì)誤差與儀表的滿量程之比稱(chēng)為引用誤測(cè)量的絕對(duì)誤差與儀表的滿量程之比稱(chēng)為引用誤差，它常以百分?jǐn)?shù)表示，即差，它常以百分?jǐn)?shù)表示，即這一指標(biāo)通常用來(lái)表征這一指標(biāo)通常用來(lái)表征儀器本身的精度儀器本身的精度，而不是，而不是測(cè)量的精度。測(cè)量的精度。 %100FSmy20

14、22-4-1431例例2、某電壓表刻度為、某電壓表刻度為010V，在，在5V處計(jì)量定處計(jì)量定值為值為4.995V，求在，求在5V處的絕對(duì)誤差處的絕對(duì)誤差，相對(duì)誤差，相對(duì)誤差 ，引用誤差引用誤差m 。)(005. 0|995. 45|V%1 . 0%1005005. 0%100 xQ%05. 0%10010005. 0%10010m2022-4-14320.1級(jí)量程為級(jí)量程為10A電流經(jīng)標(biāo)定，最大絕對(duì)誤差為電流經(jīng)標(biāo)定，最大絕對(duì)誤差為8mA，問(wèn)該表是否合理？問(wèn)該表是否合理？%1 . 010%100AyAAFSmAmAAA81001. 0%1 . 01010精確度等級(jí)A：其數(shù)值是傳感器和測(cè)量?jī)x表在規(guī)

15、定條件下，允許的最大絕對(duì)誤差值相對(duì)于測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)，即故，合理故，合理2022-4-1433動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特的輸入量的響應(yīng)特性。性。它是傳感器的輸出值能夠真實(shí)地再現(xiàn)隨時(shí)間變化著它是傳感器的輸出值能夠真實(shí)地再現(xiàn)隨時(shí)間變化著的輸入量能力的反映。的輸入量能力的反映。對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述動(dòng)態(tài)特性，對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述動(dòng)態(tài)特性，主要有三種形式：主要有三種形式： 時(shí)域中的微分方程時(shí)域中的微分方程 復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)H(S) 頻率域中的頻率特性頻率域中的頻率特性H(j)2022-4-1434標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種

16、標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種（經(jīng)常使用的是前兩種）。經(jīng)常使用的是前兩種）。 正弦變化正弦變化的輸入的輸入 階躍變化階躍變化的輸入的輸入 線性輸入線性輸入2022-4-1435頻率響應(yīng)特性：頻率響應(yīng)特性：將各種將各種頻率不同頻率不同而而幅值相等幅值相等的的正正弦信號(hào)弦信號(hào)輸入傳感器，其輸出正弦信號(hào)的幅值、相位與輸入傳感器，其輸出正弦信號(hào)的幅值、相位與頻率之間的關(guān)系稱(chēng)為頻率之間的關(guān)系稱(chēng)為。輸入量為：輸入量為：獲得的輸出量為：獲得的輸出量為：代入動(dòng)態(tài)模型表達(dá)式（微分方程）得：代入動(dòng)態(tài)模型表達(dá)式（微分方程）得：wtXxsin)sin(wtYy2022-4-1436稱(chēng)之為稱(chēng)之為傳感器的頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性

17、，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)頻率特性頻率特性。物理意義：當(dāng)正弦信號(hào)作用于傳感器時(shí)，在穩(wěn)定物理意義：當(dāng)正弦信號(hào)作用于傳感器時(shí)，在穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出量與輸入量的復(fù)數(shù)比。狀態(tài)下的輸出量與輸入量的復(fù)數(shù)比。又稱(chēng)為又稱(chēng)為頻率傳遞函數(shù)頻率傳遞函數(shù)。其指數(shù)形式為其指數(shù)形式為01110111)()()()()()()()(ajwajwajwabjwbjwbjwbjwXjwYnnnnmmmmjjwtwtjeXYXeYejwXjwY )()()(2022-4-1437稱(chēng)為傳感器的稱(chēng)為傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度（或稱(chēng)增益），動(dòng)態(tài)靈敏度（或稱(chēng)增益），又稱(chēng)為又稱(chēng)為幅頻特性幅頻特性。XYjwxjwywA)()()(模模頻率特性的相位角：頻率特性的相

18、位角：ReIm)(arctgw (w)(w)代表輸出量超前于輸入的角度，表代表輸出量超前于輸入的角度，表示示 隨隨w w而變，稱(chēng)之為而變，稱(chēng)之為相頻特性相頻特性。 通常通常為為負(fù)值負(fù)值，即輸出，即輸出滯后滯后于輸入。于輸入。2022-4-1438當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)：當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)： 其輸出信號(hào)稱(chēng)為其輸出信號(hào)稱(chēng)為階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)。0100)(tttu衡量階躍響應(yīng)的指標(biāo)參見(jiàn)教材衡量階躍響應(yīng)的指標(biāo)參見(jiàn)教材P17P17圖圖1-71-72022-4-14391 1零階環(huán)節(jié)：零階環(huán)節(jié)：微分方程：微分方程：傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： txKtxabty000000)()(K

19、abSxSy2022-4-1440微分方程：微分方程：傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)頻率特性頻率特性1)()(0SKSXSY1)()(0jwKjwXjwY2 2一階環(huán)節(jié)：一階環(huán)節(jié)：a1(dy/dt)+a0y(t)= b0 x(t) txabtydtdyaa0001 txKtydtdy0時(shí)間常數(shù) 越小，系統(tǒng)的頻率特性越好幅頻特性：幅頻特性：1)(/)(20wKwA相頻特性：相頻特性：)()(warctgw負(fù)號(hào)表示相位滯后2022-4-1441例3、以熱電偶測(cè)溫元件為例，如圖。當(dāng)熱電偶接點(diǎn)溫度T0低于被測(cè)介質(zhì)溫度Ti時(shí)，T0Ti，則有熱流q流入熱偶結(jié)點(diǎn)，它與Ti和T0的關(guān)系可表示為 dtdTCRTTqi00式中

20、，R-介質(zhì)的熱阻； C-熱偶的比熱。若令=RC，上式可寫(xiě)為： iKTTdtdT00TiT0q熱流2022-4-1442例4，彈簧-阻尼器組成的機(jī)械系統(tǒng)如圖，也屬于一階傳感器系統(tǒng)。其微分方程為 式中，c-阻尼系數(shù)； k-彈簧剛度。 上式可寫(xiě)為： txbtkydttdyc0 txKtydttdy0kcy(t)F=b0 x(t)2022-4-1443二階傳感器的方程為：二階傳感器的方程為：也可寫(xiě)成也可寫(xiě)成則其傳遞函數(shù)則其傳遞函數(shù)：xbyadtdyadtyda001222xKyssnn022) 121(12)()()(220ssKsXsYsHnn3 3二階環(huán)節(jié)：二階環(huán)節(jié)：2022-4-1444頻率響應(yīng)

21、：頻率響應(yīng)：幅頻特性：幅頻特性：相頻特性：相頻特性：幅頻特性與相頻特性參見(jiàn)教材幅頻特性與相頻特性參見(jiàn)教材P20P20圖圖1-101-10。nnjKjwXjwY21)()(2022021 )(nnKwA212)(nnarctgw2022-4-1445例5，質(zhì)量-彈簧-阻尼器組成的機(jī)械系統(tǒng)如圖，屬于二階傳感器系統(tǒng)。其微分方程為 式中，m-運(yùn)動(dòng)質(zhì)量；c-阻尼系數(shù)；k-彈簧剛度；F(t)-作用力；可改寫(xiě)為一般通式： tFtkydttdycdttydm22 tKFtydttdydttydnn21222式中，y(t)-位移；n-系統(tǒng)固有頻率；-系統(tǒng)阻尼比；K-靜態(tài)靈敏度。kcy(t)F(t)m2022-4

22、-1446為理解二階系統(tǒng)幅值誤差和相位誤差的概念，可參考下面例題：例：一個(gè)二階系統(tǒng)的力傳感器，其固有頻率為800rad/s,阻尼比為0.4，用它測(cè)量頻率為400rad/s的正弦變化力，求振幅誤差及相位偏移各為多少？若采用固有頻率為1000rad/s，阻尼比為0.6的力傳感器，測(cè)量結(jié)果將有多大的改善？2022-4-144712)()()(220ssKsXsYsHnnnnjKjwXjwYjH21)()(20二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與頻率響應(yīng)函數(shù)分別為：二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)與頻率響應(yīng)函數(shù)分別為：2022-4-1448212)(nnarctgw22021 nnKjH因此，二階系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別為：因

23、此，二階系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)分別為：2022-4-1449022880040018004004 . 02)(arctgw18. 18004004 . 028004001 122jH將固有頻率、測(cè)量頻率和阻尼比代入上面的表達(dá)式中將固有頻率、測(cè)量頻率和阻尼比代入上面的表達(dá)式中（k0=1=1），得：），得：即幅值誤差為即幅值誤差為18%18%，相位滯后為，相位滯后為28280 02022-4-145002301000400110004006 . 02)(arctgw03. 110004006 . 0210004001 122jH將固有頻率、測(cè)量頻率和阻尼比代入上面的表達(dá)式中將固有頻率、測(cè)量頻率和

24、阻尼比代入上面的表達(dá)式中（k0=1=1），得：），得：即幅值誤差降低為即幅值誤差降低為3%3%，相位滯后為，相位滯后為30300 0 。一般相位。一般相位誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響，故測(cè)量結(jié)果得到較大改善。誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)影響，故測(cè)量結(jié)果得到較大改善。2022-4-1451第二次作業(yè)：第二次作業(yè)：教材教材P33頁(yè)習(xí)題頁(yè)習(xí)題1-1、1-3、1-8、1-92022-4-1452當(dāng)堂練習(xí)：當(dāng)堂練習(xí)：1、有兩個(gè)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性可以分別用下面兩個(gè)微分方、有兩個(gè)傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)特性可以分別用下面兩個(gè)微分方程描述，試求這兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)程描述，試求這兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度和靜態(tài)靈敏度K。

25、1）2）2、一壓電式加速度傳感器的動(dòng)態(tài)特性可以用如下的微分方程來(lái)描述，、一壓電式加速度傳感器的動(dòng)態(tài)特性可以用如下的微分方程來(lái)描述，試求其固有振蕩頻率試求其固有振蕩頻率n和阻尼比和阻尼比。3、教材、教材P33頁(yè)習(xí)題頁(yè)習(xí)題1-6Tydtdy5105 . 1330 xydtdy6 . 92 . 44 . 1xydtdydtyd1010322100 .111025. 2100 . 32022-4-1453yB=0.39883x+0.00288 yC=0.39906x+0.00176yD=0.39866x+0.00243 yE=0.3984x+0.00367yF=0.39823x+0.00305yG=0

26、.39809x+0.00398 2022-4-1454（一）、線性度（一）、線性度 （二）、遲滯（二）、遲滯（三）、重復(fù)性（三）、重復(fù)性一一 、傳感器的靜態(tài)特性、傳感器的靜態(tài)特性二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性（二）、傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（二）、傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（三）、傳感器典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（三）、傳感器典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感器的一般特性復(fù)習(xí)1、頻率響應(yīng)特性、頻率響應(yīng)特性 2、階躍響應(yīng)特性、階躍響應(yīng)特性1、傳遞函數(shù)、傳遞函數(shù) 2、幅頻特性、幅頻特性3、相頻特性、相頻特性（一）、動(dòng)態(tài)模型的三種表示方式（一）、動(dòng)態(tài)模型的三種表示方式 （四）、靈敏度（四）、靈敏度1 1、時(shí)域中的微分方

27、程、時(shí)域中的微分方程2 2、復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)、復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)H(S)H(S)3 3、頻率域中的頻率特性、頻率域中的頻率特性H(jH(j) )2022-4-14551、靜態(tài)標(biāo)定、靜態(tài)標(biāo)定 2、動(dòng)態(tài)標(biāo)定、動(dòng)態(tài)標(biāo)定3、傳感器的互換性、傳感器的互換性二二 、傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)、傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)一、改善傳感器性能的技術(shù)途徑一、改善傳感器性能的技術(shù)途徑新課1、差動(dòng)技術(shù)、差動(dòng)技術(shù)2、平均技術(shù)、平均技術(shù)1、傳感器材料、傳感器材料 2、傳感器工藝、傳感器工藝簡(jiǎn)簡(jiǎn)要要介介紹紹三、傳感器材料與工藝三、傳感器材料與工藝補(bǔ)充補(bǔ)充知識(shí)知識(shí)3、穩(wěn)定性處理、穩(wěn)定性處理4、屏蔽、隔離與干擾抑制、屏蔽、隔離與干擾抑制5、

28、補(bǔ)償與修正技術(shù)、補(bǔ)償與修正技術(shù)2022-4-1456一、一、差動(dòng)技術(shù)差動(dòng)技術(shù)二、二、平均技術(shù)平均技術(shù)三、穩(wěn)定性處理三、穩(wěn)定性處理四四、屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽、隔離與干擾抑制五五、補(bǔ)償與修正技術(shù)補(bǔ)償與修正技術(shù)2022-4-1457原理：原理：設(shè)有一個(gè)傳感器，其輸出為多項(xiàng)式：設(shè)有一個(gè)傳感器，其輸出為多項(xiàng)式： 用另一相同的傳感器，但使其輸入量符號(hào)相反（用另一相同的傳感器，但使其輸入量符號(hào)相反（例如位移傳例如位移傳感器使之反向移動(dòng)感器使之反向移動(dòng)），則輸出為：），則輸出為：使二者相減，即使二者相減，即443322101xaxaxaxaay443322102xaxaxaxaay)( 233121xax

29、ayyy目前這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于消除或減小由于結(jié)構(gòu)原因引起目前這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于消除或減小由于結(jié)構(gòu)原因引起的的共模誤差共模誤差（如溫度誤差）上。（如溫度誤差）上。2022-4-1458常用的平均技術(shù)常用的平均技術(shù)：誤差平均效應(yīng)和數(shù)據(jù)平均處理。誤差平均效應(yīng)和數(shù)據(jù)平均處理。誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng)原理原理：利用利用n個(gè)傳感器單元同時(shí)感受被測(cè)量，因而個(gè)傳感器單元同時(shí)感受被測(cè)量，因而其輸出將是這些單輸出的總和?？偟恼`差將減小為：其輸出將是這些單輸出的總和?？偟恼`差將減小為：如果將相同條件下的測(cè)量重復(fù)如果將相同條件下的測(cè)量重復(fù)n次或進(jìn)行次或進(jìn)行n次采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)次采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均處理，隨機(jī)誤差也

30、將減小平均處理，隨機(jī)誤差也將減小 倍。倍。n0n2022-4-1459三、穩(wěn)定性處理提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對(duì)材料、元器件或提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對(duì)材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。如：永磁材料的時(shí)間如：永磁材料的時(shí)間老化老化、溫度老化、機(jī)械老化及、溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。 2022-4-1460四屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽主要針對(duì)電磁干擾；屏蔽主要針對(duì)電磁干擾；對(duì)于一些非電量器件則往往采用相應(yīng)的隔離措施。對(duì)于一些非電量器件則往往采用相應(yīng)的隔離措施。方法有：方法有：A、減小傳

31、感器對(duì)影響因素的靈敏度、減小傳感器對(duì)影響因素的靈敏度B、降低外界因素對(duì)傳感器實(shí)際作用的程度、降低外界因素對(duì)傳感器實(shí)際作用的程度2022-4-1461補(bǔ)償與修正技術(shù)的運(yùn)用大致針對(duì)兩種情況：補(bǔ)償與修正技術(shù)的運(yùn)用大致針對(duì)兩種情況：A、針對(duì)傳感器本身特性、針對(duì)傳感器本身特性B、針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境、針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境2022-4-1462標(biāo)定：在明確輸入輸出變換對(duì)應(yīng)關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)器具有對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)度。校準(zhǔn)：將傳感器在使用中或儲(chǔ)存后，進(jìn)行的性能復(fù)測(cè)。標(biāo)定與校準(zhǔn)的本質(zhì)相同。2022-4-1463主要用于檢驗(yàn)、測(cè)試傳感器（或傳感器系統(tǒng)）的靜態(tài)特性指標(biāo)。如靜態(tài)靈敏度、

32、非線性、滯后、重復(fù)性等。對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)特性的標(biāo)定，首先就是創(chuàng)造一個(gè)靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件。其次是選擇與被標(biāo)定傳感器的精度要求相適應(yīng)的一定精度等級(jí)的標(biāo)定用儀器設(shè)備，然后按一下步驟進(jìn)行標(biāo)定：所謂靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（205），相對(duì)濕度不大于85%RH（Relative Humidity 濕溫相對(duì)度 ）、大氣壓力為（76060）mmhg的情況。2022-4-14641、將傳感器全量程分成若干等間距點(diǎn)；2、根據(jù)傳感器的量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；3、將輸入值由大到小逐點(diǎn)減少下來(lái)，同時(shí)

33、記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值；4、按2、3所述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試，將得到的輸出輸入測(cè)試數(shù)據(jù)列成表格或繪成曲線；5、對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)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、遲滯和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。2022-4-1465對(duì)于一階傳感器只有一個(gè)時(shí)間常數(shù)；對(duì)于二階傳感器則有固有頻率n和阻尼比兩個(gè)參數(shù)。主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)。2022-4-1466傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定常用的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源有兩種：周期性函數(shù)，如正弦波、三角波等；瞬變函數(shù)，如階躍函數(shù)階躍函數(shù)、半正弦波等。2022-4-1467指被同樣的傳感器替換后，能保證誤差不超過(guò)

34、原來(lái)的范圍，而在替換時(shí)并不需要對(duì)其尺寸與各項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)稱(chēng)值進(jìn)行調(diào)整。2022-4-1468材料材料、信息信息和和能源能源這三大資源是現(xiàn)代文明的這三大資源是現(xiàn)代文明的三大支柱三大支柱 。傳感器材料包括傳感器材料包括結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和和敏感材料敏感材料。2022-4-1469結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料：能承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)能承受外加載荷而保持其形狀和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料。定的材料。敏感材料敏感材料（屬（屬功能材料功能材料）：指對(duì)電、光、聲、力、）：指對(duì)電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等場(chǎng)的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯熱、磁、氣體分布等場(chǎng)的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料。改變的功能材料。 2022-

35、4-1470各種傳感器的基礎(chǔ)：各種傳感器的基礎(chǔ)： 首先應(yīng)具有良好的敏感特性。首先應(yīng)具有良好的敏感特性。 其次還應(yīng)具有良好的重復(fù)性和互換性其次還應(yīng)具有良好的重復(fù)性和互換性。2022-4-14716 、特殊特殊功能材料功能材料5、 生物體生物體功能材料功能材料4、 熱熱功能材料功能材料3、 光學(xué)光學(xué)功能材料功能材料2、 磁學(xué)磁學(xué)功能材料功能材料1、 電學(xué)電學(xué)功能材料功能材料2022-4-14721）導(dǎo)電材料）導(dǎo)電材料按導(dǎo)電機(jī)理可分為按導(dǎo)電機(jī)理可分為電子導(dǎo)電材料電子導(dǎo)電材料和和離子導(dǎo)電材料離子導(dǎo)電材料兩大兩大類(lèi)。類(lèi)。導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料2） 絕緣材料絕緣材料介電、鐵電、壓電等介電、鐵電、壓電

36、等陶瓷功能材料陶瓷功能材料等均為絕緣體等均為絕緣體。材料按照其導(dǎo)電性可分為材料按照其導(dǎo)電性可分為導(dǎo)體導(dǎo)體、絕緣體絕緣體和介于二和介于二者之間的者之間的半導(dǎo)體半導(dǎo)體。 2022-4-14733)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料（1）、）、硅硅(Si)是當(dāng)前微電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料。是當(dāng)前微電子技術(shù)的基礎(chǔ)材料。（2）、基于）、基于量子尺度效應(yīng)量子尺度效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)量子隧穿效應(yīng)和和庫(kù)侖阻效庫(kù)侖阻效應(yīng)應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)是一種人工構(gòu)造的新型半導(dǎo)體材料。造的新型半導(dǎo)體材料。（3）、）、熱敏電阻熱敏電阻可分為可分為正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)(PTC)和和負(fù)溫

37、度系負(fù)溫度系數(shù)數(shù)(NTC)兩大類(lèi)兩大類(lèi)。（4）、）、壓敏電阻壓敏電阻：一種對(duì)外加電壓敏感的：一種對(duì)外加電壓敏感的非線性變阻非線性變阻器器。（5）、氣敏和濕敏半導(dǎo)瓷材料）、氣敏和濕敏半導(dǎo)瓷材料當(dāng)體系的尺寸在納米量級(jí)時(shí)的一種物理現(xiàn)象。 一維量子線、零維量子點(diǎn)材料當(dāng)能級(jí)間距足夠大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致納米粒子的光、電、磁、聲、熱、力學(xué)等特性發(fā)生顯著的變化，出現(xiàn)若干奇異性質(zhì)。這就是量子尺度效應(yīng)。 在粒子總能量低于勢(shì)壘的情況下，粒子能穿過(guò)勢(shì)壁甚至穿過(guò)一定寬度的勢(shì)壘而逃逸出來(lái)的現(xiàn)象稱(chēng)為隧道效應(yīng)。該效應(yīng)無(wú)法用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)解釋。 2022-4-1474 人類(lèi)對(duì)磁性材料的最早應(yīng)用是中國(guó)人利用磁石能人類(lèi)對(duì)磁性材料的最早應(yīng)

38、用是中國(guó)人利用磁石能夠指示南北方向的特性，將天然磁石制成的夠指示南北方向的特性，將天然磁石制成的司南司南 。2022-4-14751 1 ）磁性材料）磁性材料磁性材料：常溫下表現(xiàn)為強(qiáng)磁性的磁性材料：常溫下表現(xiàn)為強(qiáng)磁性的亞鐵磁性亞鐵磁性和和鐵鐵磁性磁性材料。材料。2 2 ）有機(jī)磁體）有機(jī)磁體有機(jī)磁性化合物主要可以分為有機(jī)磁性化合物主要可以分為復(fù)合型復(fù)合型和和結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型兩兩大類(lèi)。大類(lèi)。2022-4-1476光功能材料光功能材料：指在外場(chǎng)，如力、聲、熱、電、磁、：指在外場(chǎng)，如力、聲、熱、電、磁、光等場(chǎng)的作用下，其光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變的材料。光等場(chǎng)的作用下，其光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變的材料。主要包括主要包括

39、磁光磁光、聲光聲光、電光電光、壓光壓光及及激光激光材料。材料。2022-4-1477熱功能材料有熱電材料、磁熱材料和高溫材料等。熱功能材料有熱電材料、磁熱材料和高溫材料等。 1）熱電材料：一種將熱能和電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能材料）熱電材料：一種將熱能和電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能材料 。2 ）磁熱材料）磁熱材料磁熱作用：磁性材料在交變的磁場(chǎng)下溫度變化的一種物理現(xiàn)磁熱作用：磁性材料在交變的磁場(chǎng)下溫度變化的一種物理現(xiàn)象。象。3） 高溫材料高溫材料 耐火材料：指耐火度大于耐火材料：指耐火度大于1580的無(wú)機(jī)非金屬材料。的無(wú)機(jī)非金屬材料。2022-4-14781）生物材料必須具備以下幾方面條件：）生物材料必須具備以下

40、幾方面條件：第一：生物相容性。第一：生物相容性。 第二：生物適應(yīng)性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。第二：生物適應(yīng)性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。 第三：良好的物理性能，具有一定強(qiáng)度和較輕重量。第三：良好的物理性能，具有一定強(qiáng)度和較輕重量。2 ）仿生材料）仿生材料 最早開(kāi)始研究并取得成功的仿生材料之一是模仿天然纖維和人皮膚的接最早開(kāi)始研究并取得成功的仿生材料之一是模仿天然纖維和人皮膚的接觸感而制造的人造纖維。觸感而制造的人造纖維。 蜘蛛蜘蛛 “黑寡婦黑寡婦” 植物植物：西瓜西瓜、含羞草含羞草 2022-4-1479正在發(fā)展中的具有特殊性能或特殊用途的一類(lèi)功能正在發(fā)展中的具有特殊性能或特殊用途的一類(lèi)功能材料。材料。 1） 復(fù)合功能材料復(fù)合功能材料 2） 納米材料納米材料3） 隱身材料隱身材料4） 機(jī)敏機(jī)敏/智能材料智能材料2022-4-1480目前發(fā)展的方向是人為地將目前發(fā)展的方向是人為地將傳感器傳感器、信息傳遞信息傳遞與與執(zhí)行器執(zhí)行器嵌入材料中。嵌入材料中。 2022-4-1481頭發(fā)與頭發(fā)與MEMS 注：人頭發(fā)的直徑大約是注：人頭發(fā)的直徑大約是7080m 2022-4-1