第2章 传感器概述.doc

第2章 传感器概述 第2章传感器概述第2章传感器概述2.1传感器的组成部分2.2传感器的基本特性第2章传感器概述组成敏感元件的输出作为转换元件的输入敏感元件的输出作为转换元件的输入直接感受被测量转化为电量参数图2-1传感器组成方框图第2章传感器概述例如要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。 可以设计一个简单的实验装置。 例如要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。 可以设计一个简单的实验装置。 敏感元件转换元件+电子线路输出砝码m千克弹簧k转换电路转换电路加速度电量a力mama/k位移v?ma/kL第2章传感器概述3A1245图32应变式加速度传感器1应变梁2质量块3应变片4壳体TT0B第2章传感器概述膜片形变（应变）应变片电阻改变敏感元件转化元件敏感元件转化元件压力作用压力传感器示例第2章传感器概述?能将温度转换为电压的传感器热电偶第2章传感器概述 1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等 2、按构成原理，结构型与物性型两大类 3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器6根据转换过程可逆与否单向和双向分类 7、根据传感器输出信号模拟信号和数字信号 6、根据转换过程可逆与否单向和双向 8、根据传感器使用电源与否有源传感器和无源传感器按被测参数分温度、压力、位移、速度等按工作原理分应变式、电容式、压电式、磁电式等第2章传感器概述按照工作原理分类电参量式传感器电阻式、电感式、电容式等；磁电式传感器磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；压电式传感器声波传感器、超声波传感器；光电式传感器一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；气电式传感器电位器式、应变式；热电式传感器热电偶、热电阻；波式传感器超声波式、微波式等；射线式传感器热辐射式、射线式；半导体式传感器霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。 第2章传感器概述2.2传感器的基本特性在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并不失真地变换成相应的电量基本特性传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性静态特性1灵敏度2线性度3迟滞4重复性5漂移动态特性1瞬态响应特性2频率响应特性第2章传感器概述传感器温度供电冲击与振动电磁场输入外界影响输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。 稳定性(零漂)传各种干扰稳定性温漂分辨力线性滞后重复性灵敏度误差因素传感器输入输出作用图衡量传感器特性的主要技术指标第2章传感器概述传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。 在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，传感器静态输入、输出关系一般可表示为式中y输出量；x输入量； 一、静态特性技术指标nn xax ax a a y?2210式中y输出量；x输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a 2、a 3、a n非线性项系数。 各项系数决定了特性曲线的具体形式第2章传感器概述传感器的静态模型有三种有用的特殊形式1y ax? （1）理想的线性特性 （2）仅有偶次非线性项24024y ax ax ax?35135y ax axax? （3）仅有奇次非线性项第2章传感器概述三种形式所呈现的非线性程度 （1） （2） （3）三种特殊形式的特性曲线第2章传感器概述1灵敏度灵敏度S是指传感器的输出量增量y与引起输出量增量y的输入量增量x的比值，即单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化。 xyS?（2-2）传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。 对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。 而非线性传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dx表示。 传感器的灵敏度如图2-2所示。 第2章传感器概述y y?y?x?y?x?yox?x?xx(a)(b)o图2-2传感器的灵敏度第2章传感器概述2线性度线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。 输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。 但实际遇到的传感器大多为非线性（如图2-3所示）。 yY FSx理想特性曲线实际特性曲线o图2-3线性度第2章传感器概述传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值L max与满量程输出值Y FS之比。 线性度也称为非线性误差，用L表示，即%100max?LYL?FSY式中L max最大非线性绝对误差；Y FS满量程输出值。 第2章传感器概述实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入了非线性补偿电路或者计算机软件法等补偿环节。 非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段。 使传感器输出输入特性线性化，所采用的直线称为拟。 合直线。 yY FSo?L maxxyY FS?L1?L max?L2oxyY FS?L maxxyYFS?L1?L2?L3?L3?L maxox(a)(b)(c)(d)o图2-4几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合第2章传感器概述设拟合直线方程0yy iy=kx+bx I最小二乘拟合法最小二乘法拟合y=k x+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为=y(kx+b)?min2112?nii iniibkx y最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即i=y i-(kx i+b)对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式?2i?2i第2章传感器概述3迟滞0yxHmaxy FS迟滞特性传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。 迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。 迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即%1001max?式中:Hmax正反行程输出值间的最大差值YFS满量程输出值迟滞误差的又叫回程误差。 对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。 主要原因传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等%1002max?FSYr第2章传感器概述yRmax2Rmax1重复性误差可用重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值4重复性传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 x0也可用正反行程中最大重复差值R max计算，即%100)32(?FSRYr?%10021max?FSRYRr（2-5）（2-6）第2章传感器概述在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。 产生漂移的原因有两个方面一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）最常见的漂移是温度漂移温度漂移5漂移xx0%tFSy yYt?温漂式中t工作环境温度t偏离标准环境温度t20之差，即t=t-t20；y t传感器在环境温度t时的输出；y20传感器在环境温度t20时的输出。 第2章传感器概述 二、传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。 被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。 通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器响应特性。 标准输入有三种经常使用的是前两种。 ?阶跃变化的输入?正弦变化的输入?线性输入第2章传感器概述1.传感器的基本动态特性方程传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述y adtdyadty dadty dannnnnn01111?x bdtdxbdtxdbdtx dbmmmmmm01111?式中，a 0、a 1、,a n,b 0、b 1、.,b m是与传感器的结构特性有关的常系数。 （2-8）第2章传感器概述1）零阶系统微分方程a0y(t)=b0x(t)通常将该代数方程写成y(t)=kx(t)k=b0/a0为静态灵敏度或放大系数零阶系统无论被测量x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其输出在时间上也无任何滞后，所以零阶系统又称为比例系统。 具有理想的动态特性。 在工程应用中，电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统。 第2章传感器概述2）一阶系统若在方程式（2-8）中的系数除了a 0、a1与b0之外，其它的系数均为零，则微分方程为)()()(001t xb ty adtt dya?上式通常改写成为)()()(t kxt ydt dy?(2-10)()(ydt (210)式中传感器的时间常数,=a1/a0；k传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0。 时间常数具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小，静态灵敏度则说明其静态特性。 用方程式（2-10）描述其动态特性的传感器就称为一阶系统，又称为惯性系统。 如前面提到的不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器等均可看作为一阶系统。 第2章传感器概述热电偶、液注式温度计等第2章传感器概述3）二阶系统二阶系统的微分方程为)()()()(001222t xb ty adtt dyadtt y da?二阶系统的微分方程通常改写为)()() (2)(2222t kxt ydtt dydtt ydn nn?b a式中k传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0；传感器的阻尼系数，n传感器的固有频率，)2/(201a a a?20aan?根据二阶微分方程特征方程根的性质不同，二阶系统又可分为二阶惯性系统特征方程的根为两个负实根,它相当于两个一阶系统串联。 二阶振荡系统其特点是特征方程的根为一对带负实部的共轭复根。 带有套管的热电偶、电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路等均可看作为二阶系统。 第2章传感器概述二阶传感器（CD式、压电式传感器等）CD式测速传感器YD式测速传感器加速度计加速度计第2章传感器概述二阶传感器（CD式、压电式传感器等）加速度F F称重传感器第2章传感器概述压电晶片二阶传感器（CD式、压电式传感器等）压电晶片第2章传感器概述2.传感器的动态响应特性描述传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器简化模型传感器输入(t)输出(t)传感器输入x(t)输出y(t)()()H jhtH?系统（s）()()Xx tX?输入（s）()t?Y()输出yY(s)传感器第2章传感器概述2.1瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。 传感器在进行时域分析时，用得比较多的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号，传感器的输出瞬态响应分别称为阶跃响应和脉冲响应。 2.2频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性,称为频率响应特性。 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。 第2章传感器概述阶跃响应函数(t)若传感器输入信号x(t)=u(t)单位阶跃信号，则y(t)=(t)（t）=1（t）00其他在时域中描述传感器的动态特性传感器时域波形参数识别在时域中描述传感器的动态特性第2章传感器概述脉冲响应函数h(t)传感器(t)h(t)若传感器的输入x（t）=(t)，则y(t)=h(t)在时域中描述传感器的动态特性传感器传感器固频、阻尼参数在域中传动特性第2章传感器概述1)零阶传感器的阶跃响应和频响特性A（）KKg（t）（?00t t0第2章传感器概述a1(dy/dt)+a0y(t)=b0x(t)()()(0001t xabt ydtt dyaa?)()()(t Kxtydttdy?时间常数(=a1/a0)；K静态灵敏度(K=b0/a0)Ks H?)(传递函数2）一阶系统的阶跃响应和频响特性ss H?1)(传递函数频率响应函数?jKj H?1) (2) (1)(?Kj H幅频特性相频特性)arctan()(?负号表示相位滞后时间常数越小，系统的频率特性越好第2章传感器概述一阶系统阶跃响应将u(t)=1代入微分方程，解之tu(t)01齐次方程通解?/11)(te Ct g?非齐次方程特解g2(t)=1(t0)方程解1)()()(/?tC()y t方程解1)()()(/121?te Ct gt gt gg(t）01初始条件y (0)=0代入上式，得t=0时，C1=-1,则?/1)(te t g?随着时间推移，y接近于1，是决定响应速度的重要参数。 ?()y tt?2?3?4?5?0.6320.8650.9500.9820.9931第2章传感器概述一阶系统频率响应一阶传感器的幅频特性与相频特性直观反映了传感器对不同频率成分输入信号的响应。 20lg()A?()dB?1?110?110?1?10?10()a()b()?45?90?lg?lg?一阶传感器的伯德图第2章传感器概述一阶系统幅频特性与相频特性分析幅频特性当=时，A（）=0.707（-3dB）时间常数越小，传感器的频率特性越好过渡带衰减速率-20dB/10oct?1?1?110?110?1?10?10()a()b()?20lg()A?()dB45?90?lg?lg?第2章传感器概述一阶传感器的幅频特性与相频特性jQ?P()H j?()H j?一阶传感器的奈魁斯特图第2章传感器概述)()(/)(/)(001222t xb ty adt tdy adt tyda?传递函数?3）二阶系统的阶跃响应和频响特性时间常数0固有角频率,0=2/阻尼比K静态灵敏度，K=b0/a002/aa?xx/aaa?12/2?S SK SH第2章传感器概述二阶系统阶跃响应根据阻尼比的大小不同，分为三种情况K ty dt tdydt tyd?)(/)(2/)(222?1）01(欠阻尼)?K tKet gt?0221sin1)(021arcsin?第2章传感器概述欠阻尼传感器阶跃响应曲线为一衰减振荡过程,越小,振荡频率越高,衰减越慢。 t w0.021tt mm的阶传感器过渡过程21?mt峰值时间t W=4/)(tg稳定时间1（过阻尼）?22)=1(临界阻尼)?K Kettgt?001?2?tKe tg02122121)(?上两式表明，1时，传感器阶跃响应不再振荡，而是由两个一阶阻尼环节组成，临界阻尼时两个时间常数相同，过阻尼时两个时间常数不同。 K Ket?02122121?第2章传感器概述()y t0?0.1?0.5?0.7?1.0?12t有频率n由传感器主要结构参数所决定,n越高,传感器的响应越快。 =0,为临界阻尼,超调量为100%,产生等幅振荡,达不到稳态。 1,为过阻尼,无超调也无振荡,但达到稳态所需时间较长。 1,为欠阻尼,衰减振荡,达到稳态值所需时间随的减小而加长。 =1时响应时间最短。 但实际使用中常按稍欠阻尼调整,取0.70.8为最好。 第2章传感器概述?0202)(1/?j Kj H2222) (4)1(/)(?K A幅频特性二阶系统频率响应00)()(/)(?0012arctan)(?幅频特性相频特性第2章传感器概述=0.707时，A()平直段最长且此曲线当相位滞后与频率近似成线性。 n?1时，20lg()AdB?0.05?0.25?1.00?0.70?0.50?当0时，在/0=1处A()，谐振，严重失真；随着的增大，谐振现象逐渐不明显。 A（）工作段=0.6-0.7；/00.5-0.6当0.707时，不再出现谐振A()随/0增大而单调下降，过渡带衰减速率-40dB/10倍频程=0. 7、058时，A()变化小于5%，()接近于过坐标原点的斜线。 n?90?