傳感器理論基礎(chǔ)改

傳感器理論基礎(chǔ)改第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.1.1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。第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日包含的概念：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輸出與輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日圖3-1傳感器的組成傳感器的組成和分類組成敏感元件：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)換成電量輸出第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日12435圖3－2應(yīng)變式加速度傳感器1－應(yīng)變梁2－質(zhì)量塊3－應(yīng)變片4－殼體TT0AB3.1傳感器的組成和分類圖3-3熱電偶第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日分類按被測參數(shù)分：溫度、壓力、位移、速度等按工作原理分：應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等按傳感器的能源分類:有源傳感器和無源傳感器第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.2傳感器的基本特性在生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中,要對各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測和控制,就要求傳感器能感受被測非電量的變化并不失真地變換成相應(yīng)的電量——基本特性傳感器的基本特性通常分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性，亦即輸出對輸入變化的動態(tài)跟隨能力。第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.3傳感器的一般特性3.3.1靜態(tài)特性傳感器靜態(tài)輸入、輸出關(guān)系一般可表示為：第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.3傳感器的一般特性3.3.1靜態(tài)特性1.靈敏度2.線性度3.遲滯4.重復(fù)性5.漂移第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.靈敏度靈敏度——單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化。第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.線性度(Line)(1)線性度是指？（輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度）(2)關(guān)于擬合:(3)數(shù)學(xué)表達(dá)式其中為最大非線性絕對誤差；為滿量程輸出直線擬合線性化非線性誤差或線性度輸出量輸入量零點輸出理論靈敏度非線性項系數(shù)第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日圖3-5幾種直線擬合方法

(a)理論擬合；(b)過零旋轉(zhuǎn)擬合；(c)端點連線擬合；(d)端點平移擬合

第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.遲滯(Hold)遲滯——傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。數(shù)學(xué)表達(dá)式其中為最大遲滯誤差產(chǎn)生的原因？（傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷）第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日圖3-6遲滯特性3.遲滯(Hold)第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日4.重復(fù)性(Repeat)重復(fù)性——傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。數(shù)學(xué)表達(dá)式其中為最大重復(fù)性偏差圖3-7重復(fù)特性第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日5.漂移傳感器的漂移——輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化。產(chǎn)生的原因？（傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；周圍環(huán)境）溫度漂移其中為測試溫度下的輸出；為20℃時的輸出；，h的單位是小時。第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日零點漂移

傳感器在無輸入時，經(jīng)長時間后其輸出量發(fā)生的變化，長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移零漂＝式中ΔY0——最大零點偏差；YFS——滿量程輸出。第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日課堂練習(xí)(例3-1)

有一位移測量系統(tǒng)，對位移在0～5mm的范圍進(jìn)行了兩個循環(huán)的測量，測量數(shù)據(jù)如下：以輸出的平均值求端點連線擬合直線，問靈敏度和線性度、遲滯、重復(fù)性誤差各是多少？（mm）012345(mV)0510152025上行程049142025下行程0510162125上行程0510151925下行程051116202504.751015.252025第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日解:擬合直線由(0，0)和(5，25)兩個端點確定,直線方程為y=5x比較線性化后的(xi，yi)各點對應(yīng)的輸出與實際測得的輸出，最大線性度誤差為ΔLmax=ΔL1=ΔL2=…=1mV則線性誤差為靈敏度為課堂練習(xí)(例3-1)

第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日最大遲滯誤差發(fā)生在第一循環(huán)測量xi=3mm處，為ΔHmax=ΔH3=2mV則遲滯誤差為對比上行程之間、下行程之間各點的輸出偏差，最大重復(fù)性誤差ΔRmax=1mV則重復(fù)性誤差為課堂練習(xí)(例3-1)第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應(yīng)特性。例：動態(tài)測溫6第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日---相當(dāng)于一個勻速加載過程統(tǒng)計意義---概率分布、均值與方差等表示典型動態(tài)輸入信號③正弦信號A---振幅（常數(shù)）①階躍信號②斜坡信號載荷由A0瞬時加載到A并維持在這個水平④隨機(jī)信號＝2f

---角頻率第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日傳感器基本動態(tài)特性方程傳感器的動態(tài)特性一般用下述微分方程來描述：零階系統(tǒng)（又稱比例系統(tǒng)）

完全跟蹤，無滯后一階系統(tǒng)（又稱慣性系統(tǒng)）二階系統(tǒng)幾個重要參數(shù)

第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日動態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說，我們在研究傳感器動特性時，通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來考察傳感器的響應(yīng)的。瞬態(tài)響應(yīng)特性——用得較多的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和脈沖信號頻域響應(yīng)特性——輸入為正弦信號第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.瞬態(tài)響應(yīng)特性（1）一階傳感器的單位階躍響應(yīng)對于一個階躍輸入：得一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號傳感器存在慣性，值是一階傳感器重要的性能參數(shù)一階傳感器單位階躍響應(yīng)第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.瞬態(tài)響應(yīng)特性（2）二階傳感器的單位階躍響應(yīng)

過阻尼、欠阻尼、臨界阻尼二階傳感器對階躍信號的響應(yīng)曲線在很大程度上取決于阻尼比ξ和固有角頻率ωn圖3-10二階傳感器單位階躍響應(yīng)第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日1.瞬態(tài)響應(yīng)特性（2）①當(dāng)ξ=0時，響應(yīng)是一個等幅振蕩過程,稱為無阻尼狀態(tài)；②當(dāng)ξ>1時,響應(yīng)是一個不振蕩的衰減過程,稱為過阻尼狀態(tài)；③當(dāng)ξ=1時，響應(yīng)也是一個不振蕩的衰減過程,但是一個由不振蕩衰減到振蕩衰減的臨界過程,故又稱為臨界阻尼狀態(tài)；④當(dāng)0<ξ<1時，響應(yīng)是一個衰減振蕩過程,又稱為欠阻尼狀態(tài)圖3-10二階傳感器單位階躍響應(yīng)第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日2.傳感器的時域動態(tài)性能指標(biāo)(1)時間常數(shù)τ——τ越小，響應(yīng)速度越快。(2)延遲時間td——傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時間。(3)上升時間tr——傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。(4)超調(diào)量σ——傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。(5)超調(diào)時間tp——傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值達(dá)到最大值的時間。第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日圖3-11動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)(a)一階傳感器；(b)二階傳感器第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性——傳感器對不同頻率成分的正弦輸入信號的響應(yīng)特性一階傳感器的頻率響應(yīng)幅頻特性：相頻特性：值是一階傳感器頻率響應(yīng)的重要性能參數(shù)第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日圖3-12一階傳感器的幅頻和相頻響應(yīng)曲線3.頻率響應(yīng)特性第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日3.頻率響應(yīng)特性二階傳感器的頻率響應(yīng)幅頻特性其中ωn是傳感器的固有頻率，ω是被測信號頻率相頻特性第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日二階傳感器的頻率響應(yīng)特性好壞主要取決于傳感器的固有頻率ωn和阻尼比ξ。當(dāng)ξ<1,ωn?ω時,A(ω)≈1,Φ(ω)很小,此時,傳感器的輸出y(t)再現(xiàn)了輸入x(t)的波形。通常固有頻率ωn至少應(yīng)大于被測信號頻率ω的3～5倍,即ωn≥（3～5）ω。圖3-13二階傳感器的幅頻和相頻響應(yīng)曲線第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)(1)通頻帶ω0.707——指傳感器在對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減小于3dB時所對應(yīng)的頻率范圍,即輸出幅頻響應(yīng)的幅值降至?xí)r的頻帶寬。(2)工作頻帶ω0.95/ω0.90——指傳感器的幅值誤差為±5%(或±10%)時的工作頻率帶寬，即輸出幅頻響應(yīng)的幅值保持在一定值內(nèi)的頻率范圍。第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)(3)時間常數(shù)τ(4)固有頻率ωn(5)相位誤差(6)跟隨角Φ0.707第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日例3-2有一個溫度傳感器，其響應(yīng)曲線如圖3-14所示，被測介質(zhì)溫度T1與傳感器示值溫度T2之間的關(guān)系為其中，τ0=120s。當(dāng)介質(zhì)溫度從25℃突升至300℃時，試確定從溫度突變時候起，350s后傳感器的示值溫度。4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日圖3-14溫度傳感器的響應(yīng)曲線4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日解：傳感器在題意狀態(tài)是一種階躍響應(yīng)。傳感器為一階，其動態(tài)響應(yīng)過程為溫度突變幅值為t=350s時的輸出為4.頻率響應(yīng)特性指標(biāo)第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日定義：是指利用較高等級的標(biāo)準(zhǔn)器具(或儀器、儀表)對傳感器的特性進(jìn)行刻度標(biāo)定，或者說通過試驗建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時，通過標(biāo)定也可確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。意義：(1)在投入使用前應(yīng)對其進(jìn)行標(biāo)定，以確定輸入/輸出的對應(yīng)關(guān)系及相關(guān)的誤差等性能指標(biāo)。(2)在使用過程中定期進(jìn)行檢查，以判斷其性能參數(shù)是否偏離初始標(biāo)定的性能指標(biāo)，確定是否需要重新標(biāo)定或停止使用。分類：靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定5.傳感器的標(biāo)定

第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日6.傳感器靜態(tài)特性標(biāo)定

傳感器靜態(tài)標(biāo)定的過程如下：1.將傳感器全量程標(biāo)準(zhǔn)輸入量分成若干個間斷點，取各點的值作為標(biāo)準(zhǔn)輸入值。2.由小到大一點一點地輸入標(biāo)準(zhǔn)值，待輸出穩(wěn)定后記錄與各輸入值相對應(yīng)的輸出值。3.由大到小一點一點地輸入標(biāo)準(zhǔn)值，待輸出穩(wěn)定后記錄與各輸入值相對應(yīng)的輸出值。4.按步驟2和3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，將所得輸入和輸出數(shù)據(jù)用表格列出或畫出曲線。5.對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析和處理，以確定該傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)。第四十頁，共四十三頁，2022年，8月28日例如，S型拉力傳感器因其具有較高的可靠性和較低的成本，通常用于標(biāo)準(zhǔn)稱重，如平臺秤、料斗稱重系