傳感器與測(cè)試技術(shù)完整版課件全套ppt教學(xué)教程-最全電子講義(最新)

1、傳感器與測(cè)試技術(shù)第2章 測(cè)試系統(tǒng)的特性2.1概述2.2測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性2.3 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2.1 概述 典型的測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及顯示儀表等部分組成。需要指出的是，當(dāng)測(cè)試目的、要求不同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的差別很大。2.1.1 測(cè)試系統(tǒng)的基本要求 通常的工程測(cè)試問題總是處理輸入量x（t）、系統(tǒng)的傳輸或轉(zhuǎn)換特性h（t）和輸出量y（t）三者之間的關(guān)系，如圖所示。系統(tǒng)、輸入和輸出的關(guān)系 理想的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入輸出關(guān)系。對(duì)于每一個(gè)輸入量，系統(tǒng)都有一個(gè)單一的輸出量與之一一對(duì)應(yīng)，知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量，并且以輸出和輸入呈線性關(guān)系為最佳。 在靜態(tài)測(cè)

2、量中，測(cè)試系統(tǒng)的這種線性關(guān)系雖然總是所希望的，但不是必須的，因?yàn)橛们€校正或用輸出補(bǔ)償技術(shù)作非線性校正并不困難。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，測(cè)試系統(tǒng)本身應(yīng)該力求是線性系統(tǒng)，這不僅因?yàn)槟壳皩?duì)線性系統(tǒng)能作比較完善的數(shù)學(xué)處理與分析，而且也因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)測(cè)試中作非線性校正還相當(dāng)困難或不經(jīng)濟(jì)。由于相當(dāng)多的實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)不可能在較大的工作范圍內(nèi)完全保持線性，因而只能限制在一定的工作范圍內(nèi)和一定的誤差允許范圍內(nèi)，近似地作為線性系統(tǒng)處理。2.1.2 線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì) 線性系統(tǒng)的輸入x（t）和輸出y（t）之間可用下列微分方程來描述： 若系數(shù) 和 均為常數(shù)，該方程就是常系數(shù)線性微分方程，所描述的是時(shí)不變（常系數(shù)）線性系統(tǒng)。若系

3、數(shù)是時(shí)變的，即 均為時(shí)間t的函數(shù)，則稱為時(shí)變系統(tǒng)。 若以 表示測(cè)試系統(tǒng)中輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則時(shí)不變線性系統(tǒng)具有以下主要性質(zhì)：線性系統(tǒng)性質(zhì)疊加性比例性微分性積分性頻率保持性2.2 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性 在靜態(tài)測(cè)量中，輸入和輸出都不隨時(shí)間而變化或變化極慢（在所觀察的時(shí)間內(nèi)可忽略其變化），公式將變?yōu)?由此可見，靜態(tài)特性是動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)特例。輸入不隨時(shí)間變化，即輸入頻率為零。因此，在描述測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性時(shí)，必須和系統(tǒng)的頻率特性聯(lián)系起來。2.2.1 測(cè)試系統(tǒng)的誤差與精度 1測(cè)試系統(tǒng)的誤差 測(cè)試結(jié)果與被測(cè)量的真值總是不一致的，它們之間的差值稱為誤差。所謂真值是一個(gè)理想的概念，一般是不知道的，通常用高一

4、等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)裝置所測(cè)得的量值或多次測(cè)量的算術(shù)平均值來代替。 誤差的種類較多，根據(jù)其表示方法可分為絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差；根據(jù)其特點(diǎn)、性質(zhì)和產(chǎn)生原因又可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和過失誤差。誤差系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差過失誤差 系統(tǒng)誤差是指在相同的條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一個(gè)量時(shí)，其絕對(duì)值和符號(hào)固定不變，或改變條件（如環(huán)境條件、測(cè)量條件）后按一定規(guī)律變化的誤差。這類誤差的出現(xiàn)是有規(guī)律的，容易被人們所掌握，并可采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右孕拚蛳?隨機(jī)誤差是指在相同的條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一個(gè)量時(shí)，其絕對(duì)值和符號(hào)變化無常，但隨著測(cè)量次數(shù)的增加又符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的誤差。這類誤差的特點(diǎn)是隨機(jī)分布的，并且是不可避免的，只有

5、用統(tǒng)計(jì)的方法找出它的規(guī)律，才能使之控制在最小。 過失誤差是一種明顯歪曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。主要是由于操作不當(dāng)、疏忽大意、環(huán)境條件突然變化所造成的。含有過失誤差的數(shù)據(jù)稱為異常數(shù)據(jù)，在誤差分析時(shí)應(yīng)將其剔除。 2測(cè)試系統(tǒng)的精度 測(cè)試系統(tǒng)的精度反映測(cè)試結(jié)果與真值的接近程度。它與誤差的大小相對(duì)應(yīng)，因此可用誤差的大小來表示精度的高低，誤差小則精度高，反之誤差大則精度低。測(cè)試系統(tǒng)精度精密度正確度準(zhǔn)確度 精密度表示多次重復(fù)測(cè)量中，測(cè)量值彼此之間的重復(fù)性或分散性大小的程度。它反映隨機(jī)誤差的大小，隨機(jī)誤差愈小，測(cè)量值就愈密集，重復(fù)性愈好，精密度愈高。 正確度表示多次重復(fù)測(cè)量中，測(cè)量平均值與真值接近的程度。它反映系統(tǒng)誤

6、差的大小，系統(tǒng)誤差愈小，測(cè)量平均值就愈接近真值，正確度愈高。 準(zhǔn)確度（精確度）表示在多次重復(fù)測(cè)量中，測(cè)量值與真值一致的程度。它反映隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差綜合的大小，只有當(dāng)隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差都小時(shí)，準(zhǔn)確度才高。準(zhǔn)確度也簡(jiǎn)稱為精度。 對(duì)于具體的測(cè)量，精密度高而正確度不一定高，正確度高而精密度也不一定高，但準(zhǔn)確度高，則精密度和正確度都高。在消除了系統(tǒng)誤差的情況下，精密度與準(zhǔn)確度才是一致的。 現(xiàn)以下圖所示的打靶結(jié)果子彈落在靶心周圍的三種情況來說明精度的高低。（a） （b） （c）精度 衡量精度的性能指標(biāo)常用相對(duì)誤差和引用誤差來表示。 相對(duì)誤差 引用誤差 我國(guó)測(cè)試儀表的精度等級(jí)仍多用引用誤差的百分?jǐn)?shù)值來表示

7、，即 在選用測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)在合理選用量程的條件下再選擇合適的精度等級(jí)，一般應(yīng)盡量避免在全量程的1/3以下范圍內(nèi)工作，以免產(chǎn)生較大的相對(duì)誤差。 對(duì)于被測(cè)量不隨時(shí)間變化或變化甚緩的靜態(tài)測(cè)量中，上述術(shù)語和誤差計(jì)算、表達(dá)方法都很明確。但對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量，誤差的度量就比較復(fù)雜。如果輸入是由多個(gè)頻率組成，則實(shí)際系統(tǒng)總會(huì)導(dǎo)致一定的輸出失真，如何度量失真，如何定量表示失真的大小，則是一個(gè)復(fù)雜的問題。 對(duì)于時(shí)不變線性系統(tǒng)，由于頻率保持性，系統(tǒng)輸入單一頻率的正弦信號(hào)，其穩(wěn)態(tài)輸出也只能有該單一頻率，無所謂失真問題，任何畸變都是系統(tǒng)偏離理想線性系統(tǒng)的結(jié)果。但即使系統(tǒng)是理想線性的，由于系統(tǒng)的頻率特性，對(duì)具有多種頻率成分的輸

8、入波形，仍會(huì)引起輸出波形畸變。 在選擇測(cè)試系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)被測(cè)信號(hào)的頻率范圍，按不失真的要求，選用頻率特性合適的系統(tǒng)。在信號(hào)頻率范圍內(nèi)幅值的變化一般希望限制在5%10%以內(nèi)，相應(yīng)的相位偏移不超過36。2.2.2 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性參數(shù) 1線性度 線性度是指測(cè)試系統(tǒng)的輸出與輸入之間能否像理想系統(tǒng)那樣保持常值比例關(guān)系（線性關(guān)系）的一種度量。在靜態(tài)測(cè)量中，通常用實(shí)驗(yàn)的方法求取系統(tǒng)的輸出與輸入關(guān)系曲線，稱為標(biāo)定曲線。標(biāo)定曲線與擬合直線的接近程度稱為線性度。如圖所示，線性度用標(biāo)定曲線與擬合直線的最大偏差B與滿量程輸出值A(chǔ)的百分比表示，即線性度 （1）平均法 平均法確定擬合直線的實(shí)質(zhì)是選擇合適的系數(shù)，使標(biāo)定曲

9、線與擬合直線偏差的代數(shù)和為零，即 擬合直線方程有兩個(gè)待定系數(shù)a與b，為了求它們，首先把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按輸入 由小到大依次排列，然后分成個(gè)數(shù)近似相等的兩組。第一組為 ，第二組為 ，建立相應(yīng)的兩組方程，并將兩組方程分別相加得 解此聯(lián)立方程便可求出待定系數(shù)a與b，從而確定擬合直線方程。 （2）最小二乘法 最小二乘法確定擬合直線的實(shí)質(zhì)是選擇合適的系數(shù)，使標(biāo)定曲線與擬合直線偏差的平方和為最小，即為最小。由于偏差的平方均為正值，故若偏差的平方和為最小，即意味著擬合直線與整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏離程度最小。 按最小二乘法確定待定系數(shù)，就是要求出能使Q取最小的a與b值。為此，將Q分別對(duì)a和b求偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于零，得 由此

10、解得 式中 ， 。得到待定系數(shù)a與b后，就可確定擬合直線方程。值得注意的是，將 代入擬合直線方程 ，得 該式表明擬合直線通過（ , ）點(diǎn)，這對(duì)作擬合直線是很有幫助的。 用不同方法得到的擬合直線是不同的，計(jì)算的線性度也有所不同。平均法計(jì)算簡(jiǎn)單，但對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律考慮得不夠深入，僅能作粗略估計(jì)之用。一般較為重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)選用最小二乘法確定擬合直線方程。 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，系統(tǒng)的線性度在標(biāo)定時(shí)，應(yīng)在其全量程范圍內(nèi)進(jìn)行。線性度所描述的是在某一頻率點(diǎn)上輸出與輸入是否呈線性比例關(guān)系的一種度量。因?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)量的輸入一般為周期性的變化，其量值經(jīng)歷正、負(fù)和零，所以測(cè)試系統(tǒng)的非線性必然引起波形的畸變，導(dǎo)致輸出失真

11、。即使輸入為單一頻率的正弦波，由于波形畸變使輸出中必然含有高次諧波。所以在標(biāo)定時(shí)如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有比較明顯的非線性，則說明該系統(tǒng)已不能作為線性系統(tǒng)處理，線性系統(tǒng)的疊加性、頻率保持性都不復(fù)存在，更談不上不失真問題，因此線性度是表述測(cè)試系統(tǒng)的重要參數(shù)。 2靈敏度 靈敏度是測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)量變化的反應(yīng)能力，是反映系統(tǒng)特性的一個(gè)基本參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)輸入x有一個(gè)變化量 ，引起輸出y也發(fā)生相應(yīng)的變化量 ，則輸出變化量與輸入變化量之比稱為靈敏度，用S表示，即 在靜態(tài)測(cè)量中，對(duì)于呈直線關(guān)系的線性系統(tǒng)，由公式得 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，由于系統(tǒng)的頻率特性影響，即使在適用的頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的靈敏度也不相同。在實(shí)際工作中，常對(duì)適用頻率

12、范圍內(nèi)特性最為平坦、具有代表性的頻率點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。 3滯后量（回程誤差） 當(dāng)輸入x由小增大，而后又由大減小時(shí)，同一個(gè)輸入量系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不同的輸出量。在全量程范圍內(nèi)，同一個(gè)輸入量的前后兩個(gè)輸出量的最大差值稱為滯后量H，如圖所示。滯后量也可用最大輸出差值H與滿量程輸出值A(chǔ)的百分比表示，即滯后量 實(shí)際上滯后量包括了一般的滯后現(xiàn)象和儀器的不工作區(qū)（或稱死區(qū)）。 4重復(fù)性 重復(fù)性表示輸入量按同一方向變化時(shí)，在全量程范圍內(nèi)重復(fù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)所得到各特性曲線的重復(fù)程度，如圖所示。一般采用輸出最大不重復(fù)誤差與滿量程輸出值A(chǔ)的百分比來表示重復(fù)性，即重復(fù)性 重復(fù)性可反映測(cè)試系統(tǒng)的隨機(jī)誤差大小。 為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠

13、，要求測(cè)試系統(tǒng)的線性度好、靈敏度高、滯后量和重復(fù)性誤差小。實(shí)際上，線性度是一項(xiàng)綜合性參數(shù)，滯后量和重復(fù)性也都能反映在線性度上。因此，有關(guān)滯后量和重復(fù)性在動(dòng)態(tài)測(cè)量中的頻率特性就不再作詳細(xì)分析。 為了確定上述靜態(tài)特性參數(shù)，通常用靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)量作為輸入，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出對(duì)應(yīng)的輸出量，這一過程稱為靜態(tài)標(biāo)定。然后根據(jù)靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出擬合直線方程，并計(jì)算出各測(cè)得值與理論估計(jì)值（由擬合直線方程計(jì)算得到）之間的偏差，由此即可求出靜態(tài)特性參數(shù)值。2.3 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2.3.1 傳遞函數(shù) 對(duì)于時(shí)不變線性系統(tǒng)，如果x（t）是時(shí)間變量t的函數(shù)，并且在初始條件t0時(shí)x（t） =0，則它的拉氏變換定義為 由此可得x（

14、t）的n階微分的拉氏變換為 若系統(tǒng)的初始條件為零，即在考察時(shí)刻以前（t=0），其輸出量與輸入量以及各階微分都為零，可得 線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為：在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量拉氏變換與輸入量拉氏變換之比，即 傳遞函數(shù)為復(fù)變量s的函數(shù)，一般為有理真分式，即nm。分母中s的最高階數(shù)等于輸出量微分的最高階數(shù)，如果s的最高階數(shù)為n，則該系統(tǒng)稱為n階測(cè)試系統(tǒng)。 1傳遞函數(shù)的特點(diǎn) 傳遞函數(shù)與輸入無關(guān)，即不因x（t）的不同而異。它只反映測(cè)試系統(tǒng)的特性，所描述的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)任一具體的輸入x（t）都確定地給出了相應(yīng)的輸出y（t）。 傳遞函數(shù)是把實(shí)際物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型。它只反映測(cè)試系統(tǒng)的傳輸、轉(zhuǎn)換和響應(yīng)特性，而與

15、具體的物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。同一形式的傳遞函數(shù)可能表征著完全不同的物理系統(tǒng)，它們具有相似的傳遞特性。 由于在實(shí)際的物理系統(tǒng)中，輸入x（t）和輸出y（t）常具有不同的量綱，所以用傳遞函數(shù)描述測(cè)試系統(tǒng)的傳輸、轉(zhuǎn)換特性也應(yīng)該真實(shí)地反映這種量綱變換。前面談到不同的物理系統(tǒng)可能有相似的傳遞函數(shù)，但是系數(shù)a0和b0的量綱將因具體物理系統(tǒng)的輸入量和輸出量的量綱而異。 傳遞函數(shù)的分母通常取決于測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分子則和輸入方式、所測(cè)變量以及測(cè)點(diǎn)布置情況有關(guān)。 2復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)往往由若干個(gè)環(huán)節(jié)通過串聯(lián)或反饋的方式組成，如圖所示。復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 圖a所示為兩個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的測(cè)試系統(tǒng)，其傳遞函

16、數(shù)為 類似地，對(duì) 個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的測(cè)試系統(tǒng) 圖b所示為閉環(huán)反饋測(cè)試系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為 式中，負(fù)反饋取“+”號(hào)，正反饋取“-”號(hào)。2.3.2 頻率特性 測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是系統(tǒng)對(duì)正弦信號(hào)輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，當(dāng)由低到高改變正弦輸入信號(hào)的頻率時(shí)，輸出與輸入的幅值比及相位差的變化情況稱為測(cè)試系統(tǒng)的頻率特性。若將s=jw代入拉氏變換就可得到 實(shí)際上這是單邊傅里葉變換（簡(jiǎn)稱傅氏變換），系統(tǒng)輸出量拉氏變換與輸入量拉氏變換之比將變?yōu)?就是測(cè)試系統(tǒng)的頻率特性。很顯然，頻率特性是傳遞函數(shù)的一個(gè)特例。 在推導(dǎo)傳遞函數(shù)時(shí)，曾經(jīng)強(qiáng)調(diào)了測(cè)試系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零。但是，即使測(cè)試系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，從t=0+所施加的輸入也是正弦信

17、號(hào)，而測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)也將有瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。瞬態(tài)響應(yīng)取決于測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，反映測(cè)試系統(tǒng)固有特性的“自然響應(yīng)”，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)取決于輸入信號(hào)的形式。因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)中存在阻尼，瞬態(tài)響應(yīng)部分經(jīng)過一段過渡過程而趨于零。 頻率特性僅反映測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入同一頻率的正弦信號(hào)時(shí)，在時(shí)間坐標(biāo)上，前可推溯至t=，后將延續(xù)至t=+，因此在觀察時(shí)刻，瞬態(tài)響應(yīng)早就衰減為零。 由此可見，頻率特性不能反映過渡過程，傳遞函數(shù)才能反映全過程。頻率特性只是傳遞函數(shù)在特定輸入下的描述，這一點(diǎn)在 就已充分反映了。 對(duì)于穩(wěn)定的常系數(shù)線性系統(tǒng)，若輸入為正弦信號(hào)，則穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是與輸入同一頻率的正弦信號(hào)。輸出的幅值和相位通常

18、不等于輸入的幅值和相位，輸出與輸入的幅值比和相位差是輸入信號(hào)頻率的函數(shù)，這將反映在頻率特性的模和相角上。 若將頻率特性的虛部和實(shí)部分開，記作則 和 都是 的實(shí)函數(shù)。 若將頻率特性寫成模和相角的形式，即 則 稱 為測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性函數(shù)， 為測(cè)試系統(tǒng)的相頻特性函數(shù)，即輸入不同頻率的正弦信號(hào)時(shí)，輸出與輸入的幅值比和相位差。據(jù)此畫出的 曲線和 曲線分別稱為測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。 1一階測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和頻率特性 右圖所示為典型的一階測(cè)試系統(tǒng)。其中左上圖是由彈簧、阻尼器組成一階機(jī)械系統(tǒng)，圖中x（t）為輸入位移量，y（t）為輸出位移量。通常阻尼力Fb與運(yùn)動(dòng)速度成正比，作用力Fa與彈簧剛

19、度及位移成正比，即典型的一階測(cè)試系統(tǒng) 根據(jù)力的平衡條件 ，可得 左下圖是一個(gè)常見的RC低通濾波器電路。輸出電壓yu（t）與輸入電壓xu（t）之間的關(guān)系為 對(duì)于右圖所示的液柱式溫度計(jì)，若用Ti（t）表示溫度計(jì)的被測(cè)溫度，T0（t）表示溫度計(jì)的示值溫度，c表示溫度計(jì)的熱容量，表示傳熱系數(shù)，則根據(jù)熱力學(xué)定律，它們之間的關(guān)系為 上述所列舉的三個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，雖然分別屬于力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)范疇，但其輸出與輸入的關(guān)系都可以用一階微分方程描述，均屬于一階測(cè)試系統(tǒng)?？蓪懗扇缦聵?biāo)準(zhǔn)形式 對(duì)于時(shí)不變線性系統(tǒng)，靜態(tài)靈敏度S=b0/a0為常數(shù)，在動(dòng)態(tài)特性分析中，靈敏度只起著使輸出量增加倍數(shù)的作用。因此為了方便起見，本章討論

20、的測(cè)試系統(tǒng)都采用靜態(tài)靈敏度S=b0/a0 =1。這樣，可得一階測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 其頻率特性為 一階測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性函數(shù)和相頻特性函數(shù)分別為 以無量綱系數(shù) 為橫坐標(biāo)， 和 為縱坐標(biāo)，可得一階測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線如下圖所示。一階測(cè)試系統(tǒng)的頻率特性 一個(gè)理想的測(cè)試系統(tǒng)，其輸出波形應(yīng)該是無滯后地按比例地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的波形，即 （常數(shù)） 由此可得一階測(cè)試系統(tǒng)的幅值誤差和相位誤差分別為 2二階測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和頻率特性 下圖所示為典型的二階測(cè)試系統(tǒng)。其中圖a為動(dòng)圈式測(cè)試儀表，動(dòng)圈中流過的電流 為輸入信號(hào)，指針偏轉(zhuǎn)角度 為輸出信號(hào)。當(dāng)動(dòng)圈中流過電流時(shí)，線圈在磁場(chǎng)中受到電磁轉(zhuǎn)矩Mi的作

21、用， Mi的大小與電流成正比，即（a） （b） （c）典型的二階測(cè)試系統(tǒng) 在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，測(cè)試儀表的可動(dòng)部分發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)產(chǎn)生慣性力矩MJ、阻尼力矩Mc、彈簧剛度力矩MG與電磁轉(zhuǎn)矩Mi相平衡，即 圖b所示的測(cè)力彈簧可簡(jiǎn)化為彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。當(dāng)被測(cè)力xf（t）=0時(shí)，可調(diào)整初始值使輸出位移y（t）=0。根據(jù)力平衡方程，不計(jì)系統(tǒng)質(zhì)量的影響，可得 圖c為 振蕩回路，輸入電壓xu（t）和輸出電壓yu（t） 之間的關(guān)系為 可歸一化為標(biāo)準(zhǔn)形式 若取靜態(tài)靈敏度S=b0/a0 =1 ，則二階測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 二階測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性函數(shù)和相頻特性函數(shù)分別為 以相對(duì)角頻率 為橫坐標(biāo)， 和 為縱坐標(biāo)，可得二階

22、測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性曲線和相頻特性曲線如圖所示。（a） （b） 二階測(cè)試系統(tǒng)的頻率特性 二階測(cè)試系統(tǒng)的幅值誤差和相位誤差分別為2.3.3 瞬態(tài)響應(yīng) 前面所討論的都是測(cè)試系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)的響應(yīng)。頻率特性充分描述了在穩(wěn)態(tài)輸出輸入情況下測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，它反應(yīng)對(duì)不同頻率成分的正弦激勵(lì)，測(cè)試系統(tǒng)輸出與輸入的幅值比和相位滯后的變化。在討論過程中也曾指出，在正弦激勵(lì)剛施加上去的一段時(shí)間內(nèi)，測(cè)試系統(tǒng)的輸出中含有自然響應(yīng)。自然響應(yīng)是一種瞬態(tài)響應(yīng)，它隨時(shí)間的增大逐漸衰減為零。自然響應(yīng)反映測(cè)試系統(tǒng)的固有特性，它和激勵(lì)的初始施加方式有關(guān)，而和激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)頻率無關(guān)。自然響應(yīng)的存在說明測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)有一個(gè)過渡過程。 在

23、控制理論中指出，利用拉氏變換可以以代數(shù)方法解微分方程，所得到的解不僅包括穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，而且包括瞬態(tài)響應(yīng)。因此，如果測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H（s）已知，輸入（激勵(lì)）也可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式x（t）描述，那么就可以對(duì)激勵(lì)函數(shù)求拉氏變換得X（s），由公式得到響應(yīng)的拉氏變換Y（s），即 對(duì)Y（s）再求拉氏逆變換就可得到響應(yīng)的時(shí)域描述，即 ，所得到的解包括過渡過程。 為了求出Y（s），需要確定傳遞函數(shù)H（s）的數(shù)學(xué)表達(dá)式，所以要用參數(shù)擬合的方法估計(jì)傳遞函數(shù)表達(dá)式中的各項(xiàng)系數(shù)。如果測(cè)試系統(tǒng)已建立了足夠準(zhǔn)確的模型，能用數(shù)學(xué)方法直接描述該模型，寫出其運(yùn)動(dòng)的微分方程，那么就可以直接求得傳遞函數(shù)H（s）。此外，運(yùn)用以上公式還可

24、能遇到另一個(gè)問題，那就是工程中的很多實(shí)際激勵(lì)（輸入）也難以用解析式表達(dá)，因此也難以直接獲得X（s）的表達(dá)式。這樣要研究測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就只有用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)典型瞬變輸入信號(hào)的響應(yīng)來描述。 1典型輸入函數(shù) 通常采用的典型輸入函數(shù)有單位斜坡函數(shù)r（t）、單位階躍函數(shù)u（t）和單位脈沖函數(shù)（t），如圖所示，系統(tǒng)對(duì)這些典型輸入函數(shù)的響應(yīng)稱為測(cè)試系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。典型輸入函數(shù) 圖a所示的是單位斜坡函數(shù)，其表達(dá)式為 t0 t0 圖b所示的是單位階躍函數(shù)，其表達(dá)式為 t0 t T0 ，則回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì) ，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。其中A、B稱為熱電極，溫度為T的結(jié)點(diǎn)稱為熱端或工作端，溫度為T0的結(jié)點(diǎn)稱為冷端

25、或參考端。熱電極與測(cè)量?jī)x表相連，如圖b所示，根據(jù)熱電勢(shì) 及冷端溫度T0就可得到待測(cè)介質(zhì)的溫度T。（a） （b）（1）接觸電勢(shì) 由于不同導(dǎo)體材料A和B內(nèi)的自由電子密度不同，所以當(dāng)它們相互接觸時(shí)，在接觸處將發(fā)生電子擴(kuò)散，由此形成的電位差稱為接觸電勢(shì)。（2）溫差電勢(shì) 對(duì)于單一導(dǎo)體材料，若兩端溫度不同，其兩端的電子能量也不同，高溫端電子能量大，自由電子從高溫端擴(kuò)散的速率比從低溫端擴(kuò)散的速率快，則高溫端的自由電子就會(huì)向低溫端擴(kuò)散，由此形成的電位差稱為溫差電勢(shì)。2熱電偶的基本定律（1）勻質(zhì)導(dǎo)體定律兩種勻質(zhì)導(dǎo)體材料組成的熱電偶，其熱電勢(shì)與熱電極的長(zhǎng)度、截面積以及沿?zé)犭姌O長(zhǎng)度方向的溫度分布無關(guān)，僅與熱電極材料

26、的性質(zhì)和熱端、冷端的溫度有關(guān)。（2）中間導(dǎo)體定律在熱電偶的冷端接入與熱電極A、B不同的另一種導(dǎo)體C（稱為中間導(dǎo)體），只要被接入導(dǎo)體兩端的溫度相同，則回路中的熱電勢(shì)不受中間接入導(dǎo)體的影響。（3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶的熱電勢(shì)可以用它們分別與第三種導(dǎo)體材料（稱為標(biāo)準(zhǔn)電極）組成熱電偶的熱電勢(shì)之差來表示，這就是標(biāo)準(zhǔn)電極定律。（4）中間溫度定律熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（ ）時(shí)的熱電勢(shì) 等于熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（ ）和（ ）時(shí)相應(yīng)熱電勢(shì)的代數(shù)和，這就是中間溫度定律。3熱電偶的冷端補(bǔ)償 熱電偶的分度表以及根據(jù)分度表刻度的測(cè)溫儀表都是在冷端溫度為0時(shí)的條件下標(biāo)定的，所以在使用熱電偶時(shí)必須遵守這一條件。而工

27、業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中熱電偶的冷端通?？拷粶y(cè)對(duì)象，受周圍環(huán)境溫度變化的影響，因此要準(zhǔn)確測(cè)得熱端的真實(shí)溫度，就必須采取一些補(bǔ)償或修正措施。（1）計(jì)算修正法 熱電勢(shì)修正法 溫度修正法（2）電橋補(bǔ)償法（3）補(bǔ)償導(dǎo)線法（4）0恒溫法4常用熱電偶（1）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的工藝比較成熟，性能穩(wěn)定，可批量生產(chǎn)，互換性好，具有統(tǒng)一的分度表。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，如表所示。（2）非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶復(fù)制性差，沒有統(tǒng)一的分度表，其應(yīng)用受到了很大的限制，但近年來非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的發(fā)展很快，主要用于進(jìn)一步擴(kuò)展高溫和低溫的測(cè)量以及某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。5熱電偶傳感器的應(yīng)用 在鍋爐節(jié)能控制系統(tǒng)

28、中，通常需要對(duì)爐膛、蒸汽、水等的溫度進(jìn)行測(cè)定。下圖所示為爐溫測(cè)量實(shí)例，將熱電偶的熱端插入爐內(nèi)感受待測(cè)溫度T，冷端通過補(bǔ)償導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x表的輸入導(dǎo)線（銅線）相連，并插入冰瓶以保證T0=0，由測(cè)量?jī)x表測(cè)得的熱電勢(shì)來確定爐內(nèi)的實(shí)際溫度。若測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)不便保證冷端T0= 0，則必須進(jìn)行修正。1補(bǔ)償導(dǎo)線；2輸入導(dǎo)線；3絕緣油3.5.2 熱電阻傳感器1金屬熱電阻 熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化而改變的特性來工作的。由金屬導(dǎo)體，如鉑、銅、鎳等制成的測(cè)溫元件稱為金屬熱電阻（簡(jiǎn)稱熱電阻），由半導(dǎo)體材料制成的測(cè)溫元件稱為熱敏電阻。 大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻率隨溫度升高而增大，具有正的電阻溫度系數(shù)。作為測(cè)溫

29、熱電阻的金屬材料，應(yīng)該具備以下特性：電阻溫度系數(shù)大，以提高靈敏度；電阻率大，以減小熱電阻的體積和重量；在測(cè)溫范圍內(nèi)物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，以保證測(cè)溫的準(zhǔn)確性；良好的輸出特性，即電阻與溫度之間必須有線性或近似線性的關(guān)系；容易加工，復(fù)制性好，價(jià)格便宜等。（1）鉑電阻 鉑電阻具有精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，主要用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)傳遞、高精度工業(yè)測(cè)溫等。（2）銅電阻 銅電阻在此溫度范圍內(nèi)線性度好、溫度系數(shù)比較大、靈敏度高、材料容易提純、價(jià)格便宜。其不足之處是精度較鉑電阻略低、電阻率較小、體積較大、熱慣性也較大，僅適用于溫度較低和無侵蝕性的介質(zhì)中。（3）熱電阻測(cè)溫電橋電路 金屬熱電阻常使用電橋作為測(cè)量

30、電路，為消除連接導(dǎo)線電阻隨溫度變化而造成的測(cè)量誤差，常采用三線式和四線式接法。（a） 接檢流計(jì) （b） 接電源回路2熱敏電阻 熱敏電阻是以金屬氧化物為基體原料，加入一些添加劑，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。 根據(jù)其電阻溫度特性可分為三類：正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coefficient；負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC（Negative Temperature Coefficient；臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR（Critical Temperature Resistor）。右圖為三種熱敏電阻的溫度特性曲線。 熱敏電阻的溫度特性具有較大的非線性，而用于溫度測(cè)量和控制時(shí)總希望輸

31、出信號(hào)與溫度呈線性關(guān)系，因此需要對(duì)熱敏電阻的特性進(jìn)行線性化處理，常用以下幾種方法。（1）串聯(lián)電阻補(bǔ)償法（a）補(bǔ)償電路 （b）電阻與溫度的關(guān)系 （c）電流與溫度的關(guān)系串聯(lián)電阻補(bǔ)償法是將補(bǔ)償電阻 與熱敏電阻 串聯(lián)，如圖所示。（2）并聯(lián)電阻補(bǔ)償法 并聯(lián)電阻補(bǔ)償法是將補(bǔ)償電阻 與熱敏電阻 并聯(lián)，如圖a所示。并聯(lián)后的等效電阻 ，等效電阻 與溫度 的關(guān)系曲線變得比較平坦，可在某一范圍內(nèi)得到線性輸出特性，如圖b所示。（a）補(bǔ)償電路 （b）電阻與溫度的關(guān)系（3）計(jì)算修正法 在單片微機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)中，利用軟件進(jìn)行非線性補(bǔ)償十分方便，而且精度也很高。當(dāng)已知熱敏電阻的實(shí)際特性曲線時(shí)，可將其特性曲線分段，并把分段點(diǎn)的值存

32、儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，處理器再根據(jù)熱敏電阻的實(shí)際輸出值和分段值進(jìn)行插值計(jì)算，給出真實(shí)的輸出。3熱電阻傳感器的應(yīng)用（1）氣體成分分析 右圖所示為氣體成分分析的示意圖，由四個(gè)外殼用相同材料制成的分析室組成。其中兩個(gè)分析室內(nèi)充入被分析混合氣體，室內(nèi)的熱電阻分別為 和 ；另外兩個(gè)分析室內(nèi)充入潔凈空氣，作為參考室，室內(nèi)的熱電阻分別為 和 ，四個(gè)分析室內(nèi)的熱電阻組成測(cè)量電橋。工作時(shí)先將惰性氣體通入分析室使電橋達(dá)到平衡，然后將被測(cè)混合氣體通入分析室，電橋?qū)⑹テ胶?，其不平衡輸出是混合氣體成分的函數(shù)。 熱電阻的阻值與氣體的導(dǎo)熱系數(shù)在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。通過測(cè)量熱電阻的阻值即可求得氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，也就間接求得氣體的百

33、分?jǐn)?shù)含量。（2）熱敏電阻點(diǎn)溫計(jì) 右圖所示為熱敏電阻點(diǎn)溫計(jì)測(cè)溫原理圖，適宜測(cè)量微小物體或物體的局部溫度。 圖中G為指示儀表， 與 的阻值相等，且均為錳銅電阻，對(duì)熱敏電阻的非線性起補(bǔ)償作用； 為錳鋼電阻，其阻值等于點(diǎn)溫計(jì)起始刻度時(shí)熱敏電阻的阻值； 是錳銅電阻，其阻值等于點(diǎn)溫計(jì)滿刻度時(shí)熱敏電阻的阻值； 為NTC熱敏電阻，起測(cè)溫作用； 和 用于調(diào)節(jié)橋路工作電壓；S為雙聯(lián)開關(guān)，置于位置“0”時(shí)關(guān)機(jī)，置于位置“1”時(shí)為調(diào)整狀態(tài)，調(diào)節(jié)電位器 ，使指示儀表G滿刻度，然后將S置于位置“2”即可測(cè)量。（3）用熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度控制 下圖所示為簡(jiǎn)易溫度控制器原理圖，電位器 調(diào)節(jié)設(shè)定溫度， 為PTC熱敏電阻。當(dāng)實(shí)際溫度

34、比設(shè)定溫度低時(shí)， 阻值較小， 的be間電壓大于三極管的導(dǎo)通電壓， 導(dǎo)通， 也導(dǎo)通，繼電器K吸合，電熱絲通電加熱；當(dāng)實(shí)際溫度比設(shè)定溫度高時(shí)， 阻值較大， 的be間電壓降低，不足以使 導(dǎo)通，導(dǎo)致 截止，繼電器K斷開，電熱絲斷電停止加熱。 為繼電器K提供放電回路，保護(hù)三極管 。（4）用熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 儀表中的一些零件，如線圈、繞線電阻等均由金屬絲制成，而金屬一般具有正溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，其電阻值增大，為此常采用NTC熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，如圖所示。圖中 為NTC熱敏電阻，與溫度系數(shù)很小的錳銅電阻 并聯(lián)，再與被補(bǔ)償元件 串聯(lián)，可以抵消由于溫度變化所造成的誤差。3.5.3 PN結(jié)溫度傳感器1二極

35、管溫度傳感器 PN結(jié)溫度傳感器是利用二極管或晶體管（三極管）PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度變化的原理工作的。這種傳感器具有尺寸小、靈敏度高、線性度好、時(shí)間常數(shù)小等特點(diǎn)，在很多方面獲得廣泛應(yīng)用。但其測(cè)溫范圍較?。?50150），且互換性較差。 當(dāng)正向電流I保持不變時(shí)，PN結(jié)的正向壓降U隨溫度的上升而下降，近似呈線性關(guān)系。圖為硅材料PN結(jié)的正向壓降和溫度的特性曲線。2晶體管溫度傳感器 晶體管發(fā)射結(jié)的正向壓降隨溫度上升而近似線性下降，其特性與二極管十分相似。但實(shí)際二極管的正向電流除了擴(kuò)散電流外，還包括空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流，這兩種電流使實(shí)際二極管的電壓溫度特性偏離理想的線性關(guān)系。而晶體管在發(fā)射結(jié)

36、正向偏置的情況下，這兩種電流作為基極電流漏掉，并不到達(dá)集電極，只有擴(kuò)散電流能夠到達(dá)集電極形成集電極電流 。由此可見，晶體管比二極管具有更好的線性和互換性。3PN結(jié)溫度傳感器的應(yīng)用（1）二極管溫度傳感器的應(yīng)用 二極管溫度傳感器的供電方式有恒流源和恒壓源兩種。下圖所示是由二極管溫度傳感器構(gòu)成的數(shù)字式溫度計(jì)原理圖，采用恒壓源供電。（2）晶體管溫度傳感器的應(yīng)用 下圖所示為晶體管溫度傳感器的測(cè)溫電路原理圖。圖中電容C的作用是防止寄生振蕩，晶體管溫度傳感器V作為反饋元件接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端，基極接地。3.5.4 集成溫度傳感器 集成溫度傳感器是在PN結(jié)溫度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它將PN結(jié)

37、溫度傳感器、放大電路、溫度補(bǔ)償電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路等集成在一塊芯片上，具有線性度好、靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好、輸出信號(hào)大、后續(xù)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 集成溫度傳感器在溫度檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用越來越多，根據(jù)其輸出信號(hào)形式可分為電壓型、電流型和數(shù)字型三類。1電壓輸出型 AN6701S是日本松下公司研制的電壓輸出型集成溫度傳感器，其接線方式有三種：正電源供電、負(fù)電源供電、輸出極性倒置，如圖所示。（a）正電源供電 （b）負(fù)電源供電 （c）輸出極性倒置2電流輸出型 AD590是電流輸出型集成溫度傳感器的典型產(chǎn)品，是由美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的采用激光修正的溫度傳感器，該器件的一致性、均勻性非常好，具有較好的互

38、換性。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。AD590除適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量外，還特別適用于遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量和控制。3數(shù)字輸出型 DS18B20是美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字輸出型集成溫度傳感器，能夠直接讀出被測(cè)溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字量輸出。（1）DS18B20的結(jié)構(gòu) DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，由64位光刻ROM、溫度傳感器、溫度報(bào)警觸發(fā)器 和 、配置寄存器等組成。（2）DS18B20的軟件操作 對(duì)DS18B20進(jìn)行軟件操作的命令主要包括ROM操作命令和存儲(chǔ)器操作命令。 ROM操作命令（a）讀命令

39、（33H）（b）選擇定位命令（55H）（c）跳過ROM序列號(hào)檢測(cè)命令（CCH）（d）查詢命令（F0H）（e）報(bào)警查詢命令（ECH） 存儲(chǔ)器操作命令（a）寫入命令（4EH）（b）讀出命令（BEH）（c）復(fù)制命令（48H）（d）開始轉(zhuǎn)換命令（44H）（e）回調(diào)命令（B8H）（f）讀電源標(biāo)志命令（B4H）（3）DS18B20的硬件接口 DS18B20的硬件接口非常簡(jiǎn)單，下圖給出了DS18B20在兩種供電方式下的硬件接口電路圖。圖中DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，GND為電源地，VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。（a）寄生電源供電 （b）外部供電4集成溫度傳感器的應(yīng)用 下圖所示為集成

40、溫度傳感器AD590的測(cè)溫電路原理圖。圖a是AD590測(cè)溫基本電路，圖b是利用AD590測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差的電路。（a）AD590測(cè)溫基本電路 （b）AD590溫差測(cè)量電路3.6 光電式傳感器 光電式傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器，具有非接觸、高精度、反應(yīng)快、可靠性好、分辨率高等特點(diǎn)。光電式傳感器的工作原理就是基于光電效應(yīng)的，光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。 材料受到光照后，向外發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料的載流子濃度增大，即材料的電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)；材料受光照時(shí)，光生電

41、子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。 3.6.1 光電器件1光電管和光電倍增管（1）光電管 光電管主要由光電陰極K和陽極A兩部分組成，陰極和陽極封裝在一個(gè)玻璃管內(nèi)，根據(jù)管內(nèi)是抽成真空還是充入低壓惰性氣體可分為真空型和充氣型兩種。其工作電路如圖所示，陰極K接電源負(fù)極，陽極A通過負(fù)載電阻 接電源正極。（2）光電倍增管 當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，不容易檢測(cè)，此時(shí)可采用光電倍增管，光電倍增管是一種真空光電器件，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 入射窗和光電陰極 光電倍增管的入射窗通常有側(cè)窗式和端窗式兩種。側(cè)窗式是通過管殼的側(cè)面接收入射光，采用反射式光電陰極，如圖a所示。端窗式是通

42、過管殼的端面接收入射光，采用透射式光電陰極，陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面，如圖b所示。（a）側(cè)窗反射式 （b）端窗透射式 倍增極和陽極 倍增極的作用是產(chǎn)生二次電子發(fā)射，陽極的作用是收集末級(jí)倍增極發(fā)射的二次電子。 供電和信號(hào)輸出電路 為了使光電倍增管正常工作，必須在陰極、各倍增極和陽極之間施加一定的電壓，陰極和陽極之間的電壓在千伏左右，常見的形式如圖所示。 但有些情況必須采取陰極接地的正高壓接法，如閃爍計(jì)數(shù)器等，如圖所示。2光敏電阻 光敏電阻是利用光敏材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件，它具有體積小、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，廣泛用于光電耦合、光電自動(dòng)開關(guān)、通信設(shè)備及工業(yè)電子設(shè)備中。光敏電阻

43、由均質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極構(gòu)成，兩電極加一定的電壓，如圖所示。3光敏二極管、光敏三極管和光電池（1）光敏二極管 光敏二極管又稱為光電二極管，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，具有一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ?，而且都是非線性器件，如圖所示。不同之處在于光敏二極管的PN結(jié)封裝在管殼的頂端，可以接受光照，通常工作在反偏狀態(tài)。（2）光敏三極管 光敏三極管又稱為光電三極管、光電晶體管，其結(jié)構(gòu)與普通三極管相似，都具有電流放大作用，只是基極電流不僅受基極電壓控制，還受光照的控制。光敏三極管也有NPN型和PNP型兩種，下圖為NPN型光敏三極管的結(jié)構(gòu)原理圖。（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）工作原理圖（3）光電池 光電池的基本結(jié)構(gòu)與光敏

44、二極管相似，都有一個(gè)PN結(jié)，光電池的PN結(jié)面積較大。當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的電子被拉向N區(qū)，結(jié)果在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電位差。此時(shí)若光電池外接負(fù)載，電路中就會(huì)有電流流過。 4光電器件的應(yīng)用（1）光敏電阻的應(yīng)用 工業(yè)生產(chǎn)中一些帶材，如薄鋼板、紙張、膠片、塑料薄膜等易偏離正確位置而產(chǎn)生跑偏，因此必須對(duì)帶材的位置進(jìn)行檢測(cè)，并采取措施控制其位置，下圖所示為光敏電阻在帶材跑偏檢測(cè)裝置中的應(yīng)用。圖a為測(cè)量原理圖，圖b為測(cè)量電路圖。（a）測(cè)量原理圖 （b）測(cè)量電路圖下圖所示為光敏電阻控制繼電器的原理圖。（2）光敏二極管的應(yīng)用 下圖所示為光敏二

45、極管在路燈自動(dòng)控制中的應(yīng)用。無光照時(shí)，流過光敏二極管的電流很小，A點(diǎn)電位很低，三極管 和 截止，繼電器K斷電，常閉觸點(diǎn)閉合，路燈點(diǎn)亮。有光照時(shí)，流過光敏二極管的電流增加，A點(diǎn)電位上升， 和 均飽和導(dǎo)通，繼電器通電，常閉觸點(diǎn)斷開，路燈熄滅。 利用光刻技術(shù)將一個(gè)光敏面分成幾個(gè)相同的光敏二極管，稱為象限探測(cè)器。象限探測(cè)器可用于定位、跟蹤、準(zhǔn)直、近距離測(cè)距等。圖a為四象限探測(cè)器的結(jié)構(gòu)原理圖，將光敏面均勻分成四等份，圖b為應(yīng)用電路。（a）結(jié)構(gòu)原理圖 （b）應(yīng)用電路（3）光敏三極管的應(yīng)用 下圖所示為光敏三極管在生產(chǎn)線產(chǎn)品計(jì)數(shù)裝置中的應(yīng)用。當(dāng)被測(cè)對(duì)象位于發(fā)光二極管LED和光敏三極管 之間時(shí)， 無法接收LED

46、發(fā)出的光。當(dāng)被測(cè)對(duì)象離開后，LED發(fā)出的光被光敏三極管接收。 下圖所示為光敏三極管構(gòu)成的光電耦合器及其應(yīng)用。光電耦合器是將發(fā)光器件與光接收器件密封封裝在一起構(gòu)成的，光電耦合器的輸入端和輸出端實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、可單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在強(qiáng)弱電信號(hào)隔離、匹配等方面應(yīng)用廣泛。 光電池的應(yīng)用分為兩大類：一類是作為電源，要求光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低；另一類是作為測(cè)量元件使用，要求線性范圍寬、靈敏度高。 下圖所示為光電池作為電源時(shí)的原理框圖，選擇若干個(gè)型號(hào)相同的光電池，經(jīng)串、并聯(lián)后作為光電池組。有光照時(shí)光電池組發(fā)電，為負(fù)載供電，并對(duì)蓄電池充電。無光照時(shí)，蓄電池向負(fù)載供電。 下圖所示為光

47、電池在白度計(jì)中的應(yīng)用。白度是衡量物體表面對(duì)可見光全波長(zhǎng)輻射反射率的一個(gè)參數(shù)，在紡織、絲綢、造紙、化工等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。調(diào)節(jié) 使檢流計(jì)G兩端的電位相等，便可通過白度計(jì)的指針指示出被測(cè)物的白度。3.6.2 光纖傳感器1光纖的結(jié)構(gòu)與種類（1）光纖的結(jié)構(gòu) 光纖是光纖傳感器的核心元件，通常由纖芯、包層、涂敷層及護(hù)套組成，如圖所示。纖芯位于光纖的中心部位，由玻璃、石英或塑料制成。包層的材料為玻璃或塑料，涂敷層外面是不同顏色的塑料護(hù)套。1纖芯；2包層；3涂敷層及護(hù)套（2）光纖的種類 光纖的分類方法很多，根據(jù)纖芯和包層的材料不同，可分為玻璃光纖和塑料光纖。根據(jù)纖芯到包層的折射率分布不同，可分為階躍型光纖和

48、漸變型光纖。階躍型光纖如圖a所示，漸變型光纖如圖b所示，根據(jù)光纖在傳感器中的作用不同，可分為功能型（全光纖型）光纖和非功能型（傳光型）光纖。1光源；2纖芯；3包層；4折射率分布（a）階躍型光纖 （b）漸變型光纖2光纖的傳光原理光纖是利用光的全反射現(xiàn)象傳光的，下圖所示為階躍型光纖的傳光原理。 當(dāng)入射光在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射時(shí)，光線就不會(huì)折射到包層內(nèi)，而是不斷地進(jìn)行全反射，最終從光纖的另一端面射出。光纖能夠使空氣中直線傳播的光線隨光纖彎曲而走彎曲路線，光線的“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由很多直線的全反射所組成的。（1）非功能型光纖傳感器 光纖液位探測(cè)器 下圖所示為光纖液位探測(cè)器的原理圖，由光源、光電器

49、件和光纖組成。圖a為檢測(cè)單一液體的原理圖，圖b為檢測(cè)具有明顯分層的兩種液體液面的原理圖。（a）檢測(cè)單一液體 （b）檢測(cè)具有明顯分層面的液體3光纖傳感器的應(yīng)用 光纖位移傳感器圖a所示為光纖位移傳感器的原理圖，圖b所示為輸出特性曲線。（a）原理圖 （b）輸出特性曲線1發(fā)射光纖；2光源；3光電器件；4接收光纖（2）功能型光纖傳感器 相位調(diào)制型光纖溫度傳感器 溫度變化能引起光纖中光的相位變化，通過光干涉儀檢測(cè)相位的變化就可測(cè)得溫度值。下圖所示為馬赫-澤德干涉測(cè)溫原理圖，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束器后，再經(jīng)分光板將光束分別送入?yún)⒖脊饫w和測(cè)量光纖。1分光板；2參考光纖；3測(cè)量光纖 偏振調(diào)制型光纖電流傳感器

50、偏振調(diào)制型光纖電流傳感器可以對(duì)高壓輸電領(lǐng)域的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，下圖所示為測(cè)量原理圖。1起偏器；2高壓載流導(dǎo)線；3光纖；4偏振分束棱鏡3.6.3 光柵傳感器1光柵的結(jié)構(gòu)與種類（1）光柵的結(jié)構(gòu) 在玻璃尺（或金屬尺）上類似于刻線標(biāo)尺那樣，進(jìn)行密集刻劃（刻線密度一般為每毫米25、50、100、250線），得到如圖所示的黑白相間的條紋，沒有刻劃的地方透光（或反光），刻劃的地方不透光（或不反光），這就是光柵。光柵上的刻線稱作柵線，柵線的寬度為 ，縫隙寬度為 ，一般取 = ， + = 稱作光柵的柵距或節(jié)距。（2）光柵的種類 光柵按其工作原理不同，可分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象進(jìn)行工作，主要用

51、于光譜分析和光波長(zhǎng)等的測(cè)量。計(jì)量光柵是利用莫爾條紋原理進(jìn)行工作的，主要用于長(zhǎng)度、角度、速度、加速度和振動(dòng)等物理量的測(cè)量。2光柵的工作原理 現(xiàn)以長(zhǎng)光柵為例進(jìn)行介紹。如圖所示，將柵距相同的兩光柵刻面相對(duì)重疊在一起，中間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，且兩者柵線錯(cuò)開一個(gè)很小的角度 ，即構(gòu)成光柵副。當(dāng)主光柵與指示光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，在明亮的背景下可以得到明暗相間的莫爾條紋。3辨向原理與細(xì)分技術(shù)（1）辨向原理 正確辨別光柵的運(yùn)動(dòng)方向，可在相距 的位置處安裝兩個(gè)光電器件，如左圖所示，兩個(gè)光電器件可獲得兩個(gè)相位相差90 的信號(hào)。光柵傳感器的輸出信號(hào)有方波和正弦波兩種形式，現(xiàn)以正弦波光柵為例對(duì)辨向電路進(jìn)行分析，如右圖所示。 當(dāng)光

52、柵正向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)，光電器件1的輸出電壓A比光電器件2的輸出電壓B超前90相角，如圖a所示。 當(dāng)光柵反向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向下移動(dòng)，光電器件2的輸出電壓B比光電器件1的輸出電壓A超前90相角，如圖b所示。（a）正向移動(dòng)時(shí)的波形 （b）反向移動(dòng)時(shí)的波形（2）細(xì)分技術(shù) 直接細(xì)分法直接細(xì)分又稱為位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4，如圖所示。1光源；2、4透鏡；3光柵；5光電器件 電阻橋細(xì)分法 電阻橋細(xì)分電路是由同頻率的信號(hào)源 、 以及電阻器組成電橋，如圖a所示，采用圖b所示電路，并把直接細(xì)分所獲得的相位差90的四個(gè)正弦信號(hào)，分別加至電路的四個(gè)頂點(diǎn)，就可獲得在090、90180、180270、270

53、360范圍內(nèi)的正弦相移信號(hào)。（a）原理圖 （b）電路圖4光柵傳感器的應(yīng)用 下圖所示為光柵位移傳感器在機(jī)床上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖。光源、透鏡、指示光柵和光電器件固定在機(jī)床床身上，主光柵固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上，可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)。安裝時(shí)，指示光柵和主光柵保證一定的間隙。1光電器件；2透鏡；3光源；4主光柵；5指示光柵3.6.4 電荷耦合器件（CCD）1CCD的結(jié)構(gòu)與原理（1）CCD的結(jié)構(gòu) CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容，如圖所示。1金屬電極；2氧化物；3襯底（2）CCD的工作原理 CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，工作過程包括電荷的注入、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。 電荷存儲(chǔ) 存儲(chǔ)信號(hào)電荷的勢(shì)阱

54、又稱為電荷包，如圖所示。 1勢(shì)阱；2信號(hào)電荷 電荷注入 電荷傳輸 電荷檢測(cè) 電荷檢測(cè)就是通過輸出電路將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出。 電荷注入即信號(hào)電荷的產(chǎn)生，CCD中的信號(hào)電荷可通過光注入和電注入兩種方式得到。 通過控制相鄰MOS電容柵極電壓的大小可以調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺，信號(hào)電荷就會(huì)從勢(shì)阱淺處流向勢(shì)阱深處，即電荷傳輸。2線陣CCD 線陣CCD用于獲取一維光信息，由一列MOS光敏元和一列CCD移位寄存器構(gòu)成，光敏元和移位寄存器之間為轉(zhuǎn)移柵，如圖a所示。為了減小信號(hào)電荷在傳輸過程中的損失，應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)移次數(shù)，為此可采用雙通道結(jié)構(gòu)，如圖b所示。1、4移位寄存器；2光敏元；3轉(zhuǎn)移柵（a）單通道結(jié)構(gòu) （b

55、）雙通道結(jié)構(gòu)3面陣CCD 面陣CCD的光敏元呈二維矩陣排列，能檢測(cè)二維圖像信息。圖a所示為行傳輸型結(jié)構(gòu)，圖b所示為幀傳輸型結(jié)構(gòu)，圖c所示為行間傳輸型結(jié)構(gòu)。（a）行傳輸型 （b）幀傳輸型 （c）行間傳輸型1光敏元；2移位寄存器；3暫存區(qū)；4轉(zhuǎn)移柵；5垂直移位寄存器；6水平移位寄存器4CCD的應(yīng)用CCD器件廣泛應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：計(jì)量檢測(cè)儀器：工業(yè)產(chǎn)品尺寸、位置、缺陷的非接觸測(cè)量、距離測(cè)定等。生產(chǎn)過程自動(dòng)化：自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)、監(jiān)視裝置等。光學(xué)信息處理：光學(xué)文字識(shí)別、標(biāo)記識(shí)別、圖像識(shí)別、傳真、掃描等。軍事科學(xué)：導(dǎo)航、跟蹤、偵查等。下圖所示為線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用。下圖所示為X射線在線探傷系

56、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。1光源；2掃描對(duì)象；3透鏡；4線陣CCD 1X射線源；2工件；3透鏡；4面陣 3.7 其他傳感器3.7.1 生物傳感器 生物傳感器由生物敏感膜與變換器構(gòu)成，如圖所示。1生物傳感器的原理與分類（1）生物傳感器的原理（2）生物傳感器的分類 常用的有兩種分類方法，即按生物活性物質(zhì)（分子識(shí)別元件）和變換器來分，如圖所示。（a）按生物活性物質(zhì)分類 （b）按變換器分類2酶?jìng)鞲衅鳎?）酶反應(yīng) 酶 酶是生物體內(nèi)產(chǎn)生的具有催化活性的一類蛋白質(zhì)，能催化許多生物化學(xué)反應(yīng)，它具有以下特性：（a）酶的高效催化性（b）酶催化反應(yīng)的高度選擇性 酶反應(yīng)酶的催化反應(yīng)可用下式表示S待測(cè)物質(zhì)；E酶；T反應(yīng)溫度；Pi

57、 第i個(gè)產(chǎn)物。（2）酶電極傳感器酶電極分為電流型和電位型兩種。 電流型酶電極 以研究最早、最成熟的葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅鳛槔?，它是由葡萄糖氧化酶敏感膜和電化學(xué)電極組成。其結(jié)構(gòu)如圖所示。1Pt陽極；2聚四氟乙烯膜；3固相酶膜；4半透膜多孔層；5半透膜致密層；6Pb陰極 電位型酶電極 電位型酶電極是將酶反應(yīng)所引起的物質(zhì)變化轉(zhuǎn)換成電位信號(hào)輸出，電位信號(hào)的大小與底物濃度的對(duì)數(shù)之間有線性關(guān)系。其基礎(chǔ)電極有pH電極、氣敏電極等，它影響酶電極的響應(yīng)時(shí)間、檢測(cè)下限等性能。電位型酶電極的適用范圍不僅取決于底物的溶解度，更取決于基礎(chǔ)電極的檢測(cè)限。（3）場(chǎng)效應(yīng)管酶?jìng)鞲衅?場(chǎng)效應(yīng)管酶?jìng)鞲衅鳎‥NFET）是由有機(jī)物敏感膜和

58、ISFET（氫離子場(chǎng)效應(yīng)管）構(gòu)成。FET-脲酶?jìng)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖所示，其原理是利用FET檢測(cè)脲酶水解尿素時(shí)溶液pH值發(fā)生的變化。1電解液；2參比電極；3酶膜；4氫離子敏感膜；5源極；6柵極；7漏極；8SiO2（4）光纖酶?jìng)鞲衅?光纖酶?jìng)鞲衅髦饕晒饫w和酶敏感膜組成，其工作原理如圖所示。3免疫傳感器（1）免疫反應(yīng) 免疫是生物體的免疫系統(tǒng)對(duì)侵入自身的微生物，如細(xì)菌、病毒等病原體或異物產(chǎn)生特異性抵抗力的現(xiàn)象，這種生物化學(xué)過程稱為免疫反應(yīng)。 在免疫反應(yīng)中，引起生物體免疫反應(yīng)的物質(zhì)稱為抗原，生物體內(nèi)抗原的侵入而產(chǎn)生的并與抗原產(chǎn)生特異性結(jié)合而發(fā)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)稱為抗體。利用抗原與抗體的反應(yīng)，即免疫反應(yīng)來進(jìn)行

59、分子識(shí)別的方法稱為免疫識(shí)別。 利用抗體具有識(shí)別抗原并與抗原結(jié)合的雙重功能，將抗體或抗原和換能器組合而成的裝置稱為免疫傳感器。免疫傳感器具有三元復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，三元復(fù)合物即感受器、轉(zhuǎn)換器和電子放大器。（2）電化學(xué)免疫傳感器 電化學(xué)免疫傳感器是由分子識(shí)別系統(tǒng)和電化學(xué)轉(zhuǎn)換器組合而成，分子識(shí)別系統(tǒng)是指固定化的抗體或抗原。電化學(xué)免疫傳感器所用的電極可以是電流型，也可以是電位型，取決于標(biāo)記酶的底物或底物的反應(yīng)產(chǎn)物的種類。 電位型免疫傳感器 電流型免疫傳感器 其原理是將抗原和離子載體共價(jià)結(jié)合，然后固定在電極表面膜上，當(dāng)?shù)孜镏械目贵w與固定抗原選擇性結(jié)合時(shí)，膜內(nèi)離子載體性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致電極上電位變化，由此可測(cè)得

60、抗體濃度。 電流型免疫傳感器的原理是利用抗原與抗體結(jié)合來催化氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生電活性物質(zhì)，引起電流值變化，從而確定樣品中抗原的濃度。（3）光學(xué)免疫傳感器 標(biāo)記型光學(xué)免疫傳感器 非標(biāo)記型光學(xué)免疫傳感器 電化學(xué)發(fā)光免疫傳感器（4）壓電晶體免疫傳感器 壓電晶體免疫傳感器是一種質(zhì)量測(cè)量式免疫傳感器，其原理是石英晶片在振蕩電路中振蕩時(shí)有一個(gè)基本頻率，當(dāng)被測(cè)物中的抗原或抗體與固定在晶片上的抗體或抗原結(jié)合時(shí)，由于被吸附物增加，晶片的振蕩頻率會(huì)相應(yīng)減少，其減少值與被吸附物質(zhì)量有關(guān)。壓電晶體免疫傳感器主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： 微生物的檢測(cè) 病毒的檢測(cè) 其他免疫檢測(cè)4基因傳感器（1）基因傳感器的結(jié)構(gòu)與類型 D