傳感器原理及應(yīng)用--概述

1、傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用任課教師：任課教師： 張國慶張國慶手機(jī)：手機(jī)QQ: 244603995辦公室：明德樓辦公室：明德樓824電子科技大學(xué)中山學(xué)院 2013本課程的性質(zhì)與要求本課程的性質(zhì)與要求 傳感器及應(yīng)用是一門專業(yè)必修課，是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門工程性、設(shè)計(jì)性要求較強(qiáng)的課程。本課程主要講述了傳感器的基本概念。它包括力、電、光、磁、輻射、位置和氣濕敏式傳感器的工作原理、測量電路和應(yīng)用舉例。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中任何控制決策均依賴于系統(tǒng)通過傳感器所獲得的信息，所以，檢測與轉(zhuǎn)換是自動(dòng)控制系統(tǒng)工程中一個(gè)非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。本課程的性質(zhì)與要求本課程的性質(zhì)與要求

2、傳感器及應(yīng)用是一門專業(yè)必修課，是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一門工程性、設(shè)計(jì)性要求較強(qiáng)的課程。本課程主要講述了傳感器的基本概念。它包括力、電、光、磁、輻射、位置和氣濕敏式傳感器的工作原理、測量電路和應(yīng)用舉例。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中任何控制決策均依賴于系統(tǒng)通過傳感器所獲得的信息，所以，檢測與轉(zhuǎn)換是自動(dòng)控制系統(tǒng)工程中一個(gè)非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。本課程的內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排本課程的內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求： 結(jié)合普通物理、電路原理、測量技術(shù)、電子技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)等有關(guān)課程知識(shí)，學(xué)習(xí)基本測量電路和主要的物理效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)、磁感效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)和光柵莫爾條紋放大原理，了解傳感器基

3、本原理、結(jié)構(gòu)、特性等有關(guān)理論，掌握如何利用傳感器的原理和特性來應(yīng)用傳感器的方法以及針對(duì)被測物理量設(shè)計(jì)測量電路的能力。學(xué)時(shí)安排：總學(xué)時(shí)數(shù)32,課內(nèi)講授16學(xué)時(shí), 實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)本課程的考核要求本課程的考核要求課程考核：平時(shí)成績 20%；包括平時(shí)作業(yè)，到課情況等考核項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)成績 20%分；期末考試成績 60%。第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論自動(dòng)檢測技術(shù)系統(tǒng)原理框圖第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論敏感元件：直接感受被測非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其它量的元件。又稱變換器。能將敏感元件感受到

4、的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。能把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理、和控制的有用電信號(hào)的電路。第第1章章 緒論緒論電阻應(yīng)變熱電偶?jí)弘婋娙蓦姼械诘?章章 緒論緒論溫度位移壓力速度頻率第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論 2210nnxaxaxaay 第第1章章 緒論緒論 1xay 44220 xaxaay 55331 xaxaxay（1） 理想的線性特性（2） 僅有偶次非線性項(xiàng)（3） 僅有奇次非線性項(xiàng)第第1章章 緒論緒論（1） （2） （3）三種形式所呈現(xiàn)的非線性程度 第第1章章 緒論緒論 00100maxFSyE第第1章章 緒論緒論 xfdxxdfdxdySn xyk 第第1

5、章章 緒論緒論yx0Rmax2Rmax1 %100maxFSRyR第第1章章 緒論緒論H第第1章章 緒論緒論 %100maxFSHyH第第1章章 緒論緒論 第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論 %10032FSy）（ 222 RHL第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論第第1章章 緒論緒論xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111 1. 微分方程2. 0dtetysYst 011011bsbsbsXasasasYmmmmnnnn 第第1章章 緒論緒論 ）（41 011011 asasabsbsbsXsYsHnnnnmm

6、mm第第1章章 緒論緒論33第第1章章 緒論緒論 21sHsHsHsHr 則： 對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。xy sH1 sH2 sHn第第1章章 緒論緒論 21sHsHsHsHp 則：xy sH1 sH2 sHn第第1章章 緒論緒論 1） 零階系統(tǒng) 在方程式（2-8）中的系數(shù)除了a0、b0之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程就變成簡單的代數(shù)方程， 即 a0y(t)=b0 x(t) 通常將該代數(shù)方程寫成 y(t)=kx(t) 式中，k=b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。第第1章章 緒論緒論 零階系統(tǒng)具有理想的動(dòng)態(tài)特性，無論被測量x(t)如何隨時(shí)間變化，

7、零階系統(tǒng)的輸出都不會(huì)失真，其輸出在時(shí)間上也無任何滯后， 所以零階系統(tǒng)又稱為比例系統(tǒng)。 在工程應(yīng)用中，電位器式的電阻傳感器、變面積式的電容傳感器及利用靜態(tài)式壓力傳感器測量液位均可看作零階系統(tǒng)。 第第1章章 緒論緒論 2） 一階系統(tǒng) 若在方程式（2-8）中的系數(shù)除了a0、a1與b0之外，其它的系數(shù)均為零，則微分方程為 )()()(001txbtyadttdya上式通常改寫成為 )()()(tkxtydttdy第第1章章 緒論緒論 式中：傳感器的時(shí)間常數(shù)，=a1/a0； k 傳 感 器 的 靜 態(tài) 靈 敏 度 或 放 大 系 數(shù) ，k=b0/a0。 時(shí)間常數(shù)具有時(shí)間的量綱，它反映傳感器的慣性的大小，

8、 靜態(tài)靈敏度則說明其靜態(tài)特性。用方程式（2-10）描述其動(dòng)態(tài)特性的傳感器就稱為一階系統(tǒng)，一階系統(tǒng)又稱為慣性系統(tǒng)。 如前面提到的不帶套管熱電偶測溫系統(tǒng)、電路中常用的阻容濾波器等均可看作為一階系統(tǒng)。 第第1章章 緒論緒論)()()()(001222txbtyadttdyadttyda二階系統(tǒng)的微分方程通常改寫為 )()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn式中：k傳感器的靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)，k=b0/a0； 傳感器的阻尼系數(shù)， n傳感器的固有頻率， )2/(201aaa20aan第第1章章 緒論緒論 根據(jù)二階微分方程特征方程根的性質(zhì)不同， 二階系統(tǒng)又可分為： 二階慣性系統(tǒng)：其特

9、點(diǎn)是特征方程的根為兩個(gè)負(fù)實(shí)根， 它相當(dāng)于兩個(gè)一階系統(tǒng)串聯(lián)。 二階振蕩系統(tǒng)：其特點(diǎn)是特征方程的根為一對(duì)帶負(fù)實(shí)部的共軛復(fù)根。 帶有套管的熱電偶、 電磁式的動(dòng)圈儀表及RLC振蕩電路等均可看作為二階系統(tǒng)。 第第1章章 緒論緒論傳感器傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性不僅與傳感器的“固有因素”有關(guān)，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說，同一個(gè)傳感器在不同形式的輸入信號(hào)作用下， 輸出量的變化是不同的， 通常選用幾種典型的輸入信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)， 研究傳感器的響應(yīng)特性。 1 1） 瞬態(tài)響應(yīng)特性瞬態(tài)響應(yīng)特性 傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時(shí)間響應(yīng)。在研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，有時(shí)需要從時(shí)域中對(duì)傳感器

10、的響應(yīng)和過渡過程進(jìn)行分析， 這種分析方法稱為時(shí)域分析法。傳感器在進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，用得比較多的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)，傳感器的輸出瞬態(tài)響應(yīng)分別稱為階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)。 第第1章章 緒論緒論 (1) 一階傳感器的單位階躍響應(yīng) 一階傳感器的微分方程為 )()()(tkxtydttdy設(shè)傳感器的靜態(tài)靈敏度k=1， 寫出它的傳遞函數(shù)為 11)()()(ssXsYsH對(duì)初始狀態(tài)為零的傳感器，若輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)，即 10)(txt0 t0 第第1章章 緒論緒論輸入信號(hào)x(t)的拉氏變換為 ssX1)(一階傳感器的單位階躍響應(yīng)拉氏變換式為 sssXsHsY111)()()(對(duì)式(2-13)進(jìn)行拉

11、氏反變換， 可得一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為 tety1)(第第1章章 緒論緒論 相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖2-8所示。由圖可見，傳感器存在慣性， 它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，而是從零開始，按指數(shù)規(guī)律上升， 最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。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=（34）時(shí)，如當(dāng)t=4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)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，值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。 第第1章章 緒論緒論一階傳感器單位階躍響應(yīng) 02345tx(t)y(t)y(t)x(t)10.6320.8650

12、.9500.9820.993第第1章章 緒論緒論(2） 二階傳感器的單位階躍響應(yīng) )()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn設(shè)傳感器的靜態(tài)靈敏度k=1，其二階傳感器的傳遞函數(shù)為 2222)(nnnsssH傳感器輸出的拉氏變換為 )2()()()(222nnnssssXsHsY第第1章章 緒論緒論二階傳感器單位階躍響應(yīng) y(t)2100.71200.10.30.5nt第第1章章 緒論緒論 上圖二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線，二階傳感器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比和固有角頻率n。 =0時(shí)，特征根為一對(duì)虛根，階躍響應(yīng)是一個(gè)等幅振蕩過程， 這種等幅振蕩狀態(tài)又稱為無阻尼狀態(tài)

13、；1時(shí)， 特征根為兩個(gè)不同的負(fù)實(shí)根， 階躍響應(yīng)是一個(gè)不振蕩的衰減過程， 這種狀態(tài)又稱為過阻尼狀態(tài)；=1 時(shí)，特征根為兩個(gè)相同的負(fù)實(shí)根，階躍響應(yīng)也是一個(gè)不振蕩的衰減過程，但是它是一個(gè)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)；01時(shí)， 特征根為一對(duì)共軛復(fù)根，階躍響應(yīng)是一個(gè)衰減振蕩過程，在這一過程中值不同，衰減快慢也不同，這種衰減振蕩狀態(tài)又稱為欠阻尼狀態(tài)。 第第1章章 緒論緒論 阻尼比直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)，為了獲得滿意的瞬態(tài)響應(yīng)特性，實(shí)際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整，對(duì)于二階傳感器取=0.60.7之間，則最大超調(diào)量不超過10%，趨于穩(wěn)態(tài)的調(diào)整時(shí)間也最短，約為（34）/()。固有頻率n由傳

14、感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，固有頻率n也即等幅振蕩的頻率，n越高，傳感器的響應(yīng)也越快。 第第1章章 緒論緒論(3） 傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)敘述如下： 時(shí)間常數(shù)：一階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所需的時(shí)間,稱為時(shí)間常數(shù)。 延遲時(shí)間td：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時(shí)間。 上升時(shí)間tr：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。 峰值時(shí)間tp： 二階傳感器輸出響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。 超調(diào)量： 二階傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。 衰減比d：衰減振蕩的二階傳感器輸出響應(yīng)曲線第一個(gè)峰值與第二個(gè)峰值之比。 第第1章章 緒論緒論一階傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) trtd00.5

15、0.6320.91.0ty(t)第第1章章 緒論緒論二階傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) y(t)1.00.9t0.5tptrtd0第第1章章 緒論緒論 2） 頻率響應(yīng)特性 傳感器對(duì)不同頻率成分的正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。一個(gè)傳感器輸入端有正弦信號(hào)作用時(shí)，其輸出響應(yīng)仍然是同頻率的正弦信號(hào)， 只是與輸入端正弦信號(hào)的幅值和相位不同。頻率響應(yīng)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兩者相位差的變化。 (1） 一階傳感器的頻率響應(yīng) 將一階傳感器傳遞函數(shù)式（2-12）中的s用j代替后，即可得如下的頻率特性表達(dá)式： 22)(1)(1111)(jjjH第第1章章 緒論緒論幅頻特性:

16、 2)(11)(A相頻特性： )arctan()(t第第1章章 緒論緒論 從式（2-18）、（2-19）和圖2-12可看出，時(shí)間常數(shù)越小， 頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng)1時(shí)， A（）1，（）0， 表明傳感器輸出與輸入成線性關(guān)系，且相位差也很小， 輸出y(t)比較真實(shí)地反映了輸入x(t)的變化規(guī)律。因此減小可改善傳感器的頻率特性。除了用時(shí)間常數(shù)表示一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性外， 在頻率響應(yīng)中也用截止頻率來描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性。所謂截止頻率，是指幅值比下降到零頻率幅值比的 倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，截止頻率反映傳感器的響應(yīng)速度，截止頻率越高，傳感器的響應(yīng)越快。 對(duì)一階傳感器, 其截止頻率為1/。2/1第第1章章 緒論緒

17、論一階傳感器頻率響應(yīng)特性 (a) 幅頻特性； (b) 相頻特性 21.00.70.50.40.30.20.10.10.20.51.02510A()0.50.20.11.02510020406080()(a)(b) 第第1章章 緒論緒論 (2） 二階傳感器的頻率響應(yīng) 由二階傳感器的傳遞函數(shù)式（2-15）可寫出二階傳感器的頻率特性表達(dá)式， 即 nnnnnjjjjH211)(2)()(2222其幅頻特性、 相頻特性分別為 222211| )(|)(nnjHA第第1章章 緒論緒論212arctan)()(nnjH 相位角負(fù)值表示相位滯后。由式（2-21）及式（2-22）可畫出二階傳感器的幅頻特性曲線和

18、相頻特性曲線，如圖2-13所示。 第第1章章 緒論緒論二階傳感器頻率響應(yīng)特性曲線(a) 幅頻特性； (b) 相頻特性 第第1章章 緒論緒論 從式（2-21）、（2-22）和圖2-13可見，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n和阻尼比。 當(dāng)時(shí)，A（）1，（）很小， 此時(shí)，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n至少應(yīng)為被測信號(hào)頻率的（35）倍， 即n（35）。 為了減小動(dòng)態(tài)誤差和擴(kuò)大頻率響應(yīng)范圍，一般是提高傳感器固有頻率n， 而固有頻率n與傳感器運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量m和彈性敏感元件的剛度k有關(guān)， 即n =（k/m）1/2。 增大剛度k和減小質(zhì)量m都可提高固有頻率，但剛

19、度k增加，會(huì)使傳感器靈敏度降低。 所以在實(shí)際中，應(yīng)綜合各種因素來確定傳感器的各個(gè)特征參數(shù)。 第第1章章 緒論緒論 (3） 頻率響應(yīng)特性指標(biāo) 頻率響應(yīng)特性指標(biāo)敘述如下： 通頻帶0.707： 傳感器在對(duì)數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，如圖2-14所示。 工作頻帶0.95（或0.90）：當(dāng)傳感器的幅值誤差為5%（或10%）時(shí)其增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍。 時(shí)間常數(shù)： 用時(shí)間常數(shù)來表征一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性。越小，頻帶越寬。 固有頻率n： 二階傳感器的固有頻率n表征其動(dòng)態(tài)特性。 相位誤差：在工作頻帶范圍內(nèi)，傳感器的實(shí)際輸出與所希望的無失真輸出間的相位差值，即為相位誤差。 跟隨角0.707: 當(dāng)=0.707時(shí)，對(duì)應(yīng)于相頻特性上的相角， 即為跟隨角。 第第1章章 緒論緒論1.00.950.