傳感器緒論和第一章

1、傳感器緒論和第一章2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3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4風(fēng)力參數(shù)傳感器地震檢波器反射式光敏傳感器磁、氣、力敏傳感器超聲傳感器5參考網(wǎng)站6一一 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，又稱之為電五官。傳感器是人類五官的延長，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。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。 傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。第一章第一章 緒緒 論論可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步等方面

2、起著重要作用?？梢?，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步等方面起著重要作用。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、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。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海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個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)，幾乎每一個現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器?，F(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。7二、傳感器的定義與組成二、傳感器的定義與組成 1.1.定義定義 國家標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB76

3、65-87GB7665-87：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)：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。律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。 2.2.組成組成 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，組成框圖見圖成，組成框圖見圖0-10-1。8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)換電路被測量電量敏感元件是直接感受被測量，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（簡稱轉(zhuǎn)換電路）

4、，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。圖圖0-1 傳感器組成框圖傳感器組成框圖9 轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn) 換元件是可變電感線圈換元件是可變電感線圈3，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。 基本轉(zhuǎn)換電路：上述電感變化量接入基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路：上述電感變化量接入基本轉(zhuǎn)換電路(簡稱轉(zhuǎn)換電路簡稱轉(zhuǎn)換電路)，便可轉(zhuǎn)換成，便可轉(zhuǎn)換成 電量輸出。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路，電量輸出。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路， 進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測值或進(jìn)行過程控制。進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測值或進(jìn)

5、行過程控制。敏感元件：圖敏感元件：圖0-2是一種氣體壓力傳感器的示意圖。膜是一種氣體壓力傳感器的示意圖。膜盒盒2的下半部與殼體的下半部與殼體1固接，上半部通過連桿與磁芯固接，上半部通過連桿與磁芯4相相連，磁芯連，磁芯4置于兩個電感線圈置于兩個電感線圈3中，后者接入轉(zhuǎn)換電路中，后者接入轉(zhuǎn)換電路5。這里的膜盒就是敏感元件，其外部與大氣壓力這里的膜盒就是敏感元件，其外部與大氣壓力pa相通，相通，內(nèi)部感受被測壓力內(nèi)部感受被測壓力p。當(dāng)。當(dāng)p變化時，引起膜盒上半部移動，變化時，引起膜盒上半部移動，即輸出相應(yīng)的位移量。即輸出相應(yīng)的位移量。圖圖0-2 氣體壓力傳感器氣體壓力傳感器10實(shí)際上，有些傳感器很簡單

6、，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系開環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)。最簡單的傳感器由一個敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，它感受被測量時直接輸出電量，如圖0-3熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路，如圖0-4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，要經(jīng)過若干次轉(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^轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 11三、傳感器的分類及對它的一般要求三、傳感器的分類及對它的一般要求傳感器的分類傳感器的分類.按傳感器的工

7、作機(jī)理：按傳感器的工作機(jī)理：物理型、化學(xué)型、生物型等物理型、化學(xué)型、生物型等.按構(gòu)成原理：按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型與與物性型物性型兩大類。兩大類。.根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況：根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況：能量控制型能量控制型和和能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型兩大類。兩大類。.按照物理原理：按照物理原理：電參量式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、壓電式傳感器、光電式電參量式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、熱電式傳感器、波式傳感器、射線式傳傳感器、氣電式傳感器、熱電式傳感器、波式傳感器、射線式傳感器、磁電式傳感器感器、磁電式傳感器.按傳感器的用途：按傳感器的用途：位移傳感器、壓力傳感器、

8、振動傳感器、溫度傳感器等等位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器等等12 物性型傳感器是指依靠敏感元件材料本身物理變化來實(shí)現(xiàn)信物性型傳感器是指依靠敏感元件材料本身物理變化來實(shí)現(xiàn)信號的變換。例如水銀溫度計是利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象把溫度的號的變換。例如水銀溫度計是利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象把溫度的變化變成水銀柱的高低實(shí)現(xiàn)溫度的測量。變化變成水銀柱的高低實(shí)現(xiàn)溫度的測量。 結(jié)構(gòu)型的傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)型的傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。例如：極距變化型電容式傳感器就是通過極板間距離的變化來實(shí)現(xiàn)測量。例如：極距變化型電容式傳感器就是通過極板間距離的

9、變化來實(shí)現(xiàn)測量。13 能量轉(zhuǎn)換型傳感器也稱為有源傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器也稱為有源傳感器,它能將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量。通它能將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量。通常配有電壓測量和放大電路，例如光電式傳感器、熱電式傳感器屬此類傳感常配有電壓測量和放大電路，例如光電式傳感器、熱電式傳感器屬此類傳感器。器。 能量控制型傳感器又稱為無源傳感器，其本身不能換能，被測非電量僅能量控制型傳感器又稱為無源傳感器，其本身不能換能，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用，所以必須具有輔助能源（電源）。例對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用，所以必須具有輔助能源（電源）。例如電阻式、電容式和電感式等參數(shù)型傳感器屬此類傳感器，此

10、類傳感器通常如電阻式、電容式和電感式等參數(shù)型傳感器屬此類傳感器，此類傳感器通常使用的測量電路有電橋和諧振電路。使用的測量電路有電橋和諧振電路。14傳感器的一般要求：傳感器的一般要求： 各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同。但是有些一般要求卻基本上是共同的，包其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同。但是有些一般要求卻基本上是共同的，包括：括：可靠性；可靠性；靜態(tài)精度；靜態(tài)精度；動態(tài)性能；動態(tài)性能；靈敏度；靈敏度；分辨力；分辨力；量程；量程；抗干擾能力；抗干擾能力；能耗；能耗；成本；成本；對被測對象的影等。對被測

11、對象的影等。15傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。第一章第一章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性 傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來描述。理論上，將微傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時，即得到靜態(tài)特性。因分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時，即得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時，這一關(guān)系稱為動態(tài)特性。當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時，這一關(guān)系稱為動態(tài)特性。當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，這一關(guān)系稱為靜態(tài)特性；

12、當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，這一關(guān)系稱為靜態(tài)特性；16 實(shí)際上傳感器的靜態(tài)特性要包括非線性和隨機(jī)性等因素，如實(shí)際上傳感器的靜態(tài)特性要包括非線性和隨機(jī)性等因素，如果把這些因素都引入微分方程將使問題復(fù)雜化。為避免這種情果把這些因素都引入微分方程將使問題復(fù)雜化。為避免這種情況，總是把靜態(tài)特性和動態(tài)特性分開考慮。況，總是把靜態(tài)特性和動態(tài)特性分開考慮。 傳感器的輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系最好呈線性關(guān)系。但傳感器的輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系最好呈線性關(guān)系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關(guān)系，同時由于存在一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關(guān)系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動

13、等各種因素以及外界條件的影響，遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的影響，使輸出輸入對應(yīng)關(guān)系的唯一確定性也不能實(shí)現(xiàn)?？紤]了這些情況之使輸出輸入對應(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。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、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。使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。17穩(wěn)定性穩(wěn)定性(零漂零漂)傳感器傳感器溫度溫度供電供電各種干擾穩(wěn)定性各種干擾穩(wěn)定性溫漂溫漂分辨力分辨力沖擊與振動沖擊與振動電磁場電磁場線性線

14、性滯后滯后重復(fù)性重復(fù)性靈敏度靈敏度輸入輸入誤差因素誤差因素外界影響外界影響 傳感器輸入輸出作用圖傳感器輸入輸出作用圖輸出輸出取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)18 靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說問題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線問題已經(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)系。這時可采用各種方法

15、，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行性關(guān)系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理。線性化處理。第一節(jié)第一節(jié) 傳感器的靜特性傳感器的靜特性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、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：程表示： 式中：式中：y輸出量；輸出量； x輸入量；輸入量； a0 0零點(diǎn)輸出；零點(diǎn)輸出； a1 1理論靈敏度；理論靈敏度； a2 2、a3 3、 、 an n非線性項(xiàng)系數(shù)。非線性項(xiàng)系

16、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+anxn19 通常用相對誤差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，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度一般來說，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，計算是否簡便。L=(Lmax/yF

17、S)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； 過零旋轉(zhuǎn)過零旋轉(zhuǎn)擬合；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20直線擬合方法 a)理論擬合 b)過零旋轉(zhuǎn)擬合 c)端點(diǎn)連線擬合 d)端點(diǎn)連線平移擬合21設(shè)擬合直線方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合最小二乘法擬合y=kx+b若實(shí)際校準(zhǔn)測試點(diǎn)有n個，則第i個校準(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k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出a和k的表達(dá)式222 2遲滯遲滯0yxHmaxyFS遲滯特性

18、 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`差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點(diǎn)。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號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?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般是由實(shí)驗(yàn)方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即23即得到k和b的表達(dá)式 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。243 3重復(fù)性重復(fù)性yx0Rmax2Rmax1重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方重

19、復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。一致的程度。 重復(fù)性誤差也常用絕對誤差表示。檢測時也可選取幾個測試點(diǎn)，對應(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。254 4靈敏度與靈敏度誤差靈敏度與靈敏度誤差s=(k/k)100%由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對誤差表示，即可見，傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。對

20、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)。K=y/x傳感器輸出的變化量傳感器輸出的變化量 y 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 x之比即為其靜態(tài)之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為靈敏度，其表達(dá)式為26分辨力用絕對值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時稱為分辨率分辨率。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傳感器能檢測到的最小的輸入增量輸入增量。有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時,輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。 6穩(wěn)定性測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，相隔4h、

21、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。它可用相對誤差表示,也可用絕對誤差表示。 穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。27 測試時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 7溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性 溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。 溫度穩(wěn)定

22、性誤差用溫度每變化若干的絕對誤差或相對誤差表示,每引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。 指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。 評價這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。28 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)誤差也可用相對誤差來表示，即 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)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。yi各測試點(diǎn)的殘差； n一

23、測試點(diǎn)數(shù)。29與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度(精度)1010、精確度、精確度準(zhǔn)確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如準(zhǔn)確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如, ,某流量傳感器的準(zhǔn)確某流量傳感器的準(zhǔn)確度為度為0.3m0.3m3 3/s/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m0.3m3 3/s/s。準(zhǔn)確度是系。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。高不一定精密度高。精密度：說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測精密度：說明測量傳感器輸

24、出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當(dāng)短的時間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測量多次，其測量結(jié)果的分散程度。例如，某測溫傳感器的重復(fù)測量多次，其測量結(jié)果的分散程度。例如，某測溫傳感器的精密度為精密度為0.50.5。精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味。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。著隨機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。30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。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機(jī)器的常以測量誤差的相

25、對值表示。 （a）準(zhǔn)確度高而精密度低 （b）準(zhǔn)確度低而精密度高 （c）精確度高在測量中我們希望得到精確度高的結(jié)果。 311.2傳感器的動特性傳感器的動特性 傳感器的動特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的動特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。1.2.1 傳感器的數(shù)學(xué)模型傳感器的數(shù)學(xué)模型 要精確地建立傳感器要精確地建立傳感器(或測試系統(tǒng)或測試系統(tǒng))的數(shù)學(xué)模型是很困難的。在工程上總是采取一的數(shù)學(xué)模型是很困難的。在工程上總是采取一些近似的方法；忽略一些影響不大的因素，給數(shù)學(xué)模型的確立和求解都帶來很多方便。些近似的方法；忽略一些影響不大的因素，給數(shù)學(xué)模型的確立和求解都帶來很多

26、方便。從數(shù)學(xué)上可以用常系數(shù)線性微分方程表示傳感器輸出量從數(shù)學(xué)上可以用常系數(shù)線性微分方程表示傳感器輸出量y與輸入量與輸入量x的關(guān)系，這種方程的關(guān)系，這種方程的通式如下：的通式如下： 線性時不變系統(tǒng)重要性質(zhì)線性時不變系統(tǒng)重要性質(zhì)疊加性和頻率保持性：也就是說，各個輸入所引起的輸出是疊加性和頻率保持性：也就是說，各個輸入所引起的輸出是互不影響的。這樣，在分析常系數(shù)線性系統(tǒng)時，總可以將一個復(fù)雜的激勵信號分解成若干互不影響的。這樣，在分析常系數(shù)線性系統(tǒng)時，總可以將一個復(fù)雜的激勵信號分解成若干個簡單的激勵，如利用傅里葉變換，將復(fù)雜信號分解成一系列諧波或分解成若干個小的脈個簡單的激勵，如利用傅里葉變換，將復(fù)雜

27、信號分解成一系列諧波或分解成若干個小的脈沖激勵然后求出這些分量激勵的響應(yīng)之和。沖激勵然后求出這些分量激勵的響應(yīng)之和。32 設(shè)設(shè)x(t)、y(t)的初始條件為零，對上式兩邊進(jìn)行拉氏變換，得的初始條件為零，對上式兩邊進(jìn)行拉氏變換，得這一比值這一比值W(s)就被定義為傳感器的就被定義為傳感器的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)。 由此可求得初始條件為零的條件下輸出信號拉氏變換由此可求得初始條件為零的條件下輸出信號拉氏變換Y(s)與輸入信與輸入信號拉氏變換號拉氏變換X(s)的比值，即的比值，即331.2.2 頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù) 對于穩(wěn)定的常系數(shù)線性系統(tǒng)，可用傅里葉變換代替拉氏變對于穩(wěn)定的常系數(shù)線性系統(tǒng)，可用傅里葉

28、變換代替拉氏變換，相應(yīng)地有：換，相應(yīng)地有：或或 即：傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)，簡稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。即：傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)，簡稱為頻率響應(yīng)或頻率特性。頻率響應(yīng)函數(shù)是一個復(fù)數(shù)函數(shù)，它可以用指數(shù)形式頻率響應(yīng)函數(shù)是一個復(fù)數(shù)函數(shù)，它可以用指數(shù)形式表示表示:傳感器幅頻特性傳感器幅頻特性傳感器相頻特性傳感器相頻特性341.3傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定 傳感器的標(biāo)定，就是通過試驗(yàn)確立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)傳感器的標(biāo)定，就是通過試驗(yàn)確立傳感器的輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時，也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。系。同時，也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。 傳感器標(biāo)定含義：其一是確定傳感器的性能指標(biāo)；其二

29、是明確這些性傳感器標(biāo)定含義：其一是確定傳感器的性能指標(biāo)；其二是明確這些性能指標(biāo)所適用的工作環(huán)境。本章僅限于討論第一個問題。能指標(biāo)所適用的工作環(huán)境。本章僅限于討論第一個問題。 傳感器的標(biāo)定方法：有靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定兩種。傳感器的標(biāo)定方法：有靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定兩種。 標(biāo)定系統(tǒng)如圖所示。標(biāo)定系統(tǒng)如圖所示。 標(biāo)定裝置待標(biāo)定傳感器標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出量顯示輸出量 測量The end !35 被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。通常研究動態(tài)特性是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來考慮傳感器的響應(yīng)特性。二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸

30、入量的響應(yīng)特性。動態(tài)特性指傳感器對隨時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361 1數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù) 分析傳感器動態(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。對線性系統(tǒng)動態(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，通過對微分方程求解，得出動態(tài)性能指標(biāo)。 對于線性定常（時間不變）系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型為高階常系數(shù)線性微分方程，即 y輸出量； x輸入量； t時間 a0， a1， ，an 常數(shù)； b0， b1， ，bm 常數(shù) 輸出量對時間t的n階導(dǎo)數(shù)； 輸入量對時間t

31、的m階導(dǎo)數(shù)37 動態(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，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，對其進(jìn)行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Y(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; 上式分母是傳感器的特征多項(xiàng)式，決定系統(tǒng)的“階”數(shù)?？梢姡瑢σ欢ǔＯ到y(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)。38 正弦輸入下傳感器的動態(tài)特性（即頻率特性）由傳遞函數(shù)導(dǎo)出為一復(fù)數(shù)，它可用代數(shù)形式及指數(shù)形式表示，即 =式中 分別為W(jw)實(shí)部和虛部； 分別為W(jw)的幅值和相角；K=

32、可見，K值表示了輸出量幅值與輸入量幅值之比，即動態(tài)靈敏度，K值是的函數(shù)，稱為幅頻特性，以K()表示。391動態(tài)響應(yīng)（正弦和階躍）（1 1）正弦輸入時的頻率響應(yīng)）正弦輸入時的頻率響應(yīng)零階傳感器在零階傳感器中，只有a0與b0兩個系數(shù)，微分方程為a0y= b0 xK靜態(tài)靈敏度 零階輸入系統(tǒng)的輸入量無論隨時間如何變化，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，都可以近似地當(dāng)作零階系統(tǒng)處理。40一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 x時間常數(shù)(= a1/a

33、0)；K靜態(tài)靈敏度( K= b0/a0)傳遞函數(shù)：頻率特性：幅頻特性：相頻特性：負(fù)號表示相位滯后時間常數(shù) 越小，系統(tǒng)的頻率特性越好41二階傳感器 很多傳感器，如振動傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：時間常數(shù)， ； 0自振角頻率,0=1/ 阻尼比， ； k靜態(tài)靈敏度，k=b0/a042 不同阻尼比情況下相對幅頻特性幅頻特性即動態(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432.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=

34、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，在=1處k()趨近無窮大，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，不再出現(xiàn)諧振，這時k()將隨著的增大而單調(diào)下降。阻尼比的影響較大。44（2 2）階躍輸入時的階躍響應(yīng)）階躍輸入時的階躍響應(yīng)一階傳感器的階躍響應(yīng)一階傳感器的階躍響應(yīng) 對一階系統(tǒng)的傳感器，設(shè)在對一階系統(tǒng)的傳感器，設(shè)在t=0t=0時，時，x x和和y y均為均為0 0，當(dāng)，當(dāng)t0t0時，有一單位階躍信號

35、輸入時，有一單位階躍信號輸入, ,如圖。如圖。此時微分方程為此時微分方程為tx0Aa1(dy/dt)+a0y=b0 x令=a1/a0 時間常數(shù)K=b0/a0靜態(tài)靈敏度其傳遞函數(shù)和頻率特性分別為：tx0A當(dāng)輸入為階躍函數(shù)時，即輸出的初值為0,隨著時間推移y接近于A,當(dāng)t=時,y =0.63在一階系統(tǒng)中一階系統(tǒng)中, ,時間常數(shù)值是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù)。得：45二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 方程通解 根據(jù)t,ykA求出A3；根據(jù)初始條件求出A1、A2，則令x=A46其曲線如圖，這是一衰減振蕩過程,越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。tw0.021ttmm1（過阻尼）：特征方程具有兩個不同的實(shí)根3) =1 (臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/,過渡函數(shù)為 上兩式表明，當(dāng)上兩式表明，當(dāng)11時，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個一階阻尼環(huán)時，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個時間常數(shù)相同，后者兩個