传感技术概论深实用教案

1、2021年12月16日19时32分page 1课程(kchng)简介(2)同时还介绍国内外各种新型传感器及同时还介绍国内外各种新型传感器及其应用，从而能够了解国内外传感技其应用，从而能够了解国内外传感技术最新研究术最新研究(ynji)(ynji)概况与发展动概况与发展动向。向。第1页/共59页第一页，共60页。2021年12月16日19时32分page 2章节内容学时分配备注总学时 讲课 实验 自学1绪论 44 2电阻式传感器642 3电容式传感器642 4电感式传感器642 5压电式传感器44 6霍尔式传感器44 7热电式传感器辐射式传感器44 8 94444 1044 11传感器测控电路传

2、感器测控电路44 传感器测控(c kn)电路第2页/共59页第二页，共60页。2021年12月16日19时32分page 3第一章 概 述第3页/共59页第三页，共60页。2021年12月16日19时32分page 41.11.1传感器的地位传感器的地位(dwi)(dwi)和作和作用用第4页/共59页第四页，共60页。2021年12月16日19时32分page 5 例如：在化工产品自动生产过程中例如：在化工产品自动生产过程中 首先，进料时要自动对原料称重、分析首先，进料时要自动对原料称重、分析原料成分或浓度原料成分或浓度, ,使它们按比例混合；使它们按比例混合； 混合后，在反应容器中自动反应，

3、又必混合后，在反应容器中自动反应，又必须测定容器中的压力或体积，如果是液须测定容器中的压力或体积，如果是液体、还需要自动控制容器液位高度和流体、还需要自动控制容器液位高度和流量和温度；然后半成品在生产线量和温度；然后半成品在生产线( (管道管道) )中传输，需要自动控制传输速度或流量，中传输，需要自动控制传输速度或流量，这里必须使用液动或气动设备产生这里必须使用液动或气动设备产生(chnshng)(chnshng)推动力因而要检测压力推动力因而要检测压力或压强或压强 最后，成品自动分装还要称重。所有这最后，成品自动分装还要称重。所有这些环节均需要使用各种传感器对相应的些环节均需要使用各种传感器

4、对相应的非电量进行检测和控制，使设备或系统非电量进行检测和控制，使设备或系统自动、正常地运行在最佳状态，保证生自动、正常地运行在最佳状态，保证生产的高效率和高质量。产的高效率和高质量。 第5页/共59页第五页，共60页。2021年12月16日19时32分page 6第6页/共59页第六页，共60页。2021年12月16日19时32分page 7二、传感器技术二、传感器技术(jsh)是信息技术是信息技术(jsh)的的源头和支柱之一源头和支柱之一 传感器是信息采集系统的首要部件，是实现传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制现代化测量和自动控制( (包括遥感、遥测、遥控包括遥感、

5、遥测、遥控) )的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在传感技术与信息技术、计算机技术并列成在传感技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱、可以设为支撑整个现代信息产业的三大支柱、可以设想如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没想如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么有先进的传感器技术，那么(n me)(n me)信息的准确信息的准确获取就成为一句空话，信息技术和计算机技术获取就成为一句空话，信息技术和计算机技术就成了无源之水。

6、就成了无源之水。第7页/共59页第七页，共60页。2021年12月16日19时32分page 8第8页/共59页第八页，共60页。2021年12月16日19时32分page 9三、科学技术的发展三、科学技术的发展(fzhn)与传感器技术与传感器技术密切相关密切相关 传感器技术的重要性还体现在它已经广泛传感器技术的重要性还体现在它已经广泛的应用于各个学科领域。例如的应用于各个学科领域。例如(lr)工业生产工业生产自动化、农业现代化、军事武器工程、航天航自动化、农业现代化、军事武器工程、航天航空技术、机器人技术、汽车技术、资源探测、空技术、机器人技术、汽车技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全和

7、医疗系统、家用海洋开发、环境监测、安全和医疗系统、家用电器、电力水电等领域，都与传感器技术有密电器、电力水电等领域，都与传感器技术有密切的关系。而且传感器技术的发展能为这些科切的关系。而且传感器技术的发展能为这些科学技术的发展提供有力的技术支持和研究手段。学技术的发展提供有力的技术支持和研究手段。可以说现代科技的发展越来越离不开传感器技可以说现代科技的发展越来越离不开传感器技术。术。第9页/共59页第九页，共60页。2021年12月16日19时32分page 101.2 1.2 传感器的定义传感器的定义(dngy)(dngy)与组成与组成 关于传感器的定义至今尚无一个比较全面的定义。不过，对以

8、下提法学者们似乎不持异议，传感器(Transducer(Transducer或Sensor)Sensor)有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器、其主要特征是能感知和检测(jin c)(jin c)某一形态的信息、并将其转换成另一形态的信息。因此, ,传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受( (或响应) )与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置(.)(.)。 第10页/共59页第十页，共60页。2021年12月16日19时32分page 11 此外，人们从其功能出发，形象地将传此外，人们从其功能出发，形象地将传感器定义为，所谓传感器，是指那些能够

9、取感器定义为，所谓传感器，是指那些能够取代甚至超出人的代甚至超出人的“五官五官”。具有视觉、听觉、。具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。触发、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。这里所说这里所说(su shu)(su shu)的的“超出超出”是因为传感是因为传感器不仅可应用于人无法忍受的高温、高压、器不仅可应用于人无法忍受的高温、高压、辐射等恶劣环境还可以检测出人类辐射等恶劣环境还可以检测出人类“五官五官”不能感知的各种信息不能感知的各种信息().().第11页/共59页第十一页，共60页。2021年12月16日19时32分page 12传感器的组成(z chn) 传感一般是利用

10、物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大差异但是，总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件和其他(qt)辅助元件组成 ，如下图所示()第12页/共59页第十二页，共60页。2021年12月16日19时32分page 13 信号调节电路是能把转换元件输出的电信号信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。主要包括信号放大、电桥、电信号的电路。主要包括信号放大、电桥、振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应的振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应的传感器相配合。传

11、感器相配合。 辅助电路通常主要是电源辅助电路通常主要是电源(dinyun)，即交、，即交、直流供电系统。直流供电系统。 仅就目前而言，传感器技术应涉及传感器仅就目前而言，传感器技术应涉及传感器的机理、材料、制造工艺和应用等项综合技的机理、材料、制造工艺和应用等项综合技术。术。第13页/共59页第十三页，共60页。2021年12月16日19时32分page 14第14页/共59页第十四页，共60页。2021年12月16日19时32分page 15 信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电为便于显示、记录、处理

12、和控制的有用电信号的电路。主要包括信号放大、电桥、振荡器、电荷放大路。主要包括信号放大、电桥、振荡器、电荷放大器等，他们分别与相应的传感器相配合。器等，他们分别与相应的传感器相配合。 辅助电路通常主要是电源，即交、直流供电系统。辅助电路通常主要是电源，即交、直流供电系统。 仅就目前而言，传感器技术应涉及传感器的机仅就目前而言，传感器技术应涉及传感器的机理、材料、制造理、材料、制造(zhzo)工艺和应用等项综合技术。工艺和应用等项综合技术。第15页/共59页第十五页，共60页。2021年12月16日19时32分page 16 传感器的品种很多，原理各异，检测对象门类繁多因此其分类方法甚繁，至今尚

13、无统一规定。人们通常是站在不同角度，突出某一方面来分类的。归纳起来有如下几种大家认可的分类法。一 按工作机理分类： 这种分类方法是以其工作原理划分，将物理、化学和生物等学科(xuk)的原理、规律、效应作为分类的依据。按传感器的工作机理的不同，可分为结构型、物性型和复合型三大类。第16页/共59页第十六页，共60页。2021年12月16日19时32分page 17业流程检测设备中。业流程检测设备中。第17页/共59页第十七页，共60页。2021年12月16日19时32分page 18第18页/共59页第十八页，共60页。2021年12月16日19时32分page 19转换成电信号。转换成电信号。

14、()()第19页/共59页第十九页，共60页。2021年12月16日19时32分page 20物理量物理量传感器传感器机械量机械量传感器传感器物理机械量物理机械量传感器传感器硬度硬度密度密度 等等粘度粘度几何量几何量传感器传感器厚度厚度体积体积 等等角度角度第20页/共59页第二十页，共60页。2021年12月16日19时32分page 21物理量物理量传感器传感器机械量机械量传感器传感器流量传感器流量传感器质量流量质量流量体积流量体积流量加速度加速度传感器传感器角加速度角加速度冲击加速度冲击加速度速度传感器速度传感器流速传感器流速传感器角速度传感角速度传感器器力传感器力传感器张力、应力张力、

15、应力、荷重、力、荷重、力矩等矩等压力传感器压力传感器真空、静压真空、静压、动压、差、动压、差压、绝压等压、绝压等第21页/共59页第二十一页，共60页。2021年12月16日19时32分page 22物理量物理量传感器传感器热学传感器热学传感器热导率传感器热导率传感器温度传感器温度传感器光学传感器光学传感器红外线、激光、光红外线、激光、光纤、图像传感器纤、图像传感器磁学传感器磁学传感器霍尔元件传感器霍尔元件传感器磁场强度传感器磁场强度传感器电学量传感器电学量传感器电流、电压传感器电流、电压传感器电场传感器电场传感器辐射传感器辐射传感器声波传感器声波传感器核辐射、射线传感核辐射、射线传感器器第2

16、2页/共59页第二十二页，共60页。2021年12月16日19时32分page 23化学、生物化学、生物传感器传感器气体传感器气体传感器气体浓度传感器气体浓度传感器气体压力传感器气体压力传感器离子传感器离子传感器离子浓度传感器离子浓度传感器离子活度传感器离子活度传感器生理量传感器生理量传感器血压、血液成分、血压、血液成分、激素、心电传感器激素、心电传感器等等微生物传感器微生物传感器葡萄糖、青霉素、葡萄糖、青霉素、生化耗氧传感器等生化耗氧传感器等酶传感器、组织传酶传感器、组织传感器、免疫传感器感器、免疫传感器第23页/共59页第二十三页，共60页。2021年12月16日19时32分page 24

17、感器中的能量起控制或调节作用。()第24页/共59页第二十四页，共60页。2021年12月16日19时32分page 251.31.3 传感器的技术传感器的技术(jsh)(jsh)特点特点 传感器技术传感器技术(jsh)包括传感器的研究、设计、包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。它已逐步形成相对试制、生产、检测与应用。它已逐步形成相对独立的专门学科。与其他学科相比，它具有如独立的专门学科。与其他学科相比，它具有如下技术下技术(jsh)特点：特点：一、内容范围广且离散一、内容范围广且离散 传感器可涉及到的内容广而离散的特点主要传感器可涉及到的内容广而离散的特点主要体现在传感器技术体现

18、在传感器技术(jsh)可利用的物理学、化可利用的物理学、化学、生物学、电子学等中的基础学、生物学、电子学等中的基础“效应效应”、“反反应应”、“机理机理”不仅为数甚多，而且它们往往彼不仅为数甚多，而且它们往往彼此独立、甚至是完全不相关。此独立、甚至是完全不相关。第25页/共59页第二十五页，共60页。2021年12月16日19时32分page 26二、知识二、知识(zh shi)(zh shi)密集程度甚高、边缘学科色彩极浓密集程度甚高、边缘学科色彩极浓 由于传感器技术是以材料的电、磁、光、声、热、由于传感器技术是以材料的电、磁、光、声、热、力等功能效应和功能形态变换原理为基础，并综合力等功能

19、效应和功能形态变换原理为基础，并综合了物理学、化学、生物工程、微电子学、材科科学、了物理学、化学、生物工程、微电子学、材科科学、精密机械、微细加工、试验测量等方面的知识和技精密机械、微细加工、试验测量等方面的知识和技术而形成的一门科学。由此可见传感器技术是学术而形成的一门科学。由此可见传感器技术是学科交错应用极多，知识密集极高。与许多基础科学科交错应用极多，知识密集极高。与许多基础科学和专业工程学有着极为和专业工程学有着极为(j wi)密切的关系的技术。密切的关系的技术。第26页/共59页第二十六页，共60页。2021年12月16日19时32分page 27三、技术三、技术(jsh)复杂、工艺

20、要求高复杂、工艺要求高 传感器的制造涉及了许多高新技术，如集成传感器的制造涉及了许多高新技术，如集成(j chn)技术、薄膜技术、技术、薄膜技术、超导技术、微细或纳米加工技术、粘合技术、高密封技术、特种加工技超导技术、微细或纳米加工技术、粘合技术、高密封技术、特种加工技术以及多功能化、智能化技术等。因此传感器的制造工艺难度很大，术以及多功能化、智能化技术等。因此传感器的制造工艺难度很大，要求很高。要求很高。四、功能优、性能好四、功能优、性能好 传 感 器 功 能 优 良 主 要 体 现 在 其 功 能 的 扩 展 性 好 、 适 应 性 强 。 具 体 地传 感 器 功 能 优 良 主 要 体

21、 现 在 其 功 能 的 扩 展 性 好 、 适 应 性 强 。 具 体 地说传感器不但具有具备人类说传感器不但具有具备人类“五官五官”所具有的视、听、触、嗅、味觉功所具有的视、听、触、嗅、味觉功能，而且还能检测五官不能感觉到的信息同时还能在人类无法忍受的能，而且还能检测五官不能感觉到的信息同时还能在人类无法忍受的高温、高压等恶劣环境下工作。性能好体现在传感器的量程宽、精度高、高温、高压等恶劣环境下工作。性能好体现在传感器的量程宽、精度高、可靠性好等方面。可靠性好等方面。 第27页/共59页第二十七页，共60页。2021年12月16日19时32分page 28五、品种繁多、应用五、品种繁多、应

22、用(yngyng)(yngyng)广泛广泛 由于现代信息系统中待测的信息( (待测量) )很多，而且一种待测量往往可用几种传感器来测量因此，传感器产品品种极为庞杂、繁多。 传感器的应用范围很广，从航天、航空、兵器、船舟、交通、冶金、机械、电子、化工(hugng)(hugng)、轻工、能源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇宙开发等领域至农、林、牧、副、渔业甚至人们日常生活的各个方方面面，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器技术。第28页/共59页第二十八页，共60页。2021年12月16日19时32分page 29 当前当前(dngqin)，传感器技术的主要发展，传感器技术的主要发展动

23、向，一是开展基础研究，发现新现象，开发动向，一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。集成化与智能化。 1发现新现象发现新现象: 利用物理现象、化学反应和生物效应是利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象与新效应是发展传感技术的重要的工作，是研与新效应是发展传感技术的重要的工作，是研制新型传感器的重要基础，其意义极为深远。制新型传感器的重要基础，其意义极为深远。第29页/共59页第二十九页，共60页。2021年12月16日19时32分

24、page 30大兴趣。大兴趣。第30页/共59页第三十页，共60页。2021年12月16日19时32分page 313采用采用(ciyng)微细加工技术微细加工技术 半导体技术中的加工方法如氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以及蒸镀、溅射薄膜工艺都可引进用于传感器制造，因而制造出各式各样新型(xnxng)传感器。例如，利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精三维加工，在硅片上构成孔、沟、棱、锥、半球等各种形状，制作出全硅谐振式压力传感器。 第31页/共59页第三十一页，共60页。2021年12月16

25、日19时32分page 324 4 研究研究(ynji)(ynji)多功能集成传感器多功能集成传感器 日本丰田研究所开发出同时检测Na+、K+和H+等多离子传感器。这种传感器的芯片尺寸为25mmo5mm，仅用一滴液体，如一淌血液即可同时快速检测出其中Na+、K+和H+的浓度，对医院监床非常(fichng)适用与方便。 我国某传感器研究所研制的硅压阻式复合传感器可以同时测量压力与温度。第32页/共59页第三十二页，共60页。2021年12月16日19时32分page 33 智能传感器是一种带微处理器的传感器，它兼有检测、判断和信息处理功能(gngnng)。其典型产品如美国图尼尔公司的ST一300

26、0型智能传感器，其芯片尺寸为342mm3，采用半导体工艺，在同一芯片上制作CPU、EPROM和静压、压差、温度等三种敏感元件。 5 智能化传感器智能化传感器 第33页/共59页第三十三页，共60页。2021年12月16日19时32分page 346新一代航天新一代航天(hngtin)传感器研究传感器研究 众所周知，在航天器的各大系统中，传感器对各种信息参数的检测，保证了航天器按预定程序正常工作，起着极为重要的作用。随着(su zhe)航天技术的发展，航天器上需要的传感器越来越多，例如，航天飞机上安装3500支左右传感器，对其指标性能都有严格要求，如小型化、低功耗、高精度、高可靠性等都有具体指标

27、。为了满足这些要求，必须采用新原理、新技术研制出新型的航天传感器。第34页/共59页第三十四页，共60页。2021年12月16日19时32分page 357仿生传感器研究(ynji) 值得注意的一个发展动向是仿生传感器的值得注意的一个发展动向是仿生传感器的研究，应该给予研究，应该给予(jy)(jy)高度重视，特别是在高度重视，特别是在机器人技术向智能化高级机器人发展的今天。机器人技术向智能化高级机器人发展的今天。仿生传感器就是模仿人的感觉器官的传感器，仿生传感器就是模仿人的感觉器官的传感器，即视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味即视觉传感器、听觉传感器、嗅觉传感器、味觉传感器、触觉传感器等。

28、目前只有视觉与触觉传感器、触觉传感器等。目前只有视觉与触觉传感器解决的比较好，其它几种远不能满足觉传感器解决的比较好，其它几种远不能满足机器人发展的需要。也可以说，至今真正能代机器人发展的需要。也可以说，至今真正能代替人的感觉器官功能的传感器极少，需要加速替人的感觉器官功能的传感器极少，需要加速研究，否则将会影响机器人技术的发展。研究，否则将会影响机器人技术的发展。第35页/共59页第三十五页，共60页。2021年12月16日19时32分page 36 从系统角度来看一种传感器就是一种系统。根据从系统角度来看一种传感器就是一种系统。根据系统工程学理论，一个系统总可以用一个数学方程式或系统工程学

29、理论，一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性，从而、用这种关系指导对传感和输入间的关系和特性，从而、用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的静态输器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的静态输入入-输出关系和动态输入输出关系和动态输入输出关系两方面建立数学模输出关系两方面建立数学模型，但是准确地建立一个系统的数学模型是困难的。在型，但是准确地建立一个系统的数学模型是困难的。在工程上，总是采用一些近似方法建立起系统的初步模型，工程上，总是采用一些近似方法建立起系统

30、的初步模型，然后然后(rnhu)(rnhu)经过反复模拟试验确立系统的最终数学经过反复模拟试验确立系统的最终数学模型，这种方法同样适用传感器数学模型的建立。模型，这种方法同样适用传感器数学模型的建立。第36页/共59页第三十六页，共60页。2021年12月16日19时32分page 37 一、传感器的静态一、传感器的静态(jngti)(jngti)数学数学模型模型: : 静态模型是指在静态信号静态模型是指在静态信号( (输入信号不随时间变化的输入信号不随时间变化的量量) )情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特

31、性，传感器的静态模型一如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般般(ybn)(ybn)可用多项式来表示：可用多项式来表示：230123.nnyaa xa xa xa x其中：其中：x x 输入量；输入量； y y输出量；输出量； 为零位输出；为零位输出；为传感器线性灵敏度，常用为传感器线性灵敏度，常用(chn yn)K(chn yn)K或或S S表示表示; ; 为非线性项的待定系数。为非线性项的待定系数。 0a1a2ana（1-1）第37页/共59页第三十七页，共60页。2021年12月16日19时32分page 38传感器的静态模型传感器的静态模型(mxng)(mxng)有三种有用的

32、特殊形式：有三种有用的特殊形式： 1yax24124.ya xa xa x（1-2）（1-3）35135.ya xa xa x（1-4）式式(11)(11)表示传感器的输出表示传感器的输出(shch)(shch)和输入量呈和输入量呈严格的线性关系，式严格的线性关系，式(13)(13)和和(14)(14)均为非线性均为非线性关系。关系。第38页/共59页第三十八页，共60页。2021年12月16日19时32分page 39 一、一、 传感器的一般传感器的一般(ybn)特性特性1 1、静态、静态(jngti)(jngti)特性与特性与动态特性定义动态特性定义从输入信号从输入信号(xnho)(xnh

33、o)不随时间变化或变化极其不随时间变化或变化极其缓慢的角度考虑的传感器特性称为传感器静态特缓慢的角度考虑的传感器特性称为传感器静态特性。性。信号信号时间时间静态信号静态信号动态信号动态信号从输入信号随时间变化较大的角度考虑的传感器特从输入信号随时间变化较大的角度考虑的传感器特性称为传感器动态特性。性称为传感器动态特性。0第39页/共59页第三十九页，共60页。2021年12月16日19时32分page 402 2、传感器静态、传感器静态(jngti)(jngti)特性特性（1 1）传感器线性度）传感器线性度输出量与输入量之间的实际输出量与输入量之间的实际(shj)(shj)关系曲线偏离直关系曲

34、线偏离直线的程度称为线性度。一般用非线性误差表示可用下线的程度称为线性度。一般用非线性误差表示可用下式表示式表示max*100%FSEY 输出量Y输入量XmaxFSY0第40页/共59页第四十页，共60页。2021年12月16日19时32分page 41输出量Y 曲线a存在零点误差，但并不存在非线性误差。这是传感器经常遇到的问题，比如我们在以后章节要学习(xux)的霍尔传感器就存在零点误差，我们可以在调理电路中把零点误差处理掉。 曲线(qxin)b既存在零点误差，又存在输入量与输出成反比，但并不存在非线性误差。这也是传感器经常遇到的问题之一，比如我们在以后章节要学习的超声波传感器是这样，我们可

35、以在调理电路中和数据处理中可以解决。maxFSYmax*100%FSEY 曲线(qxin)a曲线b0X第41页/共59页第四十一页，共60页。2021年12月16日19时32分page 42（2）传感器的灵敏度定义(dngy)传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量与输入增量与输入增量 的比值常用的比值常用 来表示：来表示：对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性(txng)(txng)的斜率，如图（的斜率，如图（a a）所示，即：）所示，即： YXnSYXXYnYSX0limnXYSXM点0N点第42页/共59页第四十二页，

36、共60页。2021年12月16日19时32分page 43非线性传感器的灵敏度是一个非线性传感器的灵敏度是一个(y (y )变量，如图变量，如图(b)(b)所示，即用所示，即用 表示传感器在其某一工作点的灵敏表示传感器在其某一工作点的灵敏度。度。dydxYXXY0lim=nXYdySXdxM点0第43页/共59页第四十三页，共60页。2021年12月16日19时32分page 44（3）传感器的重复性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试(csh)(csh)时，所得特性曲线不一致性的程度时，所得特性曲线不一致性的程度( (见图见图

37、) )。多次按。多次按相同输入条件测试相同输入条件测试(csh)(csh)的输出特性曲线越重合，其重复的输出特性曲线越重合，其重复性越好，其重复性误差也越小。性越好，其重复性误差也越小。1m2mnmm ax100%xF SEY YXFSY满量程输出满量程输出(shch)(shch)值值 1max.inmmm 0第44页/共59页第四十四页，共60页。2021年12月16日19时32分page 45传感器为何会产生传感器为何会产生(chnshng)重复重复性误差？性误差？传感器机械部分的磨损、间隙传感器机械部分的磨损、间隙(jin x)、松动、松动敏感元件内摩擦、积尘敏感元件内摩擦、积尘(j c

38、hn)辅助电路老化和漂移辅助电路老化和漂移 不重复性误差一般属于随机误差性质不重复性误差一般属于随机误差性质,反映的是测量结反映的是测量结果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别，有时重复性很果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别，有时重复性很好但可能偏离真值。不重复性误差可以通过校准测得。好但可能偏离真值。不重复性误差可以通过校准测得。注意注意第45页/共59页第四十五页，共60页。2021年12月16日19时32分page 46（4）迟滞(chzh) 迟滞特性能表明传感器在正向迟滞特性能表明传感器在正向(输入输入(shr)量增大量增大)行程和反向行程和反向(输入输入(shr)量减小量减小

39、)行程期间，输出输入行程期间，输出输入(shr)特性曲线不重合的程度。对于同一输入特性曲线不重合的程度。对于同一输入(shr)正向和反向行程的差值用正向和反向行程的差值用E表示为：表示为：YXFSYdyidEyyiyidEyy这种现象称为这种现象称为(chn wi)“迟滞迟滞”，E称为称为(chn wi)迟迟滞误差。滞误差。0第46页/共59页第四十六页，共60页。2021年12月16日19时32分page 47在整个测量范围内产生的最大滞环误差在整个测量范围内产生的最大滞环误差(wch)(wch)用用表示，它与满量程输出值表示，它与满量程输出值 的比值称为最大迟滞率的比值称为最大迟滞率max

40、( )mE FSYmax100%FSmEY（5）最小检测(jin c)量和分辨率 最小检测量是指传感器能确切反映(fnyng)被测的最低极限量。最小检测量越小表示传感器检测微量的能力越高。 由于传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一般用相当于噪声电平的若干倍的被测量为最小检测量，用公式表示为：CNMKM 为最小检测量为最小检测量C C为系数（与传感器结构类型有关）为系数（与传感器结构类型有关）N N为噪声电平为噪声电平K K 传感器的灵敏度传感器的灵敏度第47页/共59页第四十七页，共60页。2021年12月16日19时32分page 48举例举例(j l)某电容式气体压力某电容式气体压力(

41、yl)(yl)传感器的噪声电平为传感器的噪声电平为0.2mV0.2mV，灵敏度灵敏度K K为为0.5mV/Pa0.5mV/Pa，对于电容传感器一般取系数为，对于电容传感器一般取系数为2 2，则由公式可得其最小检测量：则由公式可得其最小检测量：0.8CNMPaK传感器的分辨率指在规定测量范围内所能检测传感器的分辨率指在规定测量范围内所能检测(jin c)输入量的最小变化量输入量的最小变化量minx也可以用该值相对满量程输入值的百分数也可以用该值相对满量程输入值的百分数 来表示。来表示。数字传感器的分辨率可用输出数字指示值最后一位所数字传感器的分辨率可用输出数字指示值最后一位所代表的输入量。代表的

42、输入量。min100%FSxX第48页/共59页第四十八页，共60页。2021年12月16日19时32分page 49（6）漂移(pio y)传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生(fshng)与输与输入量无关的、不需要的变化。入量无关的、不需要的变化。传感器的漂移传感器的漂移(pio y)零点漂移零点漂移灵敏度漂移灵敏度漂移时间漂移时间漂移温度漂移温度漂移零点漂移定义零点漂移定义YXFSY0Y0100FSY0Y零漂第49页/共59页第四十九页，共60页。2021年12月16日19时32分page 50温度温度(wnd)漂漂移定义移定义YTmax0

43、T100MAXFSYT零漂例如如上图所示某压力(yl)传感器，其满量程值为1V，温度变化范围为-40度到60度。其输出受温度影响最大偏差为0.2V，则其温漂为：100MAXFScYTo零漂0.2%/产生漂移产生漂移(pio y)的原因是多方面的，主要是由的原因是多方面的，主要是由于测量系统的灵敏元件受外界（温度、湿度、电于测量系统的灵敏元件受外界（温度、湿度、电磁干扰）干扰和传感器调理电路的元器件受外界磁干扰）干扰和传感器调理电路的元器件受外界条件干扰引起的。条件干扰引起的。第50页/共59页第五十页，共60页。2021年12月16日19时32分page 51 二、动态(dngti)特性简介

44、传感器的动态特性和误差概念：传感器的动传感器的动态特性和误差概念：传感器的动态特性是传感器在测量中非常重要的问题，它是传态特性是传感器在测量中非常重要的问题，它是传感器对输入激励的输出响应特性。一个动态特性好感器对输入激励的输出响应特性。一个动态特性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现输入的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的曲线，即输出随时间变化的曲线，即输出- -输入具有相同类型的输入具有相同类型的时间函数。在动态的输入信号情况下，输出信号一时间函数。在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数，般来说不会与输入信号具有完全相同的时间

45、函数，这种输出与输入间的差异就是所谓这种输出与输入间的差异就是所谓(suwi)(suwi)的动的动态误差。不难看出，有良好的静态特性的传感器，态误差。不难看出，有良好的静态特性的传感器，未必有良好的动态特性。未必有良好的动态特性。 第51页/共59页第五十一页，共60页。2021年12月16日19时32分page 52 影响动态特性的影响动态特性的“固有因素固有因素”任何传感器都有，只任何传感器都有，只不过表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态不过表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态特性主要是为了从测量误差角度分析产生动态误差的原特性主要是为了从测量误差角度分析产生动态误差的原因

46、以及提出因以及提出(t ch)(t ch)改善措施。具体研究时、通常从改善措施。具体研究时、通常从时域或频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。时域或频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。 在频领域内通常利用正弦函数研究传感器的频率在频领域内通常利用正弦函数研究传感器的频率响应特性。为了便于比较或评价，或动态定标，最常用响应特性。为了便于比较或评价，或动态定标，最常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号。因此对应的方法为的输入信号为阶跃信号和正弦信号。因此对应的方法为阶跃响应法和频率响应法，我们主要介绍阶跃响应法。阶跃响应法和频率响应法，我们主要介绍阶跃响应法。 第52页/共59页第五十二

47、页，共60页。2021年12月16日19时32分page 53 阶跃响应阶跃响应(xingyng)： 定义：定义： 当给静止的传感器输入一个单位当给静止的传感器输入一个单位(dnwi)(dnwi)阶跃函数阶跃函数信号信号u u（t t）= 0 = 0 当当t=0t0t0时其输出特性称为时其输出特性称为阶跃响应特性。衡量阶跃响应特性的几项指标如图阶跃响应特性。衡量阶跃响应特性的几项指标如图1717所示。所示。 (1)(1)最大超调量：最大超调量： 最大超调量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用最大超调量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用(chn(chn yn yn) )百分数表示。当稳态值

48、为百分数表示。当稳态值为1 1，则最大百分比，则最大百分比超调量为超调量为 p( )( )100%( )ppy tyy见阶跃响应图见阶跃响应图第53页/共59页第五十三页，共60页。2021年12月16日19时32分page 54 阶跃响应阶跃响应(xingyng)： 第54页/共59页第五十四页，共60页。2021年12月16日19时32分page 55(2)(2)延滞时间延滞时间(shjin) (shjin) 是阶跃响应达到稳态值是阶跃响应达到稳态值5050所需要的时间所需要的时间(shjin) (shjin) 见阶跃响见阶跃响应应(xingyng)图图dtdt(3)(3)上升时间：上升时间： 它有几种定义：它有几种定义：1 1）对无振荡的传感器常用响应）对无振荡的传感器常用响应(xingyng)(xingyng)曲线从稳态值的曲线从稳态值的10%10%一一9090的时间来表示；有时的时间来表示；有时也用从稳态值的也用从稳态值的10%10%一一9090的时间来表示。的时间来表示。2 2）对有振荡的传感器常用从零上升到第一次到）对有振荡的传感器常用从零上升到第一次到达稳态值所需的时间来表示达稳态值所需的时间来