傳感器原理與技術(shù)

1、傳感器原理與技術(shù)電氣與電子工程系趙茂林課程介紹傳感器的基本特性l靜態(tài)特性l動態(tài)特性傳感器原理與應(yīng)用及檢測技術(shù)l*常用傳感器的工作原理及應(yīng)用；l*接口與轉(zhuǎn)換電路；教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟悉常用傳感器的工作原理和基本電路，了解常用非電量測量的基本原理及基本測試方法，具備一定的數(shù)據(jù)處理能力。力求使學(xué)生在今后的工作過程中，能正確選用各類傳感器并配合相關(guān)知識實(shí)現(xiàn)常見工業(yè)參數(shù)的測試及處理。 第一章 緒論信息獲取是信息流的一環(huán)。信息獲取是信息流的一環(huán)。信息流組成信息流組成信息流信息流獲取傳輸處理控制信息化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然。信息化是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然。獲取信息是儀器科學(xué)的基本任務(wù)。獲

2、取信息是儀器科學(xué)的基本任務(wù)。l傳感器技術(shù)l誤差理論和數(shù)據(jù)處理技術(shù)l電子測量技術(shù)l檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)l抗干擾技術(shù)其中：*傳感器技術(shù)是整個檢測與測試系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。*電子測量技術(shù)是整個檢測與測試系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)。 *自動化 *網(wǎng)絡(luò)化 *智能化 *高速綜合化第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的定義與組成傳感器的定義與組成一、傳感器的定義我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7765-87)中，傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。我們的定義是：傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的有用輸出信號的元器

3、件或裝置。包含了以下幾方面的意思：傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；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。它的輸出量是某中物理量，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、電物理量，但主要是電物理量；輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精度程度。二、 傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖見下圖。敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電參量。 信號調(diào)節(jié)電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換成便于測量，處理和控制的電量輸出。 第二節(jié)第二

4、節(jié) 傳感器的分類按被測量分類，可分為物理型、化學(xué)型、生物型等。按傳感器的工作機(jī)理，可分為結(jié)構(gòu)型、物理型和復(fù)合型三大類。根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器。按照物理原理分類，可分為：1）電參量式傳感器:包括電阻式、電感式、電容式等三個基本型式。2）磁電式傳感器:包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等。3）壓電式傳感器。4）光電式傳感器:包括一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等。5）氣電式傳感器。6）熱電式傳感器。7）波式傳感器:包括超聲波式、微波式等。8）射線式傳感器。9）半導(dǎo)體式傳感器。按照傳感器的用途來分類，可分為位移傳感器、壓力傳感

5、器、振動傳感器、溫度傳感器等等。另外，根據(jù)傳感器輸出是模擬信號還是數(shù)字信號，可分為模擬和數(shù)字傳感器；第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的技術(shù)特點(diǎn)傳感器的技術(shù)特點(diǎn)內(nèi)容范圍廣知識密集度高技術(shù)工藝要求高功能優(yōu)良性能好品種繁多、應(yīng)用廣泛第四節(jié)第四節(jié) 傳感器的數(shù)學(xué)模型傳感器的數(shù)學(xué)模型測量系統(tǒng)(廣義)指單臺的測量儀器，和由多臺儀器及設(shè)備等組成的完整測試系統(tǒng)，也可指組成測量系統(tǒng)中的某一環(huán)節(jié)或單元。測量系統(tǒng)的基本特性可由其輸入、輸出的關(guān)系來表征，它是測量系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的外部特性，并由其內(nèi)部參數(shù)也即系統(tǒng)本身的固有屬性所決定。傳感器的數(shù)學(xué)模型可分為兩類：靜態(tài)模型:l測量系統(tǒng)的靜態(tài)模型是指測量系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，

6、輸入與輸出之間的函數(shù)關(guān)系。動態(tài)模型：l測量系統(tǒng)的動態(tài)模型是指測量系統(tǒng)的輸入為不斷變化的情況，此時其輸入量與輸出量間的函數(shù)關(guān)系。1傳感器的靜態(tài)模型 靜態(tài)模型靜態(tài)模型檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)輸入量輸入量x輸出量輸出量y理想狀態(tài)：理想狀態(tài)：實(shí)際狀態(tài)：實(shí)際狀態(tài)：bxaya - 零點(diǎn)輸出零點(diǎn)輸出)(xfy b - 理論靈敏度理論靈敏度線性關(guān)系線性關(guān)系非線性關(guān)系非線性關(guān)系xyaO非線性原因：非線性原因：誤差因素誤差因素測測 量量 系系 統(tǒng)統(tǒng)輸入輸入 x輸入輸入 y = f(x)溫溫度度濕濕度度壓壓力力沖沖擊擊振振動動磁磁場場電電場場摩摩擦擦間間隙隙松松動動遲遲滯滯蠕蠕變變變變形形老老化化外界干擾外界干擾2傳感器的

7、動態(tài)模型 動態(tài)模型動態(tài)模型l傳感器的動態(tài)特性用數(shù)學(xué)模型來描述，主要有三種形式： 時域中的微分方程； 復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)； 頻域中的頻率特性。1.微分方程1101( )( )( )( )nnnnnnnd y fdy tdy taaaa y tdtdtdt11101( )( )( )( )mmmmmmd x tdx tdx tbbbb x tdtdtdt式中，式中， x(t)為系統(tǒng)輸入；為系統(tǒng)輸入；y(t)為系統(tǒng)輸出；為系統(tǒng)輸出；a i 、b i ( i=0,1, )為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，是常數(shù)。系統(tǒng)的為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，是常數(shù)。系統(tǒng)的階次由輸出量最高微分階次決定。常見的有零階、一階次由輸出量最高微

8、分階次決定。常見的有零階、一階、二階系統(tǒng)。階、二階系統(tǒng)。*優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：概念清晰，輸入概念清晰，輸入 - 輸出關(guān)系明了，可獲得系統(tǒng)輸出關(guān)系明了，可獲得系統(tǒng) 的的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。*缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：求解方程麻煩。求解方程麻煩。2.傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)：在初始條件為零時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比，即將微分方程轉(zhuǎn)換成為復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型。11110110( )()( )()nnmmnnmmY s asa sas aX s bsb sbs b 0( )( )(,0)stY sy t edtsj 0( )( )stX sx t edt11101110()()()mmmmnnnn

9、bsbsb sbYsHsXsa sasa sa傳遞函數(shù)有以下特點(diǎn)：H(S)和輸入x(t)無關(guān)，它只反映測量系統(tǒng)本身固有的特性。H(S)反映系統(tǒng)的響應(yīng)特性，包含瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)的時間響應(yīng)和頻率響應(yīng)的全部信息，而與具體的物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。不同的物理系統(tǒng)可以有相同的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)與微分方程等價。3.頻率響應(yīng)函數(shù) 頻率特性：是在初始條件為零的情況下，輸出的傅里葉變換和輸入的傅里葉變換之比。11101110()()()()()()()()()mmmmnnnnbjbjb jbY jH jX jajajaja0()( )jtYjy t edt0()( )jtXjx t edt頻率響應(yīng)特性的特點(diǎn)1, 從物理意義上說

10、，通過傅里葉變換可把滿足一定條件的任意信號分解成不同頻率的正弦信號之和。2, 頻率響應(yīng)函數(shù)在頻率域中反映一個系統(tǒng)對正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，故又稱其為正弦傳遞函數(shù)。 穩(wěn)態(tài)輸出與輸入幅值之比（幅頻特性）以及兩者相位差（相頻特性）是輸入頻率的函數(shù)。v頻率響應(yīng)函數(shù)是傳遞函數(shù)的特例。頻率響應(yīng)函數(shù)是傳遞函數(shù)的特例。將頻率響應(yīng)函數(shù)將頻率響應(yīng)函數(shù)H(j)寫成幅值與相角表達(dá)的寫成幅值與相角表達(dá)的指數(shù)函數(shù)形式，有：指數(shù)函數(shù)形式，有：式中，式中，A()為復(fù)數(shù)為復(fù)數(shù)H(j)的模的模 ，稱之為系統(tǒng)的幅頻特性；，稱之為系統(tǒng)的幅頻特性；()為為H(j)的幅角，稱之為系統(tǒng)的相頻特性。的幅角，稱之為系統(tǒng)的相頻特性。)()()()(

11、AeAjHj jHXYA)( xyjH arctan將將H(j)用實(shí)部和虛部的組合形式來表達(dá)：用實(shí)部和虛部的組合形式來表達(dá)：其中，其中，P()和和Q()均為均為的實(shí)函數(shù)的實(shí)函數(shù) ，則，則 jQPjH 22QPA傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)的區(qū)別傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)的區(qū)別l對于一個從t=0開始所施加的簡諧信號激勵來說，采用拉普拉斯變換解得的系統(tǒng)輸出將由兩部分組成：由激勵所引起的、反映系統(tǒng)固有特性的瞬態(tài)輸出瞬態(tài)輸出以及該激勵所對應(yīng)的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出穩(wěn)態(tài)輸出。l對頻率響應(yīng)函數(shù)H(j)，當(dāng)輸入為簡諧信號時，在觀察的時刻，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)已趨近于零，頻率響應(yīng)函數(shù)表達(dá)的僅僅是系統(tǒng)對簡諧輸入信號的穩(wěn)態(tài)輸出穩(wěn)態(tài)輸出。

12、 l用頻率響應(yīng)函數(shù)不能反映過渡過程，必須用傳遞函數(shù)才能反映全過程。幅頻特性和相頻特性幅頻特性：當(dāng)輸入正弦信號的頻率改變時，輸出、輸入正弦信號的振幅之比隨頻率的變化情況。即 之間的函數(shù)關(guān)系。A() ：輸出幅值與輸入幅值比 - 系統(tǒng)的動態(tài)靈敏度 （增益）。頻響范圍：誤差3dB對應(yīng)的頻率范圍。又稱作通頻帶、頻帶、帶寬、工作頻帶。|( )|( )|( )|( )|YAHX)(A相頻特性：輸出、輸入正弦信號的相位差隨頻率的變化情況。即 之間的函數(shù)關(guān)系。( )arctan( )H )(常見測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1, 零階系統(tǒng)零階系統(tǒng)的微分方程：零階系統(tǒng)的幅頻特性：零階系統(tǒng)的相頻特性：xbya00KA)(0)(

13、Kxxaby00特點(diǎn)：la) 屬于靜態(tài)環(huán)節(jié)：靜態(tài)靈敏度系數(shù)。lb) 輸出 輸入，又稱為比例環(huán)節(jié)。lc)理想狀態(tài)下，零階系統(tǒng)的特性與時間無關(guān)，與頻率無關(guān)，無滯后，無慣性。00/abK 實(shí)例：角位移式電位計微分方程：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：KUUE180/0180/EUK UEU0常見測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2，一階系統(tǒng)l一階系統(tǒng)的微分方程：設(shè) ，xbyadtdya001xabydtdyaa000101/aa00/abK xydtdy一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)對以上微分方程兩邊分別應(yīng)用拉普拉斯變換，可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：整理后可得：)()()(sKxsyssy1)()()(sKsxsysH一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) ： 令

14、以上傳遞函數(shù)中的令以上傳遞函數(shù)中的s=jw，可以得到系統(tǒng)的頻率，可以得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)響應(yīng)函數(shù) ：111122jKjKjH一階系統(tǒng)的幅頻特性：一階系統(tǒng)的幅頻特性：一階系統(tǒng)的相頻特性：一階系統(tǒng)的相頻特性：1)(/)(2KAarctan)(幅頻特性和相頻特性對數(shù)圖（伯德圖）：一般希望幅頻特性平直段長，相頻特性的相位差一般希望幅頻特性平直段長，相頻特性的相位差（）與頻率與頻率成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)輸入階躍信號x(t)時,響應(yīng)為y(t)。X(t) 0, t 1, 過阻尼： 無過沖，無震蕩，過阻尼曲線上升慢，無過沖，無震蕩，過阻尼曲線上升慢，響應(yīng)速度低。響應(yīng)速度低。 2),

15、 殘差：i = yi (b + k xi) 使殘差平方和最?。?i=min 。其中，其中，特點(diǎn)特點(diǎn)：精度高精度高。xy22)(iiiiiixxnyxyxnk222)(iiiiiiixxnyxxyxb例：已知某測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性曲線方程為例：已知某測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性曲線方程為Y=eY=eX X，試分試分別用端基法和最小二乘法在別用端基法和最小二乘法在00 x1x1范圍內(nèi)進(jìn)行直線擬合，范圍內(nèi)進(jìn)行直線擬合，并求出相應(yīng)的線性度。并求出相應(yīng)的線性度。解：1，端基法端基法設(shè)擬合直線方程為設(shè)擬合直線方程為y=b+kx。1=b+k*0e=b+k*1b=1k=1.718所以端基法擬合直線方程為所以端基法擬合直線

16、方程為y=1+1.718x此時，此時，= eX - 1-1.718x，由由d /dx=0，可得可得x=0.5413所以max=0.2118%3.12%10012118.0%100.maxeySFL2,最小二乘法最小二乘法將測量范圍5等分，即取n=6。x00.20.40.60.81y11.2211.4921.8222.2262.718X200.040.160.360.641xy00.2440.5971.0931.7812.718分別計算xi=3，yi=10.479， xi yi =6.433， xi 2=2.2，代入公式計算得705. 192 . 26479.103433. 66)(22iiii

17、iixxnyxyxnk894. 092 . 263433. 62 . 2479.10)(222iiiiiiixxnyxxyxb所以最小二乘法擬合直線方程為所以最小二乘法擬合直線方程為y=0.894+1.705x此時，此時，= eX 0.894-1.705x，由由d /dx=0，可得可得x=0.5335所以max=0.0987%75.5%10010987.0%100.maxeySFL例：一只壓力計的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表所示。例：一只壓力計的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表所示。 求：求：1 1、靈敏度；、靈敏度；2 2、遲滯誤差。、遲滯誤差。壓力計的標(biāo)定數(shù)據(jù)壓力計的標(biāo)定數(shù)據(jù) xi(KPa)yi(mV)246810校校準(zhǔn)準(zhǔn)次次數(shù)數(shù)1正行程正行程190.9382.8575.8769.4963.9反行程反行程191.6384.1577.3770.6964.42正行程正行程191.1383.2576.1769.8964.6反行程反行程191.6384.2577.4771.0965.1解：用最小二乘法求得擬合直線方程為：解：用最小二乘法求得擬合直線方程為： y= - 2.66 + 96.65x 由已知數(shù)據(jù)可以求出：由已知數(shù)據(jù)可以求出： xi(KPa)yi(mV)246810正行程平均值正行程平均值191.00383.00575.95769.60964.25反行程平