第1章傳感器的基本概念

1溫濕度、露點(diǎn)探頭、CO2探頭、大氣壓力傳感器濕度傳感器濕度傳感器2紅旗轎車焊裝生產(chǎn)線隧道鑿巖機(jī)器人單能機(jī)器人：生產(chǎn)用的自動(dòng)機(jī)械式（加工、組裝、檢驗(yàn)）檢測(cè)臂的位置和角度傳感器3智能機(jī)器人：判斷能力視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器足球機(jī)器人迎賓機(jī)器人4《泰坦尼克》中用于水下探測(cè)的“鄧肯”號(hào)機(jī)器人5第一章傳感器的基本概念主要內(nèi)容1、傳感器的定義與組成2、傳感器的分類3、傳感器的技術(shù)特點(diǎn)4、傳感器的數(shù)學(xué)模型概述5、傳感器的基本特性6信息處理電信電話科技測(cè)試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機(jī)床機(jī)器人家用電器照相機(jī)汽車飛機(jī)船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機(jī)械能利用貨幣金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量傳感器技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用。7第一節(jié)傳感器的定義與組成一、傳感器的定義

對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的有用輸出信號(hào)的元器件或裝置。四層含義：（1）傳感器是一種測(cè)量器件或裝置（2）“確定的被測(cè)量信息”：非電量物理量化學(xué)量生物量電量8（3）“某種可用信號(hào)輸出”把外界非電量信息轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的器件或裝置?！请娏侩姕y(cè)技術(shù)把外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出的器件。（4）“轉(zhuǎn)換”：傳感器、變換器、變送器、換能器、轉(zhuǎn)換器、探測(cè)器

把特定的被測(cè)量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置。工業(yè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效率9二、傳感器的組成敏感元件輔助電路轉(zhuǎn)換元件被測(cè)信息有用非電量有用電量信號(hào)調(diào)節(jié)電路輸出信息例如：大噸位電容式稱重傳感器彈性體極板支架絕緣材料定極板動(dòng)極板被測(cè)非電量：外界壓力敏感元件：彈性體有用非電量：極板間距變化傳感元件：電容傳感器有用電量：電容量C1011傳感元件輸入輸出（1）P型特點(diǎn)：不需要外能源，輸出電量較弱例如：熱電偶傳感器溫度場(chǎng)的能量（熱量）電量ABTT’①②12（2）A型、B型傳感元件輸入輸出能源傳感元件輸入輸出輔助能源

A型B型特點(diǎn)：不需要變換電路，有較大電量輸出例如:霍爾電磁感應(yīng)式傳感器被測(cè)量：磁場(chǎng)輔助能源：激勵(lì)電流BIUHBACDbdLxyz13（3）C型輸入輸出能源變換回路傳感元件特點(diǎn)：通過(guò)帶外電源的變換電路，才能獲得有用的電量輸出輸入輸出能源變換回路傳感元件傳感元件（4）D型14輸入輸出能源變換回路傳感元件傳感元件（5）E型輸入量：反向轉(zhuǎn)換環(huán)境干擾量：正向轉(zhuǎn)換測(cè)量電路15（6）F型輸入輸出能源變換回路傳感元件傳感元件環(huán)境影響16第二節(jié)

傳感器的分類物理量、化學(xué)量、生物量傳感器結(jié)構(gòu)型、物性型、復(fù)合型傳感器分類方法按工作機(jī)理：按被測(cè)量：按敏感材料：按能量的關(guān)系：其它分類法：按用途分類、科目分類、功能分類、輸出信號(hào)的性質(zhì)分類半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、高分子材料、金屬傳感器能量轉(zhuǎn)換型（有源傳感器）能量控制型（無(wú)源傳感器）17結(jié)構(gòu)型與物性型傳感器的比較結(jié)構(gòu)型傳感器的特性主要由其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，與構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。物性型傳感器主要由構(gòu)成傳感器的物質(zhì)的性質(zhì)決定。18第三節(jié)傳感器的技術(shù)特點(diǎn)內(nèi)容范圍廣且離散知識(shí)密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高功能優(yōu)、性能好品種繁多、應(yīng)用廣泛19描述傳感器輸入–輸出關(guān)系的方法：

數(shù)學(xué)模型基本特性指標(biāo)被測(cè)輸入量靜態(tài)量準(zhǔn)靜態(tài)量動(dòng)態(tài)量第四節(jié)傳感器的數(shù)學(xué)模型概述靜態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型20一、傳感器的靜態(tài)模型1.代數(shù)方程x——輸入量；y——輸出量；a0——零位輸出；a1——傳感器的靈敏度：K、S；a2……an——非線性項(xiàng)待定常數(shù)。靜態(tài)條件代數(shù)方程特性曲線條件：不考慮傳感器滯后、蠕變情況下212.特性曲線22二、傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1.微分方程微分方程傳遞函數(shù)條件：線性定常系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型23一階環(huán)節(jié)一階傳感器二階環(huán)節(jié)二階傳感器零階環(huán)節(jié)零階傳感器比例環(huán)節(jié)、無(wú)慣性環(huán)節(jié)242.傳遞函數(shù)定義：初始條件為零時(shí)，輸出量（響應(yīng)函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（激勵(lì)函數(shù)）拉普拉斯變換之比。拉氏變換：25簡(jiǎn)寫(xiě)為：兩邊取拉氏變換：輸出量拉氏變換輸入量拉氏變換傳遞函數(shù)：26特點(diǎn)：（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與x(t)無(wú)關(guān)。（2）X(s)、Y(s)、H(s)

知二求一（3）相同的傳遞函數(shù)可以表征不同物理系統(tǒng)H(s)X(s)Y(s)（4）通過(guò)實(shí)驗(yàn)求傳遞函數(shù)27（5）多環(huán)節(jié)串并聯(lián)的傳感器系統(tǒng)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)

Hn(s)n個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)n個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)

Hn(s)28第五節(jié)傳感器的基本特性一、靜態(tài)特性1.線性度（非線性）傳感器的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。

——輸入量和輸出量實(shí)際曲線與擬合直線間的最大偏差

YF.S——輸出滿量程值選定擬合直線的過(guò)程，就是傳感器的線性化過(guò)程。實(shí)際曲線292.靈敏度與電源電壓有關(guān)：位移傳感器：1V,1mm,100mV靈敏度：100(mV/mm·V)非線性傳感器線性傳感器=常數(shù)303.重復(fù)性傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。貝賽爾公式：Δm1Δm2重復(fù)性誤差314.遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象傳感器在正、反行程，輸入-輸出曲線的不重合程度。△m——正反行程輸出的最大差值

YF.S——滿量程輸出量

5.分辨率(力）分辨力：能檢測(cè)出的輸入量的最小變化量分辨率：分辨力/滿量程輸入值326.穩(wěn)定性長(zhǎng)期穩(wěn)定性有效期7.漂移零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移時(shí)間漂移（時(shí)漂）、溫度漂移（溫漂）外界干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的變化。8.精度（靜態(tài)誤差）測(cè)量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度表示重復(fù)某個(gè)讀數(shù)的能力，誤差愈小，則傳感器的精度愈高。33二、動(dòng)態(tài)特性輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)階躍函數(shù)正弦函數(shù)指數(shù)函數(shù)沖擊函數(shù)動(dòng)態(tài)誤差輸出穩(wěn)定后與理想輸出量的誤差輸入量躍變，輸出量在過(guò)渡狀態(tài)的誤差階躍響應(yīng)法（時(shí)域）頻率響應(yīng)法（頻域）1、傳感器的動(dòng)態(tài)特性和誤差概念2.階躍響應(yīng)3.頻率響應(yīng)特性4.傳感器頻率響應(yīng)分析舉例341、比較結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。2、舉例說(shuō)明傳感器在家用電器中的應(yīng)用。35時(shí)間常數(shù)一階傳感器系統(tǒng)1.階躍響應(yīng)單位階躍信號(hào)36二階傳感器系統(tǒng)上升時(shí)間Tr響應(yīng)時(shí)間Ts超調(diào)量a1峰值時(shí)間Tp延滯時(shí)間Td衰減率穩(wěn)態(tài)誤差37例1-8熱電偶傳感器測(cè)溫過(guò)程中的動(dòng)態(tài)誤差分析。環(huán)境溫度T0被測(cè)液體溫度TT>T0*例1-9傳感器動(dòng)態(tài)特性的軟件補(bǔ)償——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法。補(bǔ)償濾波器：——所設(shè)計(jì)濾波器的實(shí)際輸出——所設(shè)計(jì)濾波器的期望輸出38學(xué)習(xí)算法：權(quán)值調(diào)整：灰塵傳感器：補(bǔ)償濾波器：均方誤差小于等于0.001392.頻率響應(yīng)輸入信號(hào)輸出信號(hào)頻率響應(yīng)特性：輸入頻率變化、幅值相等的正弦信號(hào)，輸出信號(hào)幅值與輸入頻率的關(guān)系：幅頻特性輸出信號(hào)相位與輸入頻率的關(guān)系：相頻特性

40相頻特性頻率響應(yīng)函數(shù)指數(shù)形式：幅頻特性其中，動(dòng)態(tài)靈敏度、增益41對(duì)數(shù)幅頻特性曲線通頻帶其中，0dB水平線是理想的零階系統(tǒng)的幅頻特性423.一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)微分方程（1）頻率響應(yīng)特性分析時(shí)間常數(shù)靜態(tài)靈敏度拉氏變換傳遞函數(shù)43頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論：越小，頻率響應(yīng)特性越好。44階躍函數(shù)