機電一體化技術與應用 課件 第4章 機電一體化系統檢測技術 （1-4節(jié)）

第4章機電一體化檢測技術4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調理4.8數字濾波技術4.9傳感器非線性補償處理2024/10/9-1-4.1概述2024/10/9-2-4.1.1檢測技術的基本概念4.1.2檢測系統的組成4.1.3傳感器的概念和定義4.1.4傳感器的分類4.1.1檢測技術的基本概念2024/10/9-3-含義檢測技術是指利用一定的測量手段和檢測裝置，對物質或物體的某些特征進行分析、判斷、測試和監(jiān)測的技術。隨著現代科技的發(fā)展和工業(yè)化進程的推進，檢測技術在各個領域都有廣泛的應用，如工業(yè)制造、航空航天、醫(yī)療保健、環(huán)保安全、農業(yè)生產等。作用與應用4.1.1檢測技術的基本概念2024/10/9-4-檢測技術的作用（1）保證產品質量：在制造過程中，對產品的各項參數進行檢測和監(jiān)控。（2）提高生產效率：通過檢測技術，可以實現自動化和智能化生產。（3）保障人民健康：檢測技術可以對食品、藥品、化妝品等進行質量檢測，保障人民健康和生命安全。（4）農業(yè)生產與環(huán)境保護：檢測技術可以對大氣、水質、土壤等環(huán)境因素進行監(jiān)測和檢測，及時發(fā)現和解決環(huán)境問題，保護生態(tài)環(huán)境和人民健康。4.1.2檢測系統的組成2024/10/9-5-含義與組成

檢測系統是一種利用檢測技術和相關設備、軟件等組成的系統，可以對某種物理量、化學量以及生物量等進行測量和分析，從而得到對應檢測量的相關信息，以便掌握或控制工業(yè)生產、實驗室研究、環(huán)境監(jiān)測等領域的過程和結果。

一個完整的檢測系統通常由傳感器、信號處理電路、數據采集模塊、控制器以及輸出設備組成，如下圖所示。4.1.2檢測系統的組成2024/10/9-6-

傳感器是檢測系統的第一個組成部分，它的主要作用是檢測物理量（如溫度、濕度、壓力、光照等）并轉換為電信號。

信號處理電路主要用于對傳感器輸出的電信號進行放大、濾波和數字化處理。

數據采集模塊用于負責采集信號處理電路輸出的數字信號,并將其存儲到計算機中，數據采集模塊通常包括A/D轉換器（模擬數字轉換器）和數據存儲器等部件。

控制器主要作用是對整個系統進行控制和協調。通過程序命令或手動操作控制各組成部分的工作狀態(tài)，同時根據預設的算法對采集到的數據進行處理和分析。

輸出設備是檢測系統的最后一個組成部分，它的主要作用是將處理后的數據呈現給用戶或輸出到其他設備上，可以是顯示屏、打印機、數據存儲介質等。4.1.3傳感器的概念和定義2024/10/9-7-傳感器是一種能夠將非電學量（例如溫度、壓力、流量、質量等）轉化為電學信號的裝置，通常由敏感元件、信號處理電路和輸出電路三部分組成，如圖所示。敏感元件是它最核心的部分，是將感受到的非電物理量轉換成電信號的裝置。常用的敏感元件有電阻、電容、電感、半導體、光電元件等。信號處理電路負責將感受元件產生的微小電信號放大、濾波和處理，以便更好地提取出被測量的信號。輸出電路則負責將處理后的信號轉換成用戶能夠讀取的形式，例如模擬電壓（電流）信號、數字信號、脈沖信號等。4.1.3傳感器的概念和定義2024/10/9-8-根據GB/T7665-2005《傳感器通用術語》傳感器的定義

能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器作用

將需要檢測的物理量轉換為電信號，再經過放大、濾波、調理等處理后，輸出給測量儀表或自動控制系統進行處理、顯示、記錄、控制等。4.1.4傳感器的分類2024/10/9-9-（1）按傳感器的輸入量進行分類

如溫敏傳感器、光敏傳感器、力敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器等。（2）按輸出量形式進行分類分為模擬傳感器和數字傳感器兩類。模擬傳感器：傳感器的輸出電信號為連續(xù)形式的模擬量

數字傳感器：傳感器的輸出電信號為離散形式的數字量（3）按工作原理進行分類

如電參式傳感器、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、熱電式傳感器等。4.1.4傳感器的分類2024/10/9-10-（4）按傳感器的基本效應進行分類

分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。

①物理傳感器：依靠傳感器的敏感元件材料本身的物理特性變化或轉換元件的結構參數變化來實現信號的變換。按其構成可細分為物性型傳感器和結構型傳感器。

②化學傳感器：依靠傳感器的敏感元件材料本身的電化學反應來實現信號的變換。③生物傳感器：利用生物活性物質選擇性的識別來實現對生物化學物質的測量。4.1.4傳感器的分類2024/10/9-11-（5）按傳感器的能量關系進行分類分為能量變換型傳感器和能量控制型傳感器。能量變換型傳感器又稱發(fā)電型或有源型傳感器，其輸出的能量是被測對象提供的，或是經轉換而來的。能量控制型傳感器又稱為參量型或無源型傳感器。這類傳感器的輸出電能量必須由外加電源供給。（6）按傳感器所蘊含的技術特征進行分類按所蘊含的技術特征，可簡單分為普通傳感器和新型傳感器兩類。第4章機電一體化檢測技術4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調理4.8數字濾波技術4.9傳感器非線性補償處理2024/10/9-12-4.2傳感器測量誤差2024/10/9-13-4.2.1有關測量技術的部分名詞4.2.2測量誤差的概念4.2.3測量誤差的分類4.2.4傳感器的誤差表示方法4.2.5測量不確定度4.2.1有關測量技術的部分名詞（1）等精度測量：在同一條件下所進行的一系列重復測量稱為等精度測量。（2）非等精度測量：在多次測量中，對測量結果精確度有影響的一切條件不能完全維持不變的測量稱為非等精度測量。

（3）真值：被測量本身所具有的真正值稱為真值。（4）實際值：對于精密測量，當測量次數無限多時，測量結果的算術平均值接近于真值，因而可將它視為被測量的真值。它并非是真正的真值。（5）標稱值：測量器具上所標出來的數值稱為標稱值。（6）示值：由測量器具讀數裝置所指示出來的被測量的數值稱為示值。（7）測量誤差：用測量器具進行測量時，所測量出來的數值與被測量的實際值（或真值）之間的差值稱為測量誤差。2024/10/9-14-4.2.2測量誤差的概念含義

測量誤差是指檢測結果與被測量的客觀真值的差值。

誤差因素（1）儀器誤差：儀器誤差是由于測量儀器的固有特性或自有公差而引起的誤差，不同的儀器有不同的誤差特性。需考慮其誤差范圍和對測量結果的影響。（2）環(huán)境誤差：環(huán)境條件對測量結果產生一定的影響。如濕度、溫度等。需要在測量過程中進行環(huán)境控制或進行環(huán)境校正。（3）人為誤差：人的主觀判斷、操作技巧、視覺感知等因素都可能導致測量結果的偏差。需要進行培訓和規(guī)范操作，以減小人為誤差的影響。2024/10/9-15-4.2.3測量誤差的分類2024/10/9-16-系統誤差隨機誤差粗大誤差一定的測量條件下，由于傳感器本身的制造和設計原因，導致所測量的結果偏離真實值的程度相對恒定，也稱為系統偏差。對某一物理量進行多次重復測量時，誤差出現的大小和符號均以不可預知的方式變化。與其他觀測值相比較，明顯地偏離真實值或者其他測量結果的異常值。4.2.3測量誤差的分類2024/10/9-17-1.系統誤差傳感器輸出值相對于被測量物理量變化的敏感程度與理論值之間的偏差，通常表示為百分比,也被稱為靈敏度誤差。常量誤差比例誤差非線性誤差當被測量的物理量為零時，傳感器輸出測量值與零點不一致的偏差，也被稱為偏移誤差或者零點誤差。傳感器的實際輸入輸出特征曲線同理想輸入輸出特征直線之間的偏離量。一定的測量條件下，由于傳感器本身的制造和設計原因，導致所測量的結果偏離真實值的程度相對恒定，也稱為系統偏差。4.2.3測量誤差的分類2024/10/9-18-2.

隨機誤差對稱性有界性單峰性抵償性絕對值相等、符號相反的誤差在多次重復測量中出現幾率相等對某一物理量進行多次重復測量時，誤差出現的大小和符號均以不可預知的方式變化。隨機誤差的算術平均值隨測量次數的增加而趨于零絕對值小的隨機誤差比絕對值大的隨機誤差在多次重復測量中出現的機會多在一定測量條件下，隨機誤差的絕對值不會超出某一限度隨機誤差的變化通常難以預測,但多次測量可發(fā)現其通常服從統計規(guī)律。4.2.3測量誤差的分類2024/10/9-19-3.粗大誤差與其他觀測值相比較，明顯地偏離真實值或者其他測量結果的異常值。人為錯誤儀器故障不恰當的環(huán)境條件數據處理錯誤原因4.2.4傳感器的誤差表示方法2024/10/9-20-1.絕對誤差傳感器及其對應檢測系統的測量值（即示值）與被測量的真值之間的代數差值。

被測量真值測量值或者示值絕對誤差：4.2.4傳感器的誤差表示方法2024/10/9-21-X0=X–Δx=X+C當絕對誤差為一恒定值，即為檢測系統的“系統誤差”時，應對檢測儀表示值加以修正。被測量的實際值：修正值或校正量C=-Δx=X0-X1.絕對誤差傳感器及其對應檢測系統的測量值（即示值）與被測量的真值之間的代數差值。4.2.4傳感器的誤差表示方法2024/10/9-22-2.相對誤差

傳感器及其對應檢測系統的測量值（即示值）的絕對誤差Δx與被測量的真值X0之間的比值（%）。

相對誤差：一般來說相對誤差越小，其測量精度就越高。任一確定精度等級的檢測儀表測量一個靠近測量范圍下限的較小數值，計算得到的相對誤差通常比測量接近上限的較小數值得到的相對誤差大得多。4.2.4傳感器的誤差表示方法2024/10/9-23-3.引用誤差

檢測系統的測量值的絕對誤差Δx與系統量程L之比（%）

引用誤差：當測量值為系統測量范圍的不同數值時，各示值的絕對誤差Δx也可能不同，因此，即使是同一檢測系統，其測量范圍內的不同示值處的引用誤差也不一定相同。4.2.4傳感器的誤差表示方法2024/10/9-24-4.最大引用誤差

在規(guī)定的工作條件下，當被測量平穩(wěn)增加或減少時，在檢測系統全量程所有測量值引用誤差的最大值

最大引用誤差：最大引用誤差是檢測系統基本誤差的主要形式，故也常稱為檢測系統的基本誤差，其是檢測系統最主要的質量指標，能很好地表征檢測系統的測量精度。4.2.5測量不確定度2024/10/9-25-測量不確定度是指測量結果與被測量物理量的真實值之間的差異或偏差的范圍，也是評定測量結果質量的一個重要指標。標準不確定度u合成不確定度uc擴展不確定度U或Up測量不確定度

4.2.5測量不確定度2024/10/9-26-測量不確定度與誤差以真值或約定真值為中心，難以定量。按自身特征和性質分類以被測量的估計值為中心，可以定量評定。按評定方法分類測量不確定度誤差誤差是不確定度的基礎，只有對誤差的性質、分布規(guī)律、互相聯系及對測量結果的誤差傳遞關系等有充分認識和了解，才能更好地估計各不確定度分量，正確地得到測量結果的不確定度。4.2.5測量不確定度2024/10/9-27-確定度的定義與評定（1）標準不確定度u：以標準偏差表示的不確定度測量結果通常由多個測量數據子樣組成，對表示各個測量數據子樣不確定度的偏差，稱為標準不確定度分量，用ui表述。①用統計方法得到的不確定度為A類標準不確定度，用符號uA表示。②用非統計方法得到的不確定度為B類標準不確定度，即根據資料或假定的概率分布的標準偏差表示的不確定度，用符號uB表示。4.2.5測量不確定度2024/10/9-28-（2）A類標準不確定度的評定方法在同一條件下，對被測參量X進行n次等精度測量，測量值為Xi(i=1,2,…,n)。則有該樣本的算數平均值為：

確定度的定義與評定4.2.5測量不確定度2024/10/9-29-（2）A類標準不確定度的評定方法進而可得算數平均值標準偏差為

確定度的定義與評定4.2.5測量不確定度2024/10/9-30-

確定度的定義與評定4.2.5測量不確定度2024/10/9-31-合成標準不確定度的定義與評定（1）定義由各不確定分量合成的標準不確定度，稱為合成標準不確定度。當間接測量時，即測量結果是由若干其他量求得的情況下，測量結果的標準不確定度等于其他各量的方差和協方差相應和的二次方根，使用符號uc表示。4.2.5測量不確定度2024/10/9-32-合成標準不確定度的定義與評定（2）評定方法設測量模型方程為Y=f(X1+X2+…+Xn)，該方程為一個多變量函數。若每個自變量彼此獨立且互不相關，則式中，uc(Y)為不確定度傳播率。合成標準不確定度仍是標準差，表示測量結果的分散性。

4.2.5測量不確定度2024/10/9-33-擴展不確定度U或Up的定義與評定（1）定義擴展不確定度是確定測量區(qū)間的量，合理賦予被測量之值的分布，大部分可包含在此區(qū)間內。（2）評定方法乘以給定包含因子k的評定U=kuc(Y)乘以給定概率p的包含因子kp的評定Up=kpuc(Y)4.2.5測量不確定度2024/10/9-34-測量結果與測量不確定度的表示測量結果是由測量所得到的賦予被測量的值，測量結果僅是被測量的估計值。在等精度測量的情況下得到一組測量值，首先修正系統誤差，然后計算出算術平均值X，如果測量儀器的檢定證書上提供了修正值b，則完整的測量結果應該為算術平均值經過修正后的值，即X+b。第4章機電一體化檢測技術4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調理4.8數字濾波技術4.9傳感器非線性補償處理2024/10/9-35-4.3傳感器一般特性引言：傳感器的輸入?輸出特性反映了傳感器本身內部結構參數導致的傳感器輸入量同輸出量之間的外部特征表現。

通常情況下傳感器的特性可以按照輸入信號的性質進行劃分，根據被測輸入量隨時間的變化關系的不同，傳感器的一般特性可以劃分為靜態(tài)特性以及動態(tài)特性。2024/10/9-36-4.3傳感器一般特性2024/10/9-37-4.3.1傳感器靜態(tài)特性4.3.2傳感器動態(tài)特性4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-38-含義：傳感器靜態(tài)特性是指傳感器的被測量為穩(wěn)定狀態(tài)的常量或者隨時間變化極其緩慢的信號時，傳感器的輸入與輸出之間的關系。傳感器靜態(tài)特性包括線性度、精度、靈敏度等。4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-39-1.線性度傳感器的線性度是指傳感器輸出信號與輸入信號之間的線性關系程度。在實際應用中，由于制造工藝等原因，傳感器的輸出信號與輸入信號之間存在一定的非線性關系，即存在非線性誤差。4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-40-典型的傳感器的靜態(tài)輸入?輸出關系可用多項式進行描述：Ｘ為輸入被測量；Ｙ為輸出量；

a0為Ｘ為

0時的輸出量（零位輸出）；

a1為線性項的待定系數（線性靈敏度）；a2，a3，…，an為非線性項的待定系數；

4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-41-輸入?輸出特性曲線非線性階次不高且輸入量變化范圍不大的條件下，傳感器的靜態(tài)標定曲線可以使用一條直線進行替代，該方法被稱為傳感器非線性特性的線性化。非線性誤差由傳感器全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的偏差來表示：

4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-42-2.精度傳感器的精度是指傳感器測量輸出結果與被測量真實值之間偏差的度量。傳感器的精度指標一般由精密度以及準確度衡量。（1）精密度表示在多次重復測量中，傳感器自由度隨機誤差的程度，即傳感器測量結果的分散性。精密度反映了隨機誤差的大小。（2）準確度表示傳感器的輸出測量結果與真實值之間接近程度。準確度反映了傳感器系統誤差的大小。4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-43-傳感器的精度是精密度與準確度共同作用的結果，其反映了系統誤差與隨機誤差對于傳感器檢測結果的影響程度。精密度低，準確度高精密度高，準確度低精密度高，準確度高

為了表示傳感器測量結果可靠的程度，常使用精確度等級（0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、1.0、1.5、2.5、4）用于衡量傳感器的精度標準。A為傳感器的精確度等級ΔA為傳感器測量范圍內允許的最大絕對誤差YFS為滿量程輸出

4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-44-靈敏度是指在穩(wěn)態(tài)條件下，輸出變化量與引起對應變化的輸入變化量的比率。靈敏度用于表征傳感器對于輸入量變化的反應能力：K為計算靈敏度；X為輸入量；Y為對應輸出量。線性傳感器非線性傳感器3.靈敏度如果傳感器的輸出同輸入之間呈線性關系，則靈敏度K為一個常數；否則，靈敏度K為一變量且隨著輸入量的變化而變化。

4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-45-遲滯又稱為傳感器的回程誤差，是指傳感器在正（輸入量由小到大）、反（輸入量由大到?。┬谐唐陂g，其輸入?輸出特性曲線不一致的程度。遲滯的大小一般通過實驗方法進行測定：γH為計算遲滯；ΔHmax為正反行程輸出量最大差值；YFS

為滿量程輸出。4.遲滯遲滯特性曲線

4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-46-分辨率是指傳感器能夠區(qū)分并測量的最小變化量。傳感器分辨率的表示通常有絕對單位表示以及相對單位表示兩種形式，當使用相對單位時，分辨率表示為絕對分辨率所占傳感器滿量程的百分比，即：ΔXmax為傳感器的絕對分辨率；YFS

為滿量程輸出。5.分辨率傳感器的分辨率不同于精度，精度是指傳感器的輸出值與實際值之間的偏差程度，而分辨率則是指傳感器能夠區(qū)分的最小變化量。因此，即使傳感器具有很高的分辨率，但其精度不高，仍然會導致測量誤差和不準確的結果。

4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-47-傳感器能夠針對目標量進行可靠測量的最大和最小值之間的范圍?；趥鞲衅靼踩褂玫囊?，應當考慮傳感器的過載能力，在選擇傳感器的測量范圍時，需要留出一定的安全余地。6.測量范圍7.死區(qū)也稱為盲區(qū)，是指在傳感器輸入量變化的某個范圍內，傳感器無法檢測到這種變化的區(qū)域或者輸出信號在一定的輸入范圍內沒有任何變化的區(qū)域。4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-48-溫度穩(wěn)定性是指傳感器輸出值在一定溫度范圍內的穩(wěn)定性能，即傳感器輸出值隨溫度變化的程度，又被稱為傳感器的溫度漂移。8.溫度穩(wěn)定性（溫度漂移）溫度穩(wěn)定性通常由傳感器的溫度系數表示：

αT為計算溫度系數；Y1、Y2

分別為溫度

T1

、T2時的傳感器輸出值；YFS

為滿量程輸出；ΔT=T2-T1

。傳感器的溫度穩(wěn)定性與傳感器的結構、材料、工藝、電路設計等因素有關。4.3.1傳感器靜態(tài)特性2024/10/9-49-零點漂移是指傳感器輸出信號在零點上發(fā)生的偏移，即傳感器在無物理量輸入時輸出的值發(fā)生的變化。9.零點漂移偏移量不穩(wěn)定，并且隨著時間的推移而逐漸增加。

α0

為計算偏移量；ΔY0為最大零點偏差；YFS

為滿量程輸出。零點漂移引起原因溫度變化環(huán)境影響機械變形電子元件老化4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-50-含義傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。1.傳感器的數學模型理想情況下，傳感器輸出隨時間變化的規(guī)律（輸出變化曲線），將能再現輸入隨時間變化的規(guī)律（輸入變化曲線），即輸出輸入具有相同的時間函數。實際上，由于傳感器中彈性元件、慣性元件、阻尼元件的影響使輸出

Y(t)不僅與輸入

X(t)相關，還與輸入量的變化速度

dX(t)/dt和加速度

d2X(t)/dt2相關，導致的輸入與輸出間存在的差異被稱為動態(tài)誤差。4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-51-多數的傳感器檢測系統屬于線性時不變系統，動態(tài)特性數學模型可以使用常系數線性微分方程表示：

易于分清暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)響應求解困難疊加性頻率保持性

線性定常系統4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-52-疊加性頻率保持性當一個系統有

N個激勵同時作用時，那么它的響應就等于這

N個激勵單獨作用的響應之和，即各個輸入量引起的系統輸出是互不影響的。當線性系統的輸入信號為某一頻率的簡諧信號（正弦或余弦）時，則系統的穩(wěn)定狀態(tài)響應也為同一頻率的簡諧信號，但其幅值和初始相位可能發(fā)生變化?？梢詫⒁粋€復雜的激勵信號分解成若干個簡單的激勵信號。分析具有復雜輸入傳感器的動態(tài)特性更加方便。傳感器系統線性化4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-53-傳感器輸入與輸出關系一般可以使用零階、一階或二階微分方程來描述?；诖?，可以將傳感器分為零階傳感器、一階傳感器和二階傳感器。（1）零階傳感器的數學模型：

K為靜態(tài)靈敏度；動態(tài)數學模型系數除a0和

b0外均為零。零階系統具有理想的動態(tài)特性，無論被測量X(t)如何隨時間變化，零階系統的輸出都不會失真，其輸出在時間上也無任何滯后，零階系統又稱為比例系統。4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-54-（2）一階傳感器的數學模型動態(tài)數學模型系數只有a0、a1、

b0：

時間常數靜態(tài)靈敏度4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-55-（2）一階傳感器的數學模型

傳遞函數：

頻率特性：幅頻特性：相頻特性：

φ(ω)

=arctan(ωτ)?

4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-56-（3）二階傳感器的數學模型動態(tài)數學模型系數只有a0、a1、a2、

b0：

時間常數靜態(tài)靈敏度

阻尼比

自振角頻率4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-57-（3）二階傳感器的數學模型

傳遞函數：頻率特性：幅頻特性：相頻特性：

二階系統二階慣性系統兩個負實根二階振蕩系統一對帶負實部的共軛復根4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-58-2.傳感器的動態(tài)響應特性同一個傳感器在不同形式的輸入信號作用下，輸出量的變化不同，通常選用幾種典型的輸入信號作為標準輸入信號，用于研究傳感器的響應特性。瞬態(tài)響應是關于時間的響應。在研究傳感器的動態(tài)特性時，有時需要從時域中對傳感器的輸入?輸出響應和過渡過程進行分析，這種方法稱為時域分析法。在時域內研究傳感器的動態(tài)特性時，常用的激勵信號有階躍函數、脈沖函數和斜坡函數等。此時，傳感器對所加激勵信號的響應稱為瞬態(tài)響應。（1）瞬態(tài)響應特性4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-59-階躍輸入信號對于傳感器來說是最嚴峻的工作狀態(tài)，下面以單位階躍響應評價傳感器的動態(tài)性能。

由于在線性傳感器中靈敏度

K為常數，設K=1，此時傳感器的傳遞函數為：1）一階傳感器的單位階躍響應

4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-60-對初始狀態(tài)為零的傳感器而言，若輸入信號為單位階躍信號，即：

拉普拉斯變換

單位階躍響應

拉普拉斯反變換

4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-61-一階傳感器的單位階躍響應：

一階傳感器的單位階躍響應曲線

傳感器存在慣性，輸出的初始上升斜率為1/τ，若傳感器保持初始響應速度不變，則在τ時刻輸出將達到穩(wěn)態(tài)值。但實際的響應速率隨時間的增加而減慢。通?？梢哉J為t=(3~4)τ時系統達到穩(wěn)態(tài)。所以，當一階傳感器的時間常數

τ越小，響應曲線越接近于輸入階躍曲線，即動態(tài)誤差越小。4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-62-

設K=1，二階傳感器的傳遞函數為：2）二階傳感器的單位階躍響應

4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-63-二階傳感器的單位階躍響應拉普拉斯變換：

二階傳感器對階躍信號的響應在很大程度上取決于其阻尼比

ξ和自然頻率

ωn。自然頻率

ωn由傳感器主要結構參數所決定，ωn越高，傳感器的響應越快。當

ωn為常數時，傳感器的響應取決于阻尼比

ξ。4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-64-二階傳感器單位階躍響應曲線ξ

=0：為臨界阻尼，超調量為100%，產生等幅振蕩，達不到穩(wěn)態(tài)。ξ

>1：為過阻尼，無超調也無振蕩，但達到穩(wěn)態(tài)所需時間較長。二階傳感器的單位階躍響應拉普拉斯變換：

阻尼比

ξ

直接影響超調量和振蕩次數！4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-65-二階傳感器的單位階躍響應拉普拉斯變換：

二階傳感器單位階躍響應曲線阻尼比

ξ

直接影響超調量和振蕩次數！ξ

<1：為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨阻尼比的減小而加長。ξ=1：響應時間最短。

實際使用中為了兼顧短上升時間和小超調量，一般傳感器都設計成欠阻尼式，阻尼比一般被設定為

0.7~0.8。4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-66-時間常數

τ

是描述一階傳感器動態(tài)特性的重要參數，τ

越小，響應速度越快。3）瞬態(tài)響應特性指標二階傳感器（ξ

<1）時域動態(tài)特性上升時間

tr

：輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時間。響應時間

ts

：系統從階躍輸入開始到輸出值進入穩(wěn)態(tài)值規(guī)定的范圍內所需的時間。峰值時間

tp

：階躍響應曲線達到第一個峰值所需的時間。超調量

σ：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值ΔA，常用相對于穩(wěn)態(tài)值的百分比σ表示。4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-67-傳感器的頻率響應特性是傳感器對不同頻率成分的正弦輸入信號的響應特性。線性時不變系統具有頻率保持性，一個傳感器輸入端有正弦信號作用時，其輸出響應仍然是同頻率的正弦信號，只是與輸入端正弦信號的幅值和相位不同。頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的輸出與輸入的幅值比和相位差的變化。（2）頻率響應特性4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-68-一階傳感器傳遞函數：

將s使用

jω代替后：

幅頻特性：相頻特性：

4.3.2傳感器動態(tài)特性2024/10/9-69-

第4章機電一體化檢測技術4.1概述4.2傳感器測量誤差4.3傳感器一般特性4.4常用傳感器介紹4.5新型傳感器4.6傳感器的選型4.7傳感器的信號調理4.8數字濾波技術4.9傳感器非線性補償處理2024/10/9-70-4.4常用傳感器介紹2024/10/9-71-4.4.1溫度傳感器4.4.2力學量傳感器4.4.2圖像傳感器4.4.2霍爾傳感器4.4.1溫度傳感器溫度測量方法：接觸式測溫：溫度測量需要敏感元件直接與被測物體接觸①膨脹式溫度計②熱電偶溫度計③熱電阻溫度計④熱導率溫度計非接觸式測溫：無需敏感元件與被測物體直接接觸①熱像儀②光纖光柵溫度計2024/10/9-72-①②③④熱像儀光纖光柵溫度計4.4.1溫度傳感器工作原理：基于熱電效應，電阻材料的電阻值會隨溫度的變化而發(fā)生變化按照工作方式分為：金屬熱電阻（熱電阻），半導體熱電阻（熱敏電阻）2024/10/9-73-熱電阻熱敏電阻4.4.1溫度傳感器金屬熱電阻傳感器（熱電阻）1）鉑熱電阻鉑的物理以及化學穩(wěn)定性能良好，是目前測溫復現性最好的一種溫度計，廣泛應用于溫度基準、標準的傳遞和工業(yè)在線測量。測量范圍為-200～500℃。2）銅熱電阻在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，普遍采用銅熱電阻進行溫度的測量，測量范圍一般為-50～150℃。2024/10/9-74-熱電阻結構圖4.4.1溫度傳感器半導體熱電阻傳感器（熱敏電阻）優(yōu)點：①熱敏電阻的溫度系數比金屬大，半導體材料可以有正或負的溫度系數，可以根據不同的需要進行選擇。②電阻率大，可以制成極小的電阻元件，體積小，熱慣性小，適于測量點溫，表面溫度以及快速變化的溫度；③結構簡單、機械性能好?？筛鶕煌螅瞥筛鞣N形狀。缺點：線性度較差，其復現性和互換性較差。2024/10/9-75-4.4.1溫度傳感器熱電偶傳感器工作原理：基于熱電效應，在兩種不同的導體（或半導體）Ａ和Ｂ組成的閉合回路中，如果兩個結點的溫度不同，則回路中會產生一個電動勢，通常稱這種電動勢為熱電動勢，這種現象就是熱電效應。2024/10/9-76-熱電偶示意圖4.4.1溫度傳感器熱電偶傳感器測溫原理：當熱電偶的材料均勻時，熱電偶的熱電勢大小與電極的幾何尺寸無關，僅與熱電偶材料的成分和冷、熱端的溫差有關。通常情況下，要求冷端的溫度恒定，此時，熱電偶的熱電勢就是被測介質溫度的單值函數。Ｔ為測量端的溫度。2024/10/9-77-

熱電偶結構圖4.4.1溫度傳感器使用熱電偶基于的定律1）中間溫度定律：如果在兩個熱電偶接點之間加入一個中間溫度點（通常稱為冷端溫度），則兩個熱電偶的測量電勢差（熱電勢）之和等于兩個熱電偶分別與中間溫度點之間的熱電勢之和。2）中間導體定律：如果在兩個不同類型的熱電偶中插入一個中間導體（通常稱為第三種金屬），則兩個熱電偶接點之間的電勢差等于各熱電偶與中間導體之間的電勢差之和。3）標準電極定律：如果在兩個不同類型的熱電偶之間插入一個連接導體（通常是同種金屬），則兩個熱電偶的電勢差等于各熱電偶與連接導體間的電勢差之和。2024/10/9-78-4.4.1溫度傳感器熱電偶應用中的問題

由熱電偶的作用原理可知，熱電偶熱電動勢的大小不僅與測量端的溫度有關，而且與冷端的溫度有關，是熱端溫度與冷端溫度的函數差。為了保證輸出電動勢是被測溫度的單值函數，就必須使一個結點的溫度保持恒定，而使用的熱電偶分度表溫度之和的串聯電路中的熱電動勢值，都是在冷端溫度為0℃時給出的。但在工業(yè)使用時，要使冷端的溫度保持為0℃是比較困難的。2024/10/9-79-4.4.1溫度傳感器

2024/10/9-80-4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-81-含義與作用：力學量傳感器，又稱為力敏傳感器，主要用于測量力、加速度、位移、速度、扭矩和質量等物理量。主要應用種類：主要有電阻式、電容式、磁阻式、振弦式、壓阻式、壓電式和光纖式等。電阻式電容式磁阻式4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-82-

4.4.2力學量傳感器2024/10/9-83-

4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-84-（3）壓電效應壓電效應指某些特定材料在受到機械應力作用時，會產生電荷分離或電勢差的現象。這種效應是由于材料的晶格結構具有非中心對稱性而導致的。壓電材料可以分為正壓電材料和負壓電材料：

正壓電效應：當正壓力施加在正壓電材料上時，材料會產生正電荷和負電荷的分離，從而產生電勢差。這種效應被稱為正壓電效應。

負壓電效應：當負壓力施加在負壓電材料上時，材料會產生負電荷和正電荷的分離，從而產生電勢差。這種效應被稱為負壓電效應。4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-85-2.電阻應變式傳感器

含義：一種由電阻應變片和彈性敏感元件組合起來的傳感器。

（1）電阻應變片的種類金屬電阻應變片：簡稱應變片，通常由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和黏結劑等組成，根據結構的不同，金屬電阻應變片可以分為絲式和箔式。4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-86-半導式應變片

一種使用半導體材料制造的應變傳感器，用于測量應變或力的變化，基于半導體材料的電阻隨應變的變化而變化的原理。半導體應變片通常采用橋式電阻結構，包括四個電阻組成的電橋，兩個電阻作為應變感受器。

如圖所示，E

為供電電源，令R1為電阻應變片，R2、R3、R4為電橋固定電阻，RL

為負載電阻，這就構成了單臂電橋。在無應變情況下，橋路中的電阻保持平衡，輸出電壓U0

為零。直流電橋4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-87-（2）電阻應變式傳感器的應用電阻應變片有兩個方面的應用，一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應變測量；二是作為轉換元件，通過彈性元件構成傳感器，用以對任何能轉變?yōu)閺椥栽兊钠渌锢砹孔鲩g接測量。

應變式傳感器一般由彈性敏感材料、應變片以及測量轉換電路三部分組成。

應變式傳感器除直接測量應力應變外，還可以制做成各種專用的應變式傳感器，按其用途不同分為應變式力傳感器、應變式壓力傳感器和應變式加速度傳感器等。4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-88-（3）電阻應變式傳感器的分類1）應變式力傳感器：應變式力傳感器主要作為各種電子秤和材料實驗機的測力元件，用于測量施加在物體上的力的大小。

2）應變式壓力傳感器：應變式壓力傳感器用于測量介質（如氣體或液體）對物體施加的壓力。3）應變式加速度傳感器：應變式加速度傳感器基于應變測量原理，用于檢測物體的加速度或振動。電阻應變式加速度傳感器結構示意圖4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-89-3.壓電式傳感器壓電式傳感器是典型的有源傳感器，其基于壓電效應實現相應的參數測量，即當壓電材料受力作用而變形時，表面會有電荷產生，從而實現非電量的測量。

特點：體積小、質量輕、工作頻帶寬等特點。

應用：各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面。4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-90-（1）壓電材料具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現機?電能量的相互轉換，具有一定的可逆性，目前能夠廣泛使用的壓電材料有石英晶體和人工制造的壓電陶瓷、鈦酸鋇、錯鈦酸鉛等材料，這些材料都具有良好的壓電效應。天然石英晶體人工壓電陶瓷4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-91-典型的壓電晶體-石英晶體（SiO2）單晶體結構，理想形狀為六角錐體，各向異性材料，不同晶向具有各異性的物理特性，其中，Z

軸（光軸）是通過錐頂端的縱向軸，沿該方向受力不會產生壓電效應；X軸（電軸）經過六面體的棱線并垂直于Z軸，壓電效應只在該軸的兩個表面產生電荷集聚，即縱向壓電效應；Y軸（機械軸）與X、Z軸同時垂直，即橫向壓電效應。從晶體上沿Y

軸方向切下一塊晶片,石英晶體切片受力發(fā)生壓電效應，具體情況如下：4.4.2力學量傳感器2024/10/9-92-1）縱向效應：沿X軸方向施加作用力，在

YZ平面上產生電荷qx。表明：沿電軸方向的力作用于晶體時所產生電荷量qx

的大小與切片的幾何尺寸無關。2）橫向效應：沿Y

軸方向施加作用力，在XY

平面上產生電荷，但極性方向相反。表明:沿機械軸方向的力作用于晶體時產生的電荷qy與晶體切片的幾何尺寸有關，同時沿機械軸的壓力所引起的電荷極性與沿電軸的壓力所引起的電荷極性相反。3）電荷與沿X軸方向的剪切力成正比，與石英元件的尺寸無關。4）沿Z軸方向施加作用力，不會產生壓電效應，沒有電荷產生。4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-93-

4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-94-1）當需要壓電器件輸出電壓時，可將它等效成一個與電容串聯的電壓源,Ua=Q/CaKU=Ua/F=Q/(CaF)式中，F為作用于壓電器件外的外力。

4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-95-

4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-96-（3）壓電式傳感器的應用

1）壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是用于測量物體加速度以及振動狀態(tài)的傳感器，主要由質量塊、壓電元件、預壓彈簧、基座以及外殼組成。用于振動測量、聲學測量、結構健康監(jiān)測等。有高靈敏度、低功耗、響應快、微型化等優(yōu)點。

壓電式加速度傳感器結構圖4.4.2

力學量傳感器2024/10/9-97-2）壓電式力傳感器壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現力?電轉換的傳感器，按測力狀態(tài)分，單向、雙向和三向傳感器。在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶片作為壓電元件。有剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好的優(yōu)點。單向壓縮式壓電力傳感器4.4.3圖像傳感器2024/10/9-98-1.基本原理圖像傳感器的基本原理是光電效應。當光線照射到半導體表面時，光線中的光子會與半導體中的原子發(fā)生碰撞，使得電子從價帶躍遷到導帶，從而形成電子空穴對。2.圖像傳感器的主要類型1）CCD圖像傳感器

基本工作原理：光感知；電荷傳輸；電荷放大；電荷讀取。2）CMOS圖像傳感器基本工作原理：光感知；電子收集；電荷放大；信號讀取。4.4.3圖像傳感器2024/10/9-99-

4.4.3圖像傳感器2024/10/9-100-5）噪聲：指圖像傳感器輸出中的非期望信號成分，圖像傳感器的噪聲級別影響圖像的質量和清晰度，較低的噪聲水平意味著更清晰的圖像。6）靈敏度：圖像傳感器對光的敏感程度。較高的靈敏度意味著圖像傳感器可以在低光條件下捕捉到更多的細節(jié)，并具