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1、第1頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五 將被測非電量信號轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系電量輸出的器件或裝置叫做傳感器，也叫變換器、換能器或探測器。 1.2.1 傳感器的定義第2頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五3 1.2.2 傳感器的組成敏感元件輔助電路傳感元件 被測非電量 有用非電量有 用電 量信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路電 量圖1-1 傳感器組成框圖第3頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五敏感元件：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。傳感元件：又稱變換器。能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。第4頁，

2、共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五敏感元件傳感元件壓力傳感器示例第5頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五第6頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路：能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理、和控制的有用電信號的電路。常用的電路有電橋、放大器、變阻器、振蕩器等。輔助電路通常包括電源等。第7頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五1按工作機(jī)理分類：根據(jù)物理和化學(xué) 等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)進(jìn)行分類2按被測量分類：根據(jù)輸入物理量的 性質(zhì)進(jìn)行分類。3按敏感材料分類：根據(jù)制造傳感器 所使用的材料進(jìn)行分類?？?/p>

3、分為半 導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。1.2.3 傳感器的分類第8頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五基本物理量派生物理量位移線位移長度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度等角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)等速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量等角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)等加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等角加速度角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力壓力重量、應(yīng)力、力矩等時(shí)間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等溫 度熱容量、氣體速度、渦流等光光通量與密度、光譜分布等第9頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五4. 按能量的關(guān)系分類：根據(jù)能量觀點(diǎn)分類，可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。有源傳感器

4、是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱換能器。通常配合有電壓測量電路和放大器。如:壓電式、熱電式、電磁式等。第10頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五無源傳感器又稱為能量控制型傳感器。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(電能)。如:電阻式、電容式和電感式等。5. 其他：按用途、學(xué)科、功能和輸出信號的性質(zhì)等進(jìn)行分類。第11頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五 從系統(tǒng)角度看，一種傳感器就是一種系統(tǒng)。而一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來描述。即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入的關(guān)系和特性，從而，用這種

5、關(guān)系指導(dǎo)對傳感器的設(shè)計(jì)、制造、校正和使用。 通常從傳感器的靜態(tài)輸入-輸出關(guān)系和動(dòng)態(tài)輸入-輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模型。1.3 傳感器的數(shù)學(xué)模型概述第12頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五1.3.1 靜態(tài)模型 靜態(tài)模型是指在輸入信號不隨時(shí)間變化的情況下，描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯特性，傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項(xiàng)式來表示：第13頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五 1.3.2 動(dòng)態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型是指傳感器在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)信號或動(dòng)態(tài)信號作用下，描述其輸出和輸入信號的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。 動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。第14頁

6、，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五 1 .微分方程 大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實(shí)際的模型建立過程中，一般采用線性常系數(shù)微分方程來描述輸出量 y和輸入量 x 的關(guān)系。第15頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五 其通式如下：an,an-1a0和bm,bm-1b0 為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。除b0 0外，一般取b1,b2bm為零. 第16頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五如果y(t)在t0時(shí)， y(t) =0，則y(t) 的拉氏變換可定義為 2. 傳遞函數(shù) 式中s=+j，0。 對微分方程兩邊取拉氏變換

7、，則得第17頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五定義輸出y(t)的拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，則對y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t0時(shí)， y(t)=0。對于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。第18頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五19對于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可忽略相互間的影響，傳感器的等效傳遞函數(shù)可按代數(shù)方式求得。顯然H(s)與輸入量x(t)無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而H(s)可以簡單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關(guān)系

8、。第19頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五若傳感器由r個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成 對于較為復(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)。第20頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五21若傳感器由p個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)而成第21頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五1.4.1 靜態(tài)特性 1.4 傳感器的基本特性1線性度：輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度。又稱非線性誤差。可用下式表示:max輸出量與輸入量實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差yFS輸出滿量程值第22頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五傳感器的靜態(tài)模型有三種有

9、用的特殊 形式：（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23頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五（1） （2） （3）三種形式所呈現(xiàn)的非線性程度 圖1-2 三種特殊形式的特性曲線 第24頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五2.靈敏度：在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值： 對線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率：非線性傳感器靈敏度是一個(gè)變量，只能表示傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。 第25頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五3.重復(fù)性： 輸入量按同一方向作全程多次測試時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。 圖1-

10、3 重復(fù)性yx0Rmax2Rmax1第26頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五4.遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象：表明傳感器在正向行程和反向行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。H0 x yyFS xFS圖1-4 遲滯特性第27頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五對于同一大小的輸入信號x，在x連續(xù)增大的行程中，對應(yīng)某一輸出量yi，與在x連續(xù)減小的行程中，對應(yīng)某一輸出量yd之間的差值叫滯環(huán)誤差，即所謂的遲滯現(xiàn)象。在整個(gè)測量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用m表示，它與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率：第28頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五5分辨率與

11、閾值 ：傳感器在規(guī)定的范圍所能檢測輸入量的最小變化量。閾值是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。6穩(wěn)定性：在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間間隔， 傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。第29頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五7漂移：在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移 。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化。 溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。第30頁，共32頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)59分，星期五8靜態(tài)誤差（精度） 靜態(tài)誤差是傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。求靜態(tài)誤差是把全部校準(zhǔn)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，取2或3值即為傳感器的靜態(tài)誤差?；蛴孟鄬φ`差表示：也可以由非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差這幾個(gè)單項(xiàng)誤差綜合而得，即第31頁，共32頁，202