第一章 傳感器特性

1、材料加工中的傳感技術(shù)材料加工中的傳感技術(shù)及信號(hào)分析及信號(hào)分析天津大學(xué)材料學(xué)院天津大學(xué)材料學(xué)院主講：羅震主講：羅震材料成型過(guò)程傳感技術(shù)及信號(hào)處理方法教學(xué)大綱 一、課程的基本情況1、課程名稱：材料成型過(guò)程傳感技術(shù)及信號(hào)處理方法2、課程類別：任選課程3、總 學(xué) 時(shí)：26學(xué)時(shí) 學(xué)分：1.5學(xué)分4、適用年級(jí)專業(yè)：大學(xué) 4 年級(jí)、焊接專業(yè)5、先修課程：電工電子學(xué)，電弧焊方法及工藝、工程數(shù)學(xué)。6、教 材：自己編制7、開(kāi)課單位：材料加工與過(guò)程控制自動(dòng)化系 二、課程基本要求和目的 本課程是一門理論性、實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其目的是使學(xué)生初步掌握材料成形過(guò)程中的所用傳感器和信號(hào)處理方法。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)對(duì)

2、材料成型中所用傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)有清楚地認(rèn)識(shí)；初步了解信號(hào)處理的方法，掌握常用的時(shí)域和頻域信號(hào)處理原理、計(jì)算方法. 課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容1 1、常用傳感器、常用傳感器2 2、焊接傳感器、焊接傳感器3 3、信號(hào)分析、信號(hào)分析參參 考考 書書基本要求：基本要求：1 1、自己編寫教材、自己編寫教材較高要求較高要求：2 2、傳感器、傳感器 哈工大哈工大 強(qiáng)錫富強(qiáng)錫富3 3、傳感器原理及應(yīng)用、傳感器原理及應(yīng)用 天津大學(xué)天津大學(xué) 王化祥王化祥電阻式遠(yuǎn)傳壓力表感應(yīng)式流量表稱重傳感器CCD傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器壓阻式液位傳感器光敏傳感器溫度傳感器風(fēng)力參數(shù)傳感器地震檢波器反射式光敏傳感器磁、氣、力敏

3、傳感器超聲傳感器1傳感器資訊網(wǎng)：傳感器資訊網(wǎng)： http:/2儀表技術(shù)與傳感器儀表技術(shù)與傳感器 http:/www.i-3傳感器世界傳感器世界 http:/4中國(guó)傳感器中國(guó)傳感器 http:/5傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) http:/www.sensor-621IC中國(guó)電子網(wǎng)中國(guó)電子網(wǎng) http:/參考網(wǎng)站第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的地位和作用傳感器的地位和作用傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒(méi)有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。沒(méi)有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。 傳感器是邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)

4、。傳感器是邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)。第一章第一章 緒緒 論論可見(jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步可見(jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面起著重要作用。等方面起著重要作用。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣

5、的傳感器。第二節(jié)第二節(jié) 傳感器的定義傳感器的定義 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成能夠感受規(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)的器件或裝置。可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。 傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭傳感器功用

6、：一感二傳,即感受被測(cè)信息,并傳送出去。V、I、F、P第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的組成傳感器的組成 輔助電源敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)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)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。實(shí)際上，有些傳感器很簡(jiǎn)單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的傳感器由一個(gè)敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，它感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒(méi)有轉(zhuǎn)換電

7、路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過(guò)若干次轉(zhuǎn)換。由于空間的限制或者其他原因,轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。然而，因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號(hào)，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 第四節(jié)第四節(jié) 傳感器的分類傳感器的分類 1、按傳感器的工作機(jī)理，分為物理型、化學(xué)型、生物型等 2、按構(gòu)成原理，結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類 3、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4、按照物理原理分類：十種 5、按照傳感器的用途分類 ：位移、壓力、振動(dòng)、溫度傳感器7、根據(jù)傳感器輸出信號(hào)：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)

8、6、根據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程可逆與否 ：?jiǎn)蜗蚝碗p向8、根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無(wú)源傳感器 結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律構(gòu)成的，包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律，電磁場(chǎng)的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對(duì)于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時(shí)的數(shù)學(xué)模型。這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對(duì)位置變化引起場(chǎng)的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。 物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的,如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。

9、如，光電管，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關(guān)系。又如，所有半導(dǎo)體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。 能量控制型傳感器，在信息變化過(guò)程中，傳感器將從被測(cè)對(duì)象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵(lì)源，使外部激勵(lì)源的部分能量載運(yùn)信息而形成輸出信號(hào)，這類傳感器必須由外部提供激勵(lì)源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器。基于應(yīng)變電阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等的傳感器也屬于此類傳感器。 能量轉(zhuǎn)換型傳感器，又稱有源型或發(fā)生器型，傳感器將從被測(cè)對(duì)象獲取的信息能量直

10、接轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)能量，主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)等的傳感器都屬于此類傳感器。 按照物理原理分類：按照物理原理分類：電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等； 磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等； 壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器； 光電式傳感器：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；氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式； 熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻； 波式傳感器：超聲波式、微波式等；射線式傳感器：熱輻射式、射線式；半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；其他原理的傳感器：差動(dòng)變壓器、振弦式等。 有些傳感器

11、的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式,如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。 第五節(jié)第五節(jié) 傳感器的發(fā)展趨勢(shì)傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)方面：提高與改善傳感器的技術(shù)性能提高與改善傳感器的技術(shù)性能；尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。 一、改善傳感器的性能的技術(shù)途徑一、改善傳感器的性能的技術(shù)途徑1 1差動(dòng)技術(shù)差動(dòng)技術(shù) 差動(dòng)技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化溫度變化、電源波動(dòng)電源波動(dòng)、外界干擾外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，抵消了共模誤差共模誤差，減小非線非線性誤差性誤差等。不少傳感器由于采用了差動(dòng)技術(shù)，還可使靈敏度

12、增大靈敏度增大。 2 2平均技術(shù)平均技術(shù) 在傳感器中普遍采用平均技術(shù)可產(chǎn)生平均效應(yīng)，其原理是利用若干個(gè)傳感單元同時(shí)感受被測(cè)量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個(gè)單元可能帶來(lái)的誤差均可看作隨機(jī)誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為=/n式中 n傳感單元數(shù)。可見(jiàn)，在傳感器中利用平均技術(shù)不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號(hào)量，即增大傳感器靈敏度。3 3補(bǔ)償與修正技術(shù)補(bǔ)償與修正技術(shù) 補(bǔ)償與修正技術(shù)的運(yùn)用大致針對(duì)兩種情況： 針對(duì)傳感器本身特性針對(duì)傳感器本身特性 針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境 對(duì)于傳感器特性傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測(cè)出其大小和方

13、向，采用適當(dāng)?shù)姆椒右匝a(bǔ)償或修正。 針對(duì)傳感器工作條件或外界環(huán)境傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也是提高傳感器精度的有力技術(shù)措施。不少傳感器對(duì)溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必要時(shí)可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費(fèi)用太高，或使用現(xiàn)場(chǎng)不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補(bǔ)償又常常是可行的。這時(shí)應(yīng)找出溫度對(duì)測(cè)量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補(bǔ)償措施。補(bǔ)償與修正，可以利用電子線路（硬件）來(lái)解決，也可以采用微型計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。4 4屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽、隔離與干擾抑制 傳感器大都要在現(xiàn)場(chǎng)工作，現(xiàn)場(chǎng)的條件往往是難以充分預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器

14、的精度與各有關(guān)性能。為了減小測(cè)量誤差，保證其原有性能，就應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界因素對(duì)傳感器的影響。其方法有：u 減小傳感器對(duì)影響因素的靈敏度u 降低外界因素對(duì)傳感器實(shí)際作用的程度對(duì)于電磁干擾，可以采用屏蔽屏蔽、隔離隔離措施，也可用濾濾波波等方法抑制。對(duì)于如溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分離或抑制，減小其影響。 5穩(wěn)定性處理穩(wěn)定性處理 在使用傳感器時(shí)，若測(cè)量要求較高，必要時(shí)也應(yīng)對(duì)附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關(guān)鍵元器件進(jìn)行老化處理。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：對(duì)材料、元器件或傳對(duì)材料、元器件或傳感器整體

15、進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時(shí)間的推移和隨著時(shí)間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。能將發(fā)生變化。傳感器作為長(zhǎng)期測(cè)量或反復(fù)使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過(guò)精度指標(biāo)，尤其是對(duì)那些很難或無(wú)法定期標(biāo)定的場(chǎng)合。二、傳感器的發(fā)展動(dòng)向v 開(kāi)發(fā)新型傳感器開(kāi)發(fā)新型傳感器 v 開(kāi)發(fā)新材料開(kāi)發(fā)新材料 v 新工藝的采用新工藝的采用 v 集成化、多功能化集成化、多功能化v 智能化智能化 開(kāi)展

16、基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)傳感器的新開(kāi)展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化材料和新工藝；實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結(jié)構(gòu)型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結(jié)構(gòu)型傳結(jié)構(gòu)型傳感器感器，一般說(shuō)它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)格偏高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，價(jià)格偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點(diǎn)，加之過(guò)去發(fā)展也不夠。世界各國(guó)都在物性

17、型傳感器方面投入大量人力、物力加強(qiáng)研究，從而使它成為一個(gè)值得注意的發(fā)展動(dòng)向。 1 1開(kāi)發(fā)新型傳感器開(kāi)發(fā)新型傳感器新型傳感器包括：采用新原理；填補(bǔ)傳感器空白；仿生傳感器等方面。它們之間是互相聯(lián)系的。傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，人們?cè)谥圃鞎r(shí)，可任意控制它們的成分，從而設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來(lái)制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。2 2開(kāi)發(fā)新材料開(kāi)發(fā)新材料（1）半導(dǎo)體敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳

18、感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點(diǎn)。有機(jī)材料作為傳感器材料的研究，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。在發(fā)展新型傳感器中，離不開(kāi)新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)又稱微機(jī)械加工技術(shù)，是近年來(lái)隨著集成電路工藝發(fā)展起來(lái)的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來(lái)越多地用于傳感器領(lǐng)域。 3 3新工藝的采用新工藝的采用例如利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等各種開(kāi)頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。

19、 4 4集成化、多功能化集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個(gè)傳感同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)，如CCD圖像傳感器。多功能一體化，即將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)即將傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件。把多個(gè)功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)的測(cè)量外，還可對(duì)這些參數(shù)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評(píng)價(jià)，可反映出被測(cè)系統(tǒng)的整體狀態(tài)。 為同時(shí)測(cè)量幾種不同被測(cè)參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功

20、能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。5 5智能化智能化對(duì)外界信息具有檢測(cè)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷邏輯判斷、自診斷自診斷和自適應(yīng)自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機(jī)互相對(duì)話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度傳輸?shù)?。智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實(shí)現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。如，DS18B20、傳感器測(cè)量系統(tǒng)傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系關(guān)系。第六節(jié)第六節(jié) 傳感器的特

21、性傳感器的特性 傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來(lái)描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時(shí)，即得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)特例。 當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，這一關(guān)系稱當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，這一關(guān)系稱為動(dòng)態(tài)特性。為動(dòng)態(tài)特性。 當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，這一關(guān)系稱為靜態(tài)特性；實(shí)際上傳感器的靜態(tài)特性要包括非線性非線性和隨機(jī)性隨機(jī)性等因素，如果把這些因素都引入微分方程將使問(wèn)題復(fù)雜化。為避免這種情況，總是把靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分開(kāi)考慮。傳感器的輸出與輸入具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系最好呈線性關(guān)系。但一般情況下，輸出輸入不會(huì)符合所要求的線性關(guān)系，同時(shí)由于存在遲滯、蠕

22、變、摩擦、間隙和松動(dòng)等各種因素以及外界條件的影響，使輸出輸入對(duì)應(yīng)關(guān)系的唯一確定性也不能實(shí)現(xiàn)?？紤]了這些情況之后，傳感器的輸出輸入作用圖大致如圖所示。傳感器除了描述輸出輸入關(guān)系的特性之外，還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。穩(wěn)定性(零漂)傳感器傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動(dòng)電磁場(chǎng)線性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響 傳感器輸入輸出作用圖輸出取決于傳感器本身，可通過(guò)傳感器本身的改善來(lái)加以抑制，有時(shí)也可以對(duì)外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說(shuō)問(wèn)題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)

23、系。這時(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理。一、靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)一、靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)1 1線性度線性度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：式中：y輸出量； x輸入量； a0零點(diǎn)輸出； a1理論靈敏度； 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。各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn 通常用相對(duì)誤差L表示：Lmax一最大非線性誤差； yFS量程輸出。在采用直線擬合線性化時(shí)，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之

24、間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度一般來(lái)說(shuō)，這些辦法都比較復(fù)雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來(lái)線性化。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來(lái)的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。L=(Lmax/yFS)100%理論擬合；理論擬合；端點(diǎn)連線平移擬合；端點(diǎn)連線平移擬合；端點(diǎn)連線擬合；端點(diǎn)連線擬合； 過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；最小二乘擬合；最小二乘擬合； 最小包容擬合最小包容擬合直線擬合方法 a)理論擬合 b)過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合 c)端點(diǎn)連線擬合 d)端點(diǎn)連線平移

25、擬合設(shè)擬合直線方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法min2112niiiniibkxy最小二乘法擬合最小二乘法擬合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)值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使 為最小值，即i=yi-(kxi+b) 對(duì)k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出a和k的表達(dá)式2i2i即得到k和b的表達(dá)式022iiiixbkxyk0122bkxybiii22iiiiiixxnyxyxnk 222iiiiiiixxnyxxyxb將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。2 2遲滯遲滯0yxHmaxyFS遲滯特

26、性%100/2/1maxFSHHy式中 Hmax正反行程間輸出的最大差值。 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)差值的最大者即為回程誤差。 傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即3重復(fù)性yx0Rmax2Rmax1%100/maxFSRRy重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚粗貜?fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所同一方向連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特

27、性曲線不一致的程度得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差也常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)時(shí)也可選取幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每一點(diǎn)多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，yin ，算出最大值與最小值之差或3作為重復(fù)性偏差Ri，在幾個(gè)Ri中取出最大值Rmax 作為重復(fù)性誤差。Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差， Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。%100/)32(FSRy4靈敏度與靈敏度誤差s=(k/k)100%由于某種原因，會(huì)引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對(duì)誤差表示，即可見(jiàn)，傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。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

28、大小無(wú)關(guān)。K=y/x傳感器輸出的變化量傳感器輸出的變化量 y與引起該變化量的輸入變化量與引起該變化量的輸入變化量 x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為分辨力用絕對(duì)值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值閾值。 5分辨力與閾值分辨力是指?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。 6穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對(duì)誤差表示

29、,也可用絕對(duì)誤差表示。 穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時(shí)稱為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。的變化，有時(shí)稱為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。測(cè)試時(shí)先將傳感器置于一定溫度(如20),將其輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如5或10),再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。 8 8抗干擾穩(wěn)定性抗干擾穩(wěn)定性7溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟认螺敵隽堪l(fā)生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干的絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示,每引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。指?jìng)鞲衅鲗?duì)外界干擾的抵抗能力

30、，例如抗沖擊和振動(dòng)的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場(chǎng)干擾的能力等。評(píng)價(jià)這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問(wèn)題具體分析。2111niiyn 9 9靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差取2 和3 值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對(duì)誤差來(lái)表示，即 %100/3FSy靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差,看成是隨機(jī)分布,求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差,即靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。理論值的偏離程度。yi各測(cè)試點(diǎn)的殘差； n一測(cè)試點(diǎn)數(shù)。2222SRLH與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度(精度)10、精確

31、度準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度：說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如：說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如, ,某某流量傳感器的準(zhǔn)確度為流量傳感器的準(zhǔn)確度為0.3m3/s，表示該傳感器的輸出，表示該傳感器的輸出值與真值偏離值與真值偏離0.3m3/s。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，。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。精密度高。精密度精密度：說(shuō)明測(cè)量傳感器輸出值的分散性，即對(duì)某一說(shuō)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，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

32、內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量結(jié)果的在相當(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。例如，某測(cè)溫傳感器的精密度為分散程度。例如，某測(cè)溫傳感器的精密度為0.5。精密度是隨即誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨精密度是隨即誤差大小的標(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。機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。精確度精確度：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。 （a）準(zhǔn)確度高而精密度低 （b）準(zhǔn)確度低而精密度高 （c）精確度高在測(cè)量中我們希望得到精確度高的結(jié)果。 被測(cè)量隨時(shí)間變

33、化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)。通常研究動(dòng)態(tài)特性是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來(lái)考慮傳感器的響應(yīng)特性。二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種：經(jīng)常使用的是前兩種。u正弦變化的輸入u階躍變化的輸入u線性輸入1數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)分析傳感器動(dòng)態(tài)特性，必須建立數(shù)學(xué)模型。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(guò)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)

34、模型數(shù)學(xué)模型為高階常系數(shù)線性微分方程，即xbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101/ y輸出量； x輸入量； t時(shí)間a0， a1， ，an 常數(shù)； b0， b1， ，bm 常數(shù) 輸出量對(duì)時(shí)間t的n階導(dǎo)數(shù)； 輸入量對(duì)時(shí)間t的m階導(dǎo)數(shù)nndtyd/mmdtxd/返回2返回1動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為0時(shí)，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。當(dāng)傳感器的數(shù)學(xué)模型初值為0時(shí)，對(duì)其進(jìn)行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)0101)()()(asasabsbsbsWsXsYnnmmY(s)傳感器輸出量的拉氏變換式； X(s)傳感器輸入量的拉氏變換式

35、上式分母是傳感器的特征多項(xiàng)式，決定系統(tǒng)的“階”數(shù)。可見(jiàn)，對(duì)一定常系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中各階導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)的s變量替換，即求出傳感器的傳遞函數(shù)。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0101)()()()()()()(ajajabjbjbjWjXjYnnmm)(jW為一復(fù)數(shù)，它可用代數(shù)形式及指數(shù)形式表示，即 )(jWjkejkk21=式中 分別為 的實(shí)部和虛部； 分別為 的幅值和相角 ；)(jW、k21kk、)(jW2221kk K=12/tankk可見(jiàn)，K值表示了輸出量幅值與輸入量幅值之比，即動(dòng)態(tài)靈敏度，K值是的函數(shù)，稱為幅頻特性，以K()表示。1動(dòng)態(tài)響應(yīng)（正弦和

36、階躍）（1）正弦輸入時(shí)的頻率響應(yīng)）正弦輸入時(shí)的頻率響應(yīng)零階傳感器在零階傳感器中，只有a0與b0兩個(gè)系數(shù)，微分方程為a0y= b0 xKxxaby)/(00K靜態(tài)靈敏度零階輸入系統(tǒng)的輸入量無(wú)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。一階傳感器微分方程除系數(shù)a1， a0 ，b0外其他系數(shù)均為0，則a1(dy/dt)+a0y= b0 xxabydtdyaa0001Kxydtdy時(shí)間常數(shù)( = a1/a0)；K靜態(tài)靈敏度( K= b0/a0)sKsW1)(傳遞函數(shù)

37、：頻率特性：jKjW1)(2)(1)(KjW幅頻特性：相頻特性：)arctan()(負(fù)號(hào)表示相位滯后時(shí)間常數(shù) 越小，系統(tǒng)的頻率特性越好二階傳感器很多傳感器，如振動(dòng)傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：xbyadtdyadtyda001222/kXYss1222時(shí)間常數(shù)， ； 0自振角頻率,0=1/ 阻尼比， ； k靜態(tài)靈敏度，k=b0/a02/aa2012/aaajkjW21/222222)2()1 (/)( kk)1/(2arctan)(22不同阻尼比情況下相對(duì)幅頻特性即動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線如圖。傳遞函數(shù)幅頻特性相頻特性頻率特性12/2sskjW1.8

38、1.00.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0二階傳感器幅頻與相頻特性（a）幅頻特性（b）相頻特性 當(dāng)0時(shí)，在=1處k()趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。 隨著的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。 當(dāng)0.707時(shí)，不再出現(xiàn)諧振，這時(shí)k()將隨著的增大而單調(diào)下降。阻尼比的影響較大。（2）階躍輸入時(shí)的階躍響應(yīng)）階躍輸入時(shí)的階躍響應(yīng)一階傳感器的階躍響應(yīng)

39、一階傳感器的階躍響應(yīng)對(duì)一階系統(tǒng)的傳感器，設(shè)在一階系統(tǒng)的傳感器，設(shè)在t=0時(shí)，時(shí)，x和和y 均為均為0，當(dāng)，當(dāng)t0時(shí)，有一單位階時(shí)，有一單位階躍信號(hào)輸入躍信號(hào)輸入,如圖。此時(shí)微分方程為如圖。此時(shí)微分方程為tx01(dy/dt)+a0y= b1(dx/dt)+b0 x齊次方程通解：/11teCy非齊次方程特解：y2=1 (t0)方程解：1/121teCyyytx01以初始條件y(0)=0代入上式，即得t=0時(shí)，C1=-1，所以/1tey輸出的初值為0,隨著時(shí)間推移y接近于1,當(dāng)t=時(shí),y =0.63在一階系統(tǒng)中一階系統(tǒng)中,時(shí)間常數(shù)值是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù)。二階傳感器的階躍響應(yīng)二階傳感器的階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)通式0傳感器的固有頻率；傳感器的阻尼比特征方程022002根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：1）01(有阻尼)：該特征方程具有共軛復(fù)數(shù)根 / )1(22, 1j方程通解 32221/1sin1cos)(AtAtAetyt根據(jù)t,ykA求出A3；根據(jù)初始條件, 0)0(, 0)0(, 0yyt求出A1、A2，則令x=AkAydtdydtyd/2/222其曲線如圖，這是一衰減振蕩過(guò)程,越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。tw0.021ttmm1（過(guò)阻尼）：特征方程具有兩個(gè)不同的實(shí)根/ )1(22, 1ttkAy1exp1211exp1211