傳感器技術(shù)-武漢大學(xué)

傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第0章

緒

論主要內(nèi)容：什么是傳感器傳感器的作用和地位傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理傳感器的定義、組成和分類方法本課程的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容傳感器技術(shù)第0章

緒論0.1

什么是傳感器下面請(qǐng)看一個(gè)短片…….傳感器第0章

緒論0.1

什么是傳感器6250-3航空反坦克子母炸彈無人機(jī)第0章

緒論0.1

什么是傳感器人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較眼（視覺）耳（聽覺）鼻（嗅覺）舌（味覺）皮膚（觸覺）感知外界信息

→大腦→

肌體第0章

緒論0.1

什么是傳感器人的體力和腦力勞動(dòng)通過感覺器官接收外界信號(hào)，將這些信號(hào)傳送給大腦，大腦把這些信號(hào)分析處理傳遞給肌體。傳感器外界信息感 官大 腦肌 體計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)0.1

什么是傳感器如果用機(jī)器完成這一過程，計(jì)算機(jī)相當(dāng)人的大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)人的肌體，傳感器相當(dāng)于人的五官和皮膚。傳感器好比人體感官的延長(zhǎng)，有人又稱“電五官”。從廣義的角度來說，信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。0.1

什么是傳感器液位測(cè)量傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院主要內(nèi)容：什么是傳感器傳感器的作用和地位傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理傳感器的定義、組成和分類方法本課程的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容傳感器技術(shù)第0章

緒論構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是：傳感器技術(shù)（信息采集）-----“感官”通信技術(shù)

（信息傳輸）-----“神經(jīng)”計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）-----“大腦”在利用信息的過程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。0.2傳感器技術(shù)的作用和地位0.2傳感器技術(shù)的作用和地位傳感應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛測(cè)量與數(shù)據(jù)采集檢測(cè)與控制診斷與監(jiān)測(cè)輔助觀測(cè)儀器資源探測(cè)環(huán)境保護(hù)醫(yī)療衛(wèi)生家用電器……未來世界是個(gè)充滿傳感器的世界智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽(yáng)能提供能源）智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動(dòng)記錄公路的壓力、溫度、車流量）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）智能……石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)。自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)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)。0.2傳感器技術(shù)的作用和地位汽車與傳感器溫度、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。0.2傳感器技術(shù)的作用和地位家用電器0.2傳感器技術(shù)的作用和地位計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備0.2傳感器技術(shù)的作用和地位機(jī)器人視覺: 平面、立體非視覺:觸覺、滑覺、熱覺、力覺、接近覺、…0.2傳感器技術(shù)的作用和地位密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型機(jī)器狗小機(jī)器人代替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)秘道?！敖鹱炙握摺保?×長(zhǎng)1×寬1英寸。

超聲波傳感器、地面探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)、力度測(cè)量?jī)x、精密光纖鏡頭、導(dǎo)電傳感器?？脊?.2傳感器技術(shù)的作用和地位計(jì)量測(cè)試0.2傳感器技術(shù)的作用和地位醫(yī)療診斷0.2傳感器技術(shù)的作用和地位門禁系統(tǒng)0.2傳感器技術(shù)的作用和地位航空航天與軍工0.2傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、軍事國(guó)防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說：幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。0.2傳感器技術(shù)的作用和地位傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第0章

緒

論主要內(nèi)容：什么是傳感器傳感器的作用和地位傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理傳感器的定義、組成和分類方法本課程的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容傳感器技術(shù)第0章

緒論0.3

傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)信

電

科

設(shè)

交輸

機(jī)機(jī)家

照汽

飛船氣

海環(huán)醫(yī)

防

光熱機(jī)土農(nóng)

貨食息

信

技

備

通電

床器用

相車

機(jī)舶象

洋境療

火

能能械木林

幣品處

電

測(cè)

控

控系人電

機(jī)污利利能建金理

話

試

制

制統(tǒng)器染用用利筑融用55111

110

103473659816127783431

3147111707693612621

242014需求領(lǐng)域廣泛需要量0.3

傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)中國(guó)：我國(guó)的傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)在國(guó)家“大力加強(qiáng)傳感器的開發(fā)和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的普遍應(yīng)用”等一系列政策導(dǎo)向和資金的支持下，近年來也取得了較快發(fā)展。2011年中國(guó)傳感器行業(yè)產(chǎn)量約27.5億只，2012年約32億只,2013年中國(guó)傳感器行業(yè)產(chǎn)量達(dá)到38.6億只(1300億元)。傳感器產(chǎn)業(yè)在科技投入(經(jīng)費(fèi)、高級(jí)人才資源)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境以及科技實(shí)力(專利件數(shù)、新品開發(fā)周期、關(guān)鍵材料與零組件、量產(chǎn)能力)三大方面的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力遠(yuǎn)低于美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家。0.3

傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)目前傳感器總的發(fā)展趨勢(shì)：提高與改善傳感器的技術(shù)指標(biāo)開發(fā)新材料敏感材料是傳感器的重要基礎(chǔ)，基于新材料出現(xiàn)的傳感器：采用新原理、新工藝如：高溫超導(dǎo)磁傳感器靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于霍耳器件，可用于磁成像技術(shù)。微型化與微功耗；集成化與多功能化；傳感器的智能化；傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第0章

緒

論主要內(nèi)容：什么是傳感器傳感器的作用和地位傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理傳感器的定義、組成和分類方法本課程的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容傳感器技術(shù)第0章

緒論現(xiàn)代傳感技術(shù)是自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)以及機(jī)電一體化的第一基礎(chǔ)。被測(cè)對(duì)象被測(cè)量傳 可用信號(hào)感器信號(hào)處理顯示記錄0.4

檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理控制器典型的早期自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖被測(cè)量：非電量和電量典型微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)微機(jī)顯示器A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量電路傳感器控制器記錄器非電量0.4

檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)例-電感傳感器滾珠分揀系統(tǒng)0.4

檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理0.4

檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院主要內(nèi)容：什么是傳感器傳感器的作用和地位傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理傳感器的定義、組成和分類方法本課程的特點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容傳感器技術(shù)第0章

緒論0.5

傳感器的定義、組成和分類方法傳感器定義廣義：傳感器是一種能把特定的非電量信號(hào)（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量(一般為電量)

的裝置。狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。0.5

傳感器的定義、組成和分類方法傳感器定義國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—87）對(duì)傳感器（Sensor/Transducer）定義是：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)的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。按使用的場(chǎng)合不同又稱為:變換器、換能器(Transducer)、探測(cè)器(Detector)。敏感元件(Sensitive

element，又稱預(yù)變換器)感受被測(cè)量;轉(zhuǎn)換元件(Transduction

element)將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量(如電阻、電容、電感等);測(cè)量電路(Measuring

circuit,或轉(zhuǎn)換電路或信號(hào)處理電路)把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量;核心部分是轉(zhuǎn)換元件,決定傳感器的工作原理。電量輸出傳感器的組成傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路三部分組成：電參量被測(cè)量敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 測(cè)量電路0.5

傳感器的定義、組成和分類方法敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 測(cè)量電路敏感元件:感受被測(cè)量;轉(zhuǎn)換元件:將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量(如電阻、電容、電感等);測(cè)量電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量;電量輸出被測(cè)量敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 測(cè)量電路敏感元件:感受被測(cè)量;轉(zhuǎn)換元件:將響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量(如電阻、電容、電感等);測(cè)量電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量;電量輸出被測(cè)量傳感器的分類傳感器分類方法較多,無統(tǒng)一方法，大體有以下幾種：1）

按傳感器檢測(cè)的范疇分類物理量傳感器化學(xué)量傳感器生物量傳感器２）按傳感器的輸出信號(hào)分類模擬傳感器數(shù)字傳感器0.5

傳感器的定義、組成和分類方法傳感器的分類３）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)型傳感器：材料幾何形狀或尺寸的改變物性型傳感器：材料物理性質(zhì)的變化復(fù)合型傳感器４）按傳感器的功能分類單功能傳感器多功能傳感器智能傳感器0.5

傳感器的定義、組成和分類方法6）按傳感器的能源分類有源傳感器無源傳感器機(jī)—電傳感器光—電傳感器熱—電電傳感器磁—電傳感器電化學(xué)傳感器傳感器的分類５）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類0.5

傳感器的定義、組成和分類方法傳感器的分類國(guó)標(biāo)制定的傳感器分類體系表將傳感器分為：物理量、化學(xué)量、生物類傳感器三大門類；含12個(gè)小類：力學(xué)量、熱學(xué)量、光學(xué)量、磁學(xué)量、電學(xué)量、聲學(xué)量、射線、氣體、離子、溫度傳感器以及生化量、生理量傳感器。各小類按兩個(gè)層次又分若干品種0.5

傳感器的定義、組成和分類方法傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院主要內(nèi)容：什么是傳感器傳感器的作用和地位傳感器現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)的組成原理傳感器的定義、組成和分類方法本課程的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容傳感器技術(shù)第0章

緒論本課程的主要任務(wù)：掌握常見傳感器的基本理論、工作原理、主要性能及特點(diǎn)；使同學(xué)們學(xué)會(huì)合理地選擇和使用傳感器，掌握常用傳感器的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法；學(xué)會(huì)傳感器的常見應(yīng)用方法，能夠利用傳感器解決工程實(shí)踐問題。了解傳感器的發(fā)展動(dòng)向以及獲取信息的新方法。0.6本課程的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容本課程的特點(diǎn)注重傳感器基本理論的講解注重傳感器應(yīng)用方法的講解密切聯(lián)系生產(chǎn)生活，理論聯(lián)系實(shí)際0.6本課程的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容參考教材《傳感器原理及應(yīng)用》(第4版)，王化祥主編，天津大學(xué)出版社[1]儀表技術(shù)與傳感器[2]傳感器世界 [3]中國(guó)傳感器 [4]傳感器技術(shù) [5]傳感技術(shù)學(xué)報(bào)網(wǎng) [6]傳感器資訊網(wǎng) 參考網(wǎng)站課程安排課程安排：

總

36

學(xué)時(shí)課堂教學(xué)

36

學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課 18學(xué)時(shí)(單獨(dú)課頭)成績(jī)?cè)u(píng)定平時(shí)成績(jī):單元測(cè)試40%

+

課后討論10%設(shè)計(jì)報(bào)告：20%,給定一個(gè)測(cè)試需求，學(xué)生自己提出一個(gè)設(shè)計(jì)方案：包括傳感器的選擇，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)依據(jù)和預(yù)期的結(jié)果等進(jìn)行描述，形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)報(bào)告。期末考試：30%,考試教學(xué)內(nèi)容安排傳感器的一般特性應(yīng)變式傳感器電容式傳感器電感式傳感器壓電式傳感器數(shù)字式傳感器熱電式傳感器光電傳感器磁敏傳感器氣體與濕敏傳感器智能傳感器與傳感器新技術(shù)第0章

緒論0.6本課程的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)裝置第0章

緒論0.6本課程的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容傳感器的作用；傳感器的發(fā)展趨勢(shì)；傳感器定義和組成；傳感器分類方法。第0章

緒論本章要點(diǎn)傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第1章傳感器的一般特性第1章傳感器的一般特性回顧傳感器的定義：傳感器是一種能把特定的非電量信號(hào)（物理量、化學(xué)量、生物量登）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量(一般為電量)

的裝置。第1章傳感器的一般特性Pt100的電阻-溫度曲線傳感器的一般特性：傳感器一般要變換各種信息量為電量，描述這種變換的輸入與輸出關(guān)系表達(dá)了傳感器的一般特性。鉑電阻電壓輸出Pt100電壓-溫度曲線第1章傳感器的一般特性傳感器的輸入信號(hào)：慢變(穩(wěn)態(tài))信號(hào)不隨時(shí)間變化或變化較為緩慢(準(zhǔn)靜態(tài))的信號(hào)?？熳冃盘?hào)隨時(shí)間變化較快的信號(hào)(如周期或瞬變信號(hào))。時(shí)間信號(hào) 靜態(tài)信號(hào)動(dòng)態(tài)信號(hào)0第1章傳感器的一般特性主要內(nèi)容傳感器靜態(tài)特性傳感器動(dòng)態(tài)特性1.1

傳感器靜態(tài)特性Y

f

X

當(dāng)輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的信號(hào)時(shí)(如體溫)，討論傳感器的靜態(tài)特性，輸入輸出關(guān)系稱靜態(tài)特性。靜態(tài)特性可以用函數(shù)式表示為溫度-電壓曲線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，其靜態(tài)特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示：Y

a

aX

a

X

2

?a

X

n0 1 2 n其中： X

—

輸入量，Y

—

輸出量；a0

—

X

=

0

時(shí)的輸出值，即零位輸出a1

—

理理靈敏度，常用K來表示a2,a3…..an

——

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。靜態(tài)特性方程

Y

f

X

0 1 2 nY

a

a

X

a

X

2

?a

X

nY

a1XY

a

X

a

X2

a

X4

1 2 4Y

a

X

a

X

3

a

X

5

1 3 5Y

aX

aX2

?a

X

n1 2 n理想的線性特性僅有奇次非線性項(xiàng)僅有偶次非線性項(xiàng)（4）同時(shí)有奇偶次非線性項(xiàng)討論a0=0時(shí)的情形，即靜態(tài)特性曲線通過原點(diǎn)的情形：理想的線性關(guān)系關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，在輸入X=0較大的范圍有較好的線性關(guān)系線性差，一般很少采用1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性校準(zhǔn)曲線傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)曲線(實(shí)際曲線)是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定的。利用一定精度等級(jí)的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，即可得到輸出-輸入數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)取平均，即為傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)曲線。yYFSx實(shí)實(shí)特性曲線理理特性曲線o理想的特性曲線：良好的線性(直線)過原點(diǎn)傳感器技術(shù)主講人： 吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第1章傳感器的一般特性1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移線性度(Linearity)在規(guī)定的條件下，傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)曲線(實(shí)際曲線)與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比稱為線性度。FSLY

Ymax

100%L

Ymax是校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差Y 是傳感器滿量程輸出FS是線性度線性度(Linearity)在規(guī)定的條件下，傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)曲線(實(shí)際曲線)與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比稱為線性度。FSLY

Ymax

100%可見，直線擬合方法不一樣，線性度會(huì)不一樣FSLY

Ymax

100%（1）線性度線性度與擬合的理想直線有關(guān)。理想直線的選擇原則是：既能反映實(shí)際曲線的趨勢(shì)，又能使非線性誤差的絕對(duì)值最小。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。常用擬合方法：①端點(diǎn)連線(端基法)擬合；②最小二乘擬合；③理論擬合；④端點(diǎn)連線平移擬合；⑤過零旋轉(zhuǎn)擬合；常用擬合方法xxmaxyF.Sa0(x0,y0)0ymaxΔymax{b0(xmax,ymax)端點(diǎn)連線(端基法)擬合把傳感器的零點(diǎn)輸出平均值與滿度輸出平均值連成直線作為傳感器的擬合理想直線。y常用擬合方法0y

yixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合設(shè)擬合直線方程：

y=kx+b若實(shí)際校準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)有n個(gè)，則第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為：22

mini

1n n

i i i

i

1

y

kx

b

Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即對(duì)k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出k和b的表達(dá)式

2

i2

i即得到k和b的表達(dá)式2i

i

i i

x

0

2

y

kx

b

k

1

0

2

y

kx

b

b

2

i i i22n niinx

)k

x

(n n nn

xi

yi

xi

yi

i

1 i

1 i

1

i

1

i

1222nnnnnniinx

)x

y

x

x

yb

i

1 i

1 i

1 i

1 x

(

i

i

i

i i

i

1

i

1將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線。例：

測(cè)得某檢測(cè)裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如下：假設(shè)輸出最大值為5.0，最小值為0，試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度？x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0解：y

kx

bi i

(

x

)2n

x

2

i

yi

(kxi

b)

xi

yik

n

xi

yii in

x2

(

x

)2(

x

2

y

x

xy

)b

i i i i i 代入數(shù)據(jù)得：

k

0.68b

0.25x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0

100%

0.35

7%FSLy 5

Lmax

1

0.238

4

0.11

2

0.35

5

0.126

3

0.16

6

0.194擬合直線靈敏度

0.68,線性度

±7%例：

測(cè)得某檢測(cè)裝置的一組輸入輸出數(shù)據(jù)如下：假設(shè)輸出最大值為5.0，最小值為0，試用最小二乘法擬合直線，求其線性度和靈敏度？解： k

0.68 b

0.25∴

y

0.68x

0.25傳感器技術(shù)主講人： 吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移線性度(Linearity)Y

aX

aX

2

a X

n1 2 n同時(shí)有奇偶次非線性項(xiàng)對(duì)于非理想的傳感器，如何提高線性度？前面講的方法是通過計(jì)算方法來計(jì)算線性度，其實(shí)對(duì)提高線性度用途不大。實(shí)際中，常配合差動(dòng)測(cè)量法來改善線性度。差動(dòng)測(cè)量方法:利用兩個(gè)性能相同的傳感器進(jìn)行差動(dòng)輸出測(cè)量。即一個(gè)傳感器感受正方向變化，一個(gè)感受負(fù)方向的變化，差動(dòng)輸出。差動(dòng)測(cè)量舉例金屬絲應(yīng)變片1鋼梁金屬絲應(yīng)變片2金屬絲應(yīng)變片金屬絲應(yīng)變片1金屬絲應(yīng)變片2金屬絲應(yīng)變片1金屬絲應(yīng)變片2變長(zhǎng)縮短 RR 正應(yīng)變負(fù)應(yīng)變線性度(Linearity)差動(dòng)測(cè)量方法:利用兩個(gè)性能相同的傳感器進(jìn)行差動(dòng)輸出測(cè)量。即一個(gè)傳感器感受正方向變化，一個(gè)感受負(fù)方向的變化，差動(dòng)輸出：0 1 2 na X

a X

2

a X

n設(shè)某傳感器靜態(tài)特性為：Y

a則正方向傳感器：1 0 1234負(fù)方向傳感器：2 0 1 2 3 4Y

a

a X

a X

2

a X

3a X

4Y

a

a X

a X2

a X3

a X4

那么差動(dòng)輸出為：

Y

Y1

Y2

2

(

a1

X

a3

X

a5

X

)3 5其優(yōu)點(diǎn)：①消除偶階次非線性誤差;②靈敏度提高一倍;③消除了零位輸出傳感器技術(shù)主講人： 吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第1章傳感器的一般特性1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移靈敏度(Sensitivity)傳感器的靈敏度是指到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。K

輸出變化量

dy

df

x

f'

x

輸入變化量 dx dx靈敏度(Sensitivity)可見，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。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K是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。傳感器的靈敏度是指到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。K

輸出變化量

dy

df

x

f'

x

輸入變化量 dx dx1) 對(duì)線性傳感器, 靈敏度是直線的斜率：K

=

Δy/Δxy0ΔxΔyx靈敏度(Sensitivity)傳感器的靈敏度是指到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。K

輸出變化量

dy

df

x

f'

x

輸入變化量 dx dx2) 對(duì)非線性傳感器,

靈敏度是一個(gè)變化量，不同地方靈敏度不同：非線性傳感器靈敏度是一個(gè)變化量，只能表示傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移精確度與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、正確度(準(zhǔn)確度)和精確度(精度)。精密度

說明測(cè)量傳感器輸出值的分散性，即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，由同一個(gè)測(cè)量者，用同一個(gè)傳感器，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量結(jié)果的分散程度。精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。準(zhǔn)確度

說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準(zhǔn)確度高不一定精密度高。精確度

是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高。在最簡(jiǎn)單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機(jī)器的常以測(cè)量誤差的相對(duì)值表示。精確度精密度說明測(cè)量傳感器輸出值的分散性。精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志。準(zhǔn)確度說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志。精確度是精密度與準(zhǔn)確度兩者的綜合優(yōu)良程度。低精密度，低正確度高精密度，低正確度低精密度，高正確度高精密度，高正確度精確度精確度

是精密度與準(zhǔn)確度兩者的綜合優(yōu)良程度。精確度等級(jí)A在工程應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)單表示測(cè)量結(jié)果的可靠程度，引入精確度等級(jí)概念，用A表示。A=

A

100%YFS- 傳感器精確度等級(jí).我國(guó)工業(yè)儀表等級(jí)分為0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七個(gè)等級(jí).1.5%表示1.5級(jí)0.5%表示0.5級(jí)A

A- 測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差YFS- 滿量程輸出精確度YFS

AA=

100%FSY

A

- 測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差- 滿量程輸出解：A=

1.4100-0

100%

1.4%根據(jù)50Pa處來計(jì)算精度等級(jí)：1.4

<

1.5，所以該傳感器合格的。0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七個(gè)等級(jí).例1-8

：檢定一臺(tái)1.5級(jí)刻度0-100Pa壓力傳感器，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)50Pa處誤差最大,誤差為1.4Pa，問這臺(tái)壓力傳感器是否合格？傳感器技術(shù)主講人： 吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第1章傳感器的一般特性1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移分辨力和最小檢測(cè)量分辨力用絕對(duì)值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。100g101g=0.25g分辨力和最小檢測(cè)量最小檢測(cè)量是反映傳感器能確切反映被測(cè)量的最低極限量。M=

CNKM為最小檢測(cè)量；

C為系數(shù)(一般取1-5)；

N為噪聲電平；K為傳感器的靈敏度當(dāng)輸入的變化量被傳感器內(nèi)部噪聲淹沒時(shí)將反映不到輸出.傳感器技術(shù)主講人： 吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第1章傳感器的一般特性1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移遲滯傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯。0g——50g——100g——

200g例：某電子秤：增加砝碼電橋輸出減砝碼輸出0.5mv---2.0mv--

4.0mv0.6mv---2.2mv

---4.5mv---

8.0mv---

8.0mv

H

H

max

/

YFS

100%產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械另部件的缺陷所造成的，例如彈性敏感元件彈性滯后、運(yùn)動(dòng)部件摩擦、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動(dòng)等。遲滯誤差又稱為回差或變差。1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移重復(fù)性重復(fù)性指的是傳感器輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)作多次測(cè)量時(shí)，輸出特性不一致的程度。重復(fù)性指標(biāo)可用標(biāo)準(zhǔn)偏差來計(jì)算。FSRY

100%2~3為置信度;

i2n

1(

y

y

)n

1

i

1n

1

其中：

max

是各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值

，當(dāng)各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差用貝塞爾公式計(jì)算得到時(shí)：

標(biāo)準(zhǔn)偏差表示如下：

2

~

3

max其中,n為測(cè)量次數(shù)。重復(fù)性指標(biāo)也可用最大偏差值來表示。FSRY

Rmax

100%maxmax1max

2

R

max(

R,

R

)其中：傳感器技術(shù)主講人： 吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第1章傳感器的一般特性1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移穩(wěn)定性(Stability)穩(wěn)定性表示傳感器在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力，故又稱長(zhǎng)期穩(wěn)定性。穩(wěn)定性可用相對(duì)誤差或絕對(duì)誤差表示。表示方式如：

個(gè)月不超過

%滿量程輸出。有時(shí)也采用給出標(biāo)定的有效期來表示。1.1

傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性指標(biāo)（1）線性度（2）靈敏度（3）精確度(精度)（4）最小檢測(cè)量和分辨力（5）遲滯（6）重復(fù)性（7）穩(wěn)定性（8）漂移漂移傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)老化測(cè)試過程中環(huán)境發(fā)生變化漂移包括零點(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)或靈敏度漂移漂移漂移包括零點(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

100%YFS

Y0零漂＝——最大零點(diǎn)偏差——滿量程輸出

100%

maxYFS

T溫漂＝Δmax

——

輸出最大偏差；ΔT ——

溫度變化范圍；YFS——

滿量程輸出。傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第1章傳感器的一般特性1.2

傳感器動(dòng)態(tài)特性基本概念一般數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)基本概念輸入輸出時(shí)間

時(shí)間時(shí)間Y

f

X

不再完全符合靜態(tài)特性函數(shù)輸出不僅僅與輸入有關(guān)，還與時(shí)間或頻率相關(guān)基本概念動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鬏敵鰧?duì)時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性：除理想狀態(tài)，多數(shù)傳感器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的，輸出信號(hào)一定不會(huì)與輸入信號(hào)有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸入輸出之間的差異就是動(dòng)態(tài)誤差；傳感器輸出對(duì)時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)即反映了傳感器的動(dòng)態(tài)特性。被測(cè)量是時(shí)間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。用時(shí)域法表示成：Y

t

f

X

t

用頻域法表示為：Y

j

f

X

j

基本概念例：動(dòng)態(tài)測(cè)溫設(shè)環(huán)境溫度為T0

,水槽中水的溫度為T,而且

T

＞T0

傳感器突然插入被測(cè)介質(zhì)中；用熱電偶測(cè)溫,理想情況測(cè)試曲線T是階躍變化的；實(shí)際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個(gè)過渡過程環(huán)境溫度T0熱電偶水溫T℃T傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院1.2

傳感器動(dòng)態(tài)特性基本概念一般數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)一般數(shù)學(xué)模型一般數(shù)學(xué)模型傳感器系統(tǒng)輸入激勵(lì)X（t)輸出響應(yīng)Y（t)線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)線性微分方程。對(duì)線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學(xué)模型的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系，通過對(duì)微分方程求解，得出動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。對(duì)于線性定常（時(shí)間不變）系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型為高階常系數(shù)線性微分方程.一般數(shù)學(xué)模型傳感器系統(tǒng)輸入激勵(lì)X（t)輸出響應(yīng)Y（t)傳感器的基本動(dòng)態(tài)特性方程傳感器的種類和形式很多，但它們的動(dòng)態(tài)特性一般都可以用下述的微分方程來描述：dY

(t)andt

ndtd

m

X

(t)dX

(t)dt

m

dtd

nY

(t) d

n

1Y

(t)dt

n

1d

m

1

X

(t)dtm

1an

1a0Y

(t)

bm式中： Y—輸出；X—輸入；ai、bi 是與傳感器的結(jié)構(gòu)特性bm

1

?

a1

?

b1

b0X(t)有關(guān)的常系數(shù)。只要對(duì)這個(gè)微分方程求解，便可得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。一般數(shù)學(xué)模型傳感器的基本動(dòng)態(tài)特性方程d

nY

(t)andt

ndtd

m

X

(t)dX

(t)dt

m

dtd

n

1Y

(t) dY

(t)dt

n

1d

m

1

X

(t)dt

m

1an

1a0Y

(t)

bmbm

1b0X

(t)

?

a1

?

b1如果用算子D表示d

/

dt,則上式可表示為(a

Dn

an

n

1Dn

1

a

D

a

)Y

(t)1 0

(b

Dm

bm

m

1Dm

1

b

D

b

)X(t)1 0絕大多數(shù)傳感器的輸出與輸入的關(guān)系均可以用零階、一階或二階微分方程來描述。一般數(shù)學(xué)模型傳感器的基本動(dòng)態(tài)特性方程d

nY

(t)andt

ndtd

m

X

(t)dX

(t)dt

m

dtd

n

1Y

(t) dY

(t)dt

n

1d

m

1

X

(t)dt

m

1an

1a0Y

(t)

bmbm

1

?

a1

?

b1

b0X

(t)(一)零階傳感器的數(shù)學(xué)模型：在零階傳感器中，只有a0與b0兩個(gè)系數(shù)，微分方程為：a0Y

(t)

b0

X

(t)也可以寫成：Y(t)

b0 X

(t)a0一般數(shù)學(xué)模型(一)零階傳感器的數(shù)學(xué)模型：Y(t)

b0 X

(t)a0K

b0記a0，則有Y

(t)

KX

(t)K被稱為靜態(tài)靈敏度。特點(diǎn)：零階傳感器的輸出隨時(shí)跟蹤輸入的變化，它對(duì)任何頻率輸入均無時(shí)間滯后。一般數(shù)學(xué)模型(一)零階傳感器的數(shù)學(xué)模型：Y(t)

b0 X

(t)

KX

(t)a0例：線性電位器式傳感器。零階輸入系統(tǒng)的輸入量無論隨時(shí)間如何變化，其輸出量總是與輸入量成確定的比例關(guān)系。在時(shí)間上也不滯后，幅角等于零。如電位器式傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時(shí)，都可以近似地當(dāng)作零階系統(tǒng)處理。一般數(shù)學(xué)模型(二)一階傳感器的數(shù)學(xué)模型：微分方程為：(a1D

a0

)Y

(t)

b0X(t)

(a1D

1)Y(t)

b0

X(t)a0 a0

(

D

1)Y

(t)

KX(t)式中：

a1

，為時(shí)間常數(shù)；a0a0K

b0，為靜態(tài)靈敏度。1dY

(t)adt

a0Y

(t)

b0

X

(t)如果用算子D，則上式可表示為：一般數(shù)學(xué)模型(二)一階傳感器的數(shù)學(xué)模型：微分方程為：(

D

1)Y(t)

KX(t)式中：

a1，為時(shí)間常數(shù)；a0a0K

b0，為靜態(tài)靈敏度。1dY

(t)adt

a0Y

(t)

b0

X

(t)如果傳感器中含有單個(gè)儲(chǔ)能元件，則在微分方程中出現(xiàn)Y的一階導(dǎo)數(shù)，便可以用一階微分方程表示。(二)一階傳感器的數(shù)學(xué)模型：1 00dta

dY

(t)

a

Y

(t)

b

X

(t)例：不帶保護(hù)套管的熱電偶插入恒溫水浴中進(jìn)行溫度測(cè)量。建立數(shù)學(xué)模型：設(shè) m1——熱電偶的質(zhì)量C1——熱電偶的比熱T1——熱接點(diǎn)的溫度T0——被測(cè)介質(zhì)的溫度R1——介質(zhì)的與熱電偶之間的熱阻1 1 01dt

m

C

dT1

q

根據(jù)能量守恒：

T

T

q01

0 1

R1q01

為介質(zhì)傳給熱電偶的熱量。dT1

R1m1C1dt

T1

T0所以，這是一個(gè)一階系統(tǒng)。一般數(shù)學(xué)模型(三)二階傳感器的數(shù)學(xué)模型：微分方程為：d

2Y

(t) dY

(t)a2dt

2 dt

a1

a0Y

(t)

b0

X

(t)20 0D22

(

D

1)Y

(t)

KX(t)02a0a

，為無阻尼系統(tǒng)固有頻率；a0式中：

K

b0a12 a0a2，為靜態(tài)靈敏度。

，為阻尼比；傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院1.2

傳感器動(dòng)態(tài)特性基本概念一般數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)傳感器的基本動(dòng)態(tài)特性方程n

n

1(aDn

aDn

1

a

D

a

)Y

(t)1 0

(bDm

b

Dm

1

b

D

b

)X(t)m

m

1 1 0傳感器系統(tǒng)輸入激勵(lì)X（t)輸出響應(yīng)Y（t)X傳遞函數(shù)：W

(D)

Y

(D)10nn

1Dm

1

b

D

b

m

m

1

1

0aDn

aDn

1

a

D

abDm

b傳遞函數(shù)：10nYXn

1W

(D)

(D)

m

m

1

1

0aDn

a

Dn

1

a

D

abDm

b

Dm

1

b

D

b0Yn

n

1

1拉氏變換： W

(S

)

(S

)

m

m

1

1

0X

aSn

a

S

n

1

a

S

abSm

b

S

m

1

b

S

b傳遞函數(shù)與輸入信號(hào)無關(guān)，只取決系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，換句話說它描述是傳感器自身的內(nèi)部特性.根據(jù)傳遞函數(shù)可以分析系統(tǒng)的頻率特性.正弦輸入下傳感器的動(dòng)態(tài)特性（即頻率特性）由傳遞函數(shù)導(dǎo)出:nYX

a (

jn

1n

n

1 1 0b (j

)m

b (

j

)m

1

b

(

j

)

bW(

j

)

(

j

)

m

m

1 1 0

a

(

j

)

a (

j

)

)

a傳遞函數(shù)(一)零階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性a0Y(t)

b0 X

(t)

KX

(t)數(shù)學(xué)模型因此，零階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性為：W(D)

Y

(D)

Y

(S

)

Y

(j

)

b0

KX

X

X

a0可見，零階傳感器的輸出和輸入成正比，與信號(hào)頻率無關(guān)，因此，無幅值和相位失真問題。傳遞函數(shù)(二)一階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性K

D

1(

D

1)Y

(t)

K

X(t)數(shù)學(xué)模型因此，傳遞函數(shù)為：W(D)

Y

(D)

K

S

1X拉氏變換傳遞函數(shù)為：W

(S

)

Y

(S

)

XW(j

)

Y

(j

)

K1

j

X頻率特性函數(shù)為：傳遞函數(shù)(二)一階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性YW

(j

)

(j

)

K1

j

頻率特性函數(shù)：XK幅頻特性為：

|

W

(

j

)

|

1

2

2相頻特性為：

arctan(-

)

值是一階傳感器頻率響應(yīng)的重要性能參數(shù)。值越小，頻率響應(yīng)越好。傳遞函數(shù)(三)二階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性200KD2XW(D)

Y(D)

2

D

1200D22

(

D

1)Y

(t)

K

X(t)數(shù)學(xué)模型因此，傳遞函數(shù)為：拉氏變換傳遞函數(shù)為：頻率特性函數(shù)為：20

KS

2X

W

(S

)

Y

(S

)

2

S

100KX2

W(j

)

Y(j

)

j

2

j

1

0

傳遞函數(shù)(三)二階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性頻率特性函數(shù)為：0KX2

W(j

)

Y(j

)

j

2

j

1

0

KA(

)

[1

(

)2]2

(2

)2

0

02

0

0

(

)

arctan1

(

)2幅頻特性為：相頻特性為：10750.10.20.525100.074321.00.70.50.30.20.10.050.030.020.01

＝0.10.20.40.81.0 0.6A(

)1.0

n(a)0°－40°－80°－120°－160°

(

)0.10.20.510521.0

n(b)

＝0.10.20.40.60.81.0傳遞函數(shù)(三)二階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性當(dāng)ξ→0時(shí)，在ω0處幅值趨近無窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。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)幅值將隨著頻率的增大而單調(diào)下降。當(dāng)ξ≥0.707時(shí)，幅值的平直段最寬。10750.10.20.525100.070.050.030.024321.00.70.50.30.20.10.01

＝0.10.20.41.0 0.60.8A(

)1.0

n(a)0°－40°－80°－120°－160°

(

)0.10.20.510521.0

n(b)

＝0.10.20.40.60.81.0傳遞函數(shù)(三)二階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性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ω0和阻尼比ξ。當(dāng)ξ<1,

ω<<ω

時(shí),

A(ω)≈1,Φ(ω)很小,此時(shí),0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ω0至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率ω的

3～5

倍,

即ω0≥（3～5）ωx傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院1.2

傳感器動(dòng)態(tài)特性基本概念一般數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

X

1

X

0 t

0t

0

單位階躍輸入動(dòng)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?cè)谘芯總鞲衅鲃?dòng)特性時(shí)，

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。頻域響應(yīng)特性——輸入為正弦信號(hào)。瞬態(tài)響應(yīng)特性——用得較多的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)

X

1

X

0 t

0t

0

單位階躍輸入(一)

零階傳感器對(duì)階躍輸入的響應(yīng)由于所以，階躍響應(yīng)與輸入成正比。a0Y(t)

b0 X

(t)

KX

(t)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)(二)

一階傳感器對(duì)階躍輸入的響應(yīng)1 00dt微分方程為：a

dY

(t)

a

Y

(t)

b

X

(t)所以，單位階躍響應(yīng)為：tY

(t

)

1

e

理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無窮大時(shí)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，但通常認(rèn)為t=(3～4)τ時(shí)，如當(dāng)t=4τ時(shí)其輸出就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98.2%，可以認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。所以，

一階傳感器的時(shí)間常數(shù)τ越小，響應(yīng)越快，響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線，即動(dòng)態(tài)誤差小。因此，τ值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)(三)

二階傳感器對(duì)階躍輸入的響應(yīng)d

2Y

(t) dY

(t)微分方程為：

a2dt

2

dt

a1

a0Y

(t)

b0

X

(t)根據(jù)阻尼比的不同，分三種情況：1）ξ＜1(欠阻尼)：0e

tY

t

K

sin

1

2

t

K01

2ω0——傳感器的無阻尼固有頻率；ζ——傳感器的阻尼比；

arcsin 1

22）ξ>1(過阻尼)：2200ee(

1

)

t(

1

)

t

2

12

2

1

2

12

2

1

Y(t)

K

1

3）ξ=1(臨界阻尼)：00

tY(t)

(

t

1)KeK動(dòng)態(tài)響應(yīng)及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)(三)

二階傳感器對(duì)階躍輸入的響應(yīng)1）ξ＜1(欠阻尼)：2）ξ>1(過阻尼)：3）ξ=1(臨界阻尼)：比較以上幾種情況可知：①

ζ=1時(shí)，響應(yīng)時(shí)間最短。②阻尼ζ愈大（＞1時(shí)），上升時(shí)間愈長(zhǎng)，達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間愈長(zhǎng)。③當(dāng)ζ＜1，即欠阻尼時(shí)，階躍響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生過沖。適當(dāng)?shù)倪^沖，可加快上升的時(shí)間。實(shí)際中，為了兼顧短的上升時(shí)間和小的過沖量，通常取ζ=0.7

。(三)

二階傳感器對(duì)階躍輸入的響應(yīng)二階傳感器對(duì)階躍輸入的響應(yīng)的典型性能指標(biāo)上升時(shí)間tr：傳感器輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間ts：從輸入階躍開始到輸出穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)值附近規(guī)定的百分比之內(nèi)時(shí)所需的最小時(shí)間。若誤差設(shè)定為±5%時(shí)，在ζ=0.7時(shí)，ts最小(ts=3/ω0)峰值時(shí)間tp：從輸入階躍開始到輸出達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。(4)超調(diào)量

：

過渡過程中超過穩(wěn)態(tài)值的最大差值與穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)。傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第2章應(yīng)變式傳感器物理重量指示表數(shù)值思考：

如何設(shè)計(jì)一個(gè)電子稱？思考：

如何設(shè)計(jì)一個(gè)電子稱？力電信號(hào)應(yīng)變傳感器技術(shù)第2章

應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)變效應(yīng)

導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。取一根細(xì)電阻絲，兩端接上一臺(tái)3位半位數(shù)字式歐姆表（分辨率為1/2000），記下其初始阻值（圖中為10.01

）。當(dāng)我們用力將該電阻絲拉長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（圖中增加到為10.05

）。測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。應(yīng)變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)演示應(yīng)變式傳感器日常常見應(yīng)用應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器作為測(cè)力的主要傳感器，測(cè)力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到

0.01—0.1%。特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、測(cè)量范圍廣、體積小、特性好。是目前測(cè)量力、力矩、壓力、加速度等物理量應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第2章應(yīng)變式傳感器傳感器技術(shù)第2章

應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變片式傳感器壓阻式傳感器應(yīng)用舉例2.1

金屬應(yīng)變片式傳感器以金屬絲式應(yīng)變片為例：基本原理

基本測(cè)量電路

主要特性溫度誤差及其補(bǔ)償常用應(yīng)變式傳感器基本原理對(duì)于一長(zhǎng)為L(zhǎng)、橫截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，SR

LL2r其電阻值R為：基本原理當(dāng)電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，金屬絲幾何尺寸變化引起電阻的相對(duì)變化.全式微分，電阻值相對(duì)變化為:

R

L

S

R

L

S

SR

L基本原理

R

L

S

R

L

S

L

2

r

L

r

徑向y軸向x基本原理

R

L

2

r

R

L

r

徑向y軸向x

L定義應(yīng)變：

x

Lyr

r應(yīng)變是表征物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生相對(duì)變形大、小的無量綱物理量。基本原理徑向y軸向x

L

x

Lyr

r

r

xμ為金屬材料的泊松系數(shù)。R

L

r

在彈性范圍內(nèi)

R

L

2

r

基本原理徑向y軸向xxR

R

[(1

2

)

C(1

2

)]

無應(yīng)變時(shí)的電阻值有應(yīng)變時(shí)的電阻值變化大小金屬材料的泊松比R

R

C

金屬材料的某個(gè)常數(shù)

x

軸向應(yīng)變大小xL

LKS

[(1

2

)

C(1

2

)]S

xR

R

K

應(yīng)變靈敏系數(shù)KS基本原理徑向y軸向xS

xR

R

K

通過彈性元件可將位移、壓力、振動(dòng)等物理量將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，這是應(yīng)變式傳感器測(cè)量應(yīng)變的基本原理。基本原理S

xR

R

K

傳感器技術(shù)主講人：

吳瓊水武漢大學(xué)電子信息學(xué)院第2章應(yīng)變式傳感器2.1

金屬應(yīng)變片式傳感器以金屬絲式應(yīng)變片為例：基本原理基本測(cè)量電路主要特性溫度誤差及其補(bǔ)償常用應(yīng)變式傳感器基本結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片主要有三種：金屬絲式箔式薄膜式金屬絲式由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。2341bl柵長(zhǎng)柵寬金屬絲式341-敏感柵21由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為60?、120?、200?等多種規(guī)格，以120?最為常用。應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。金屬絲式341-敏感柵21對(duì)敏感柵的材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要小；④抗氧化能力高，