第1章传感器技术基础.

传感器原理与应用为什么学作用无可替代：获取信息的首要环节，俗称“电五官”。现代信息产业的三大支柱之一。应用极为广泛：航空航天、国防、工业生产、日常生活等。课程目标掌握传感器的基本概念，数学模型，特性指标；掌握常用传感器的工作原理，结构，测量电路；了解常用传感器的应用技术。引言课程特点从属与自动测控技术；以物理学，电子技术为基础，与机械、控制学科联系紧密；各种传感器技术相互独立，互不关联。学习方法每种传感器均可以按照结构、原理、性能、电路、应用的顺序来学习；理论学习与实践相结合。引言本课程主要内容第一章传感器技术基础第二章电阻应变式传感器第三章电感式传感器第四章电容式传感器第五章压电式传感器第六章热电式传感器第七章光电式传感器第八章气敏湿敏式传感器第九章磁敏式传感器第十章数字式传感器引言基本要求掌握传感器静态、动态数学模型；掌握传感器静态、动态特性的分析方法；了解传感器的分类；了解改善传感器性能的技术途径。重点、难点传感器静、动态特性的分析方法。第一章传感器技术基础主要内容1.1传感器的定义和组成;1.2传感器分类;1.3传感器的基本特性;1.4改善传感器性能的技术途径;1.5传感器标定。第一章传感器技术基础1.1传感器的定义和组成定义：能够感受一定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。组成：由敏感元件和转换元件组成。第一章传感器技术基础传感器组成框图1.2传感器分类传感器是一门知识密集型技术，传感器原理各异，学科广泛，种类繁多，分类方法如下:按工作机理分：物理型、化学型、生物型等；按构成原理分：结构型，物性型和复合型；按物理原理分：电参量式（电阻式、电感式、电容式等）、磁电式（磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式、光电式、气电式、波式（包括超声波等式、微波式等）、射线式、半导体式、其他原理的传感器（如振弦式和振筒式传感器等)；第一章传感器技术基础按能量转换分:能量控制型传感器和能量转换型传感器；按应用分类：位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器。另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器；根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等…。第一章传感器技术基础1.3传感器的基本特性涵义：指传感器的输出-输入之间关系的特性。特征：是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切关系。分类：分为静态特性和动态特性两种。指标：静态性能指标和动态性能指标两类。第一章传感器技术基础1.3.1传感器的静态特性涵义：是指被测量的各个值处于稳定状态（静态测量之下）时，传感器的输出-输入关系特性。描述方法：静态数学模型。衡量指标：线性度，灵敏度，重复性，迟滞，零点漂移和温度漂移等。传感器本身的特点、被测量及外界条件都可能影响这些技术指标。第一章传感器技术基础静态数学模型在静态信号（不随时间变化的信号）下传感器的输出-输入量间的函数关系。一般可用下列多项式表示输出y与输入x特性。其表达式如下：a0—零位输出；a1—传感器线性灵敏度；a2，…，an—非线性项的待定常数。第一章传感器技术基础静态模型有三种特殊形式，其方程与图形如下：第一章传感器技术基础线性度定义：传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。可用下式表示：—输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差；—输出满量程值。第一章传感器技术基础线性度涵义如下图所示：第一章传感器技术基础灵敏度定义：稳态时，传感器输出增量Δy与输入增量Δx的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是静态特性的斜率，如下页图（a）所示，即：而非线性传感器的灵敏度是一个变量，如下页图（b）所示，即用dy/dx表示传感器在某一工作点的灵敏度。第一章传感器技术基础第一章传感器技术基础y0xyy0(a)x0(b)ΔxΔyyK=Δy/Δx灵敏度定义重复性定义：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。如图所示：第一章传感器技术基础重复性可以用极限误差表示：—输出最大不重复误差—输出满量程值。不重复性误差属于随机误差，还可以用标准偏差计算：第一章传感器技术基础如果标准偏差σ服从高斯分布，则其可按贝塞尔公式计算：－测量次数；－某次测量值；－各次测量值的平均值，。第一章传感器技术基础迟滞定义：传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间，输出-输入特性曲线不重合程度，如图所示。第一章传感器技术基础对于输入信号，在连续增大的行程中，对应某一输出量为，在连续减小过程中，对应于输出量为之间的差值叫滞环误差。该误差用表示为：在整个测量范围内的最大滞环误差用表示，它与满量程输出值的比值称为最大滞环率：第一章传感器技术基础分辨率*定义：在规定的测量范围内所能检测输入量的最小变化量。稳定性*分类：短期稳定性和长期稳定性；一般用长期稳定性；*定义：传感器的长期稳定性，是指在规定的使用条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。第一章传感器技术基础零点漂移定义：无输入信号时，传感器输出偏离零值，即为零点漂移。包括时间漂移和温度漂移。时间漂移：在规定的条件下，零点随时间变化。温度漂移：表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1℃，输出最大偏差与满量程的百分比表示。第一章传感器技术基础1.3.2传感器的动态特性定义：指传感器对动态输入的输出响应特性，反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。研究目的：为了从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及提出改善措施，提高系统动态性能。描述方法：传感器的动态数学模型。分类：包括瞬态响应特性和频率响应特性。第一章传感器技术基础传感器的动态模型*线性常系数微分方程式中系数和是由传感器参数决定的常量，一般情况下除外，为零。一旦求出微分方程的解，即可得到传感器的暂态响应与稳态响应。但对于复杂高阶系统，微分方程的建立和求解均很困难。一般采用拉氏变换将微分方程变换为传递函数的方法求解。第一章传感器技术基础传递函数传递函数定义为初始条件为0时输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比：传递函数简单的描述了系统的输入与输出关系，上式中若取，则有频率响应：第一章传感器技术基础传感器的瞬态响应特性定义：传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。在时域内研究传感器的瞬态响应特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器的频率响应特性定义：将频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。第一章传感器技术基础传感器典型环节的动态特性*零阶传感器的动态特性微分方程传递函数阶跃响应频率响应因此通常称零阶传感器环节为比例环节。第一章传感器技术基础一阶传感器的动态特性微分方程传递函数其中：是时间常数，是静态灵敏度。第一章传感器技术基础阶跃响应特性阶跃响应：当输入阶跃信号时，可以得到系统的响应为（设K=1）。曲线如图所示：第一章传感器技术基础频率特性一阶传感器的频率特性、幅频特性、相频特性为：，，幅频特性和相频特性曲线如图（伯德图）第一章传感器技术基础幅频特性相频特性二阶传感器的动态特性微分方程传递函数其中是静态灵敏度；是传感器无阻尼时的固有频率；是传感器的阻尼系数。第一章传感器技术基础阶跃响应特性二阶传感器的阶跃响应为欠阻尼情况（）其中，临界阻尼（）过阻尼（）其中第一章传感器技术基础二阶系统阶跃响应曲线如图所示零阻尼，超调量为100％，产生等幅振荡，达不到稳态；欠阻尼，衰减振荡，达到稳态所需的时间随着ξ减少而加长；临界阻尼，响应时间最短；过阻尼，无超调无振荡，反应迟钝，达到稳态所需的时间较长。第一章传感器技术基础二阶系统阶跃响应曲线图（响应指标）超调量σ延迟时间td上升时间tr峰值时间tp响应时间ts第一章传感器技术基础二阶传感器阶跃响应指标超调量σ：响应偏离阶跃曲线的最大值，超调量能说明传感器的相对稳定性；延迟时间td：阶跃响应达到稳态值50％所需要的时间；上升时间tr：响应从稳态值10％上升到90％所需要的时间；是系统响应速度的度量；峰值时间tp：响应曲线到第一个峰值所需的时间；响应时间ts：响应曲线衰减到稳态值之差不超过±5％或±2％时所需要的时间，有时称为过渡过程时间。第一章传感器技术基础频率特性二阶传感器的频率特性、幅频特性、相频特性分别为：第一章传感器技术基础二阶传感器的频率特性曲线如图所示：第一章传感器技术基础幅频特性相频特性二阶传感器的频率响应特性指标频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数τ：用时间常数τ表征一阶传感器的动态特性，τ越小，频带越宽。固有频率。二阶传感器的固有频率表征了其动态特性。第一章传感器技术基础1.4改善传感器性能的技术途径结构、材料与参数的合理选择；差动技术；平均技术；稳定性处理；屏蔽、隔离与干扰抑制；零示法、微差法与闭环技术；补偿、校正等。第一章传感器技术基础差动技术差动技术是一种减小传感器非线性误差的方法，在电阻应变式，电感式，电容式等传感器中得到了广泛的应用。其原理框图如图所示：第一章传感器技术基础差动传感器原理框图传感器1传感器2反相x-xy2y1y差动技术原理设传感器1在输入下的输出为：用相同的传感器2，在输入下的输出为：使二输出相减，有于是，总输出消除了零位输出和偶次非线性项。差动技术优点：改善线性度；灵敏度提高一倍；具有温度补偿特性。第一章传感器技术基础1.5传感器标定标定的目的新设计或制造的传感器，在装配完毕后必须对设计指标进行一系列试验，进行全面检测，确定其实际性能，这个过程称之为标定。标定的方法将标准设备产生的标准量输入待标定的传感器，然后将传感器的输出量标准输入量进行比较，从而获得一系列表征两者对应关系的标定曲线。第一章传感器技术基础例1：设有两只力传感器，均可作为二阶系统处理，其固有频率分别为800Hz和2.2kHz，阻尼比均为0.4，欲测量频率为400Hz正弦变化的外力，试问：（1）应选用哪一只？（2）计算所产生的振幅相对误差和相位误差。第一章传感器技术基础作业：1.什么是传感器的动态特性？其分析方法主要有哪几种？2.画出差动传感器系统原理框图，试问差动技术有哪些优点？3.有一温度传感器，微分方程为，其中为输出电压（mV),为输入温度（℃）。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。4.某力传感器属二阶传感器，固有频率为l000Hz，阻尼比为0.7，试求用它测量频率为600Hz的正弦交变力时的振幅相对误差和相位误差。第一章传感器技术基础