第2章传感器及工程应用概述

1、第2章 传感器及工程应用概述第第2章章 传感器及工程应用概述传感器及工程应用概述2.1 传感器概述传感器概述2.2 传感器的特性传感器的特性2.3 传感器的标定传感器的标定2.4 传感器及工程应用的发展方向传感器及工程应用的发展方向2.5 传感器工程应用系统典型结构传感器工程应用系统典型结构返回主目录第2章 传感器及工程应用概述2.1 传感器概述传感器概述2.1.1 传感器的定义传感器的定义 一般地说，凡是能够把规定的被测量（如物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信息输出的器件或装置，统称为传感器。 目前广泛使用的传感器，其输出都是电量。因此，有人又把传感器狭义地定义为：能把非电

2、量信息转换成电量信息输出的器件或装置。第2章 传感器及工程应用概述2.1.2 传感器的组成传感器的组成 传感器的一般组成如图2-1所示，它主要有敏感元件、测量转换电路及壳体构成。图图2-1 传感器组成方框图传感器组成方框图第2章 传感器及工程应用概述2.1.3 传感器的分类传感器的分类目前常见的分类方法有两种： 一种是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、电感式、压电式等； 另一种是按被测参数分类，如温度、压力、流量、位移、速度等。 为了使初学者了解工程上各种各样的被测参数，学会如何合理选择和使用传感器，提高实际应用能力，本课程也是按后一种分类方法来叙述传感器及工程应用的。第2章 传感器及

3、工程应用概述2.2 传感器的特性传感器的特性 传感器的特性包括静态特性和动态特性两种。2.2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性1.1.传感器的静态数学模型传感器的静态数学模型 传感器的静态数学模型是描述被测量处于静态时，传感器的输出与输入之间关系的数学表达式。若用x表示输入，y表示输出，则传感器的输入、输出关系通常为一条曲线，可用下面的常系数n次函数式来表示，第2章 传感器及工程应用概述nnxaxaxaaxfy2210)(2-1)式中：a0 为输入量x为零时的输出量；a1为线性项系数； a2,a3,an为非线性项系数。式(2 1)称作传感器的静态数学模型，各项系数的大小决定了静态特性曲线的

4、具体形状。2.2.传感器的静态特性指标传感器的静态特性指标 传感器的静态特性是指被测量处于静态时，传感器的输出与输入之间关系曲线的特征。传感器的静态特性指标比较多，常用的静态特性指标主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。第2章 传感器及工程应用概述1)线性度传感器的线性度是指传感器实际静态特性曲线的线性程度。线性度也称为非线性误差。为了标定和使用的方便，常用它的拟合直线来近似地代表实际静态特性曲线，如1-2所示，这种方法称为传感器非线性特性的线性化。图图2 2 线性度示意图线性度示意图第2章 传感器及工程应用概述 传感器的线性度是指实际静态特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lm a x与满量程

5、输出值YFS的百分比，用L来表示，即%YLFSmaxL100 (2-2) 由此可知，线性度是以拟合直线为基准直线计算出来的，拟合方法不同，其线性度也不一样。 第2章 传感器及工程应用概述 拟合直线的选取方法很多，图2-3表示出了同一个传感器的静态特性曲线。在选取不同拟合直线时，求出的最大偏差值Lmax，显然它们是不一样大的。显然，在上述几种线性度中，最小二乘法线性度最高。图图2 3 几种不同拟合方法线性度的比较几种不同拟合方法线性度的比较第2章 传感器及工程应用概述2)灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在静态下输出变化量y与引起它相对应的输入变化量x之比。用S表示，即xyS (2-3)图图2 4

6、传感器的灵敏度传感器的灵敏度第2章 传感器及工程应用概述 显然，线性传感器的灵敏度S是一个常数，可直接表示为S=k(见图2-4(a)；非线性传感器的灵敏度S是一个变量，可表示为S=dy/dx(如图2-4(b)。图图2 4 传感器的灵敏度传感器的灵敏度第2章 传感器及工程应用概述3) 迟滞性 迟滞性表征了传感器输入量在正向行程（由小到大）和反向行程（由大到小）变化期间，输出输入特性曲线不重合的程度。即在外界条件不变的情况下，对应于同一大小的信号，传感器在正、反行程时输出信号的数值不相等。这种现象称为迟滞性，如图2-5所示。图图2 5 迟滞性迟滞性第2章 传感器及工程应用概述 迟滞的大小一般由实验

7、确定，其值定义为在满量程范围内，正、反行程间的最大误差Hmax与满量程输出值YFS的百分比，用H表示，即%YHFSmaxH100图图2 5 迟滞性迟滞性 (2-4)第2章 传感器及工程应用概述4) 重复性重复性表示传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线不一致的程度，如图2-6所示。图图2 6 重复性重复性重复性误差属于随机误差，常用3与满量程输出值YFS的百分比表示；即 %1003FSRY (2-5)第2章 传感器及工程应用概述也可用它的正、反行程输出多次重复测量时不重复误差的最大值R1max和R2max中较大者Rmax与满量程输出值YFS的百分比，用R来

8、表示，即 %YRFSmaxR100图图2 6 重复性重复性 (2-6)式中，Rmax=maxR1max，R2max。第2章 传感器及工程应用概述2.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性 1. 传感器的动态数学模型传感器的动态数学模型 传感器的动态数学模型是描述传感器的输出与输入之间动态关系的数学表达式。一般都可以用下面的一个n阶线性常微分方程来描述：xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111(2-7)式中， 为输入信号； 为输出信号； ai、bj（i=0,1,n，j=0,1,m）是由传感器决定的常系数。通常把式(2 7)

9、称作传感器的动态数学模型。)(txx )(tyy 第2章 传感器及工程应用概述 设初始值均为零，对微分方程式(2-7)两边进行拉氏变换，得)(.)(.01110111sXbsbsbsbsYasasasammmmnnnn (2-8)01110111.)()()(asasasabsbsbsbsXsYsGnnnnmmmm (2-9) G(s)称作传感器的传递函数，是传感器动态数学模型的另一种表达形式。只要对式(2-7)或式(2-9)求解，即可得到传感器的动态性能指标。下面介绍几种常见传感器的数学模型。第2章 传感器及工程应用概述1) 零阶传感器 在传感器的动态数学模型中，如果除了a0和b0之外，其他

10、系数均为零，则微分方程式(2-7)变成：kxy (2-10)传递函数(2-9)变成：k)()()(00absXsYsG (2-11)式中：k=b0/a0称作传感器的静态灵敏度或比例系数。通常将具有该数学模型的传感器称作比例(放大)传感器。 第2章 传感器及工程应用概述2）一阶传感器 如果传感器动态数学模型除了a0、a1和b0之外，其他系数均为零，则微分方程式(2-7)变成：kxydtdy (2-12)传递函数(2-9)变成：1)()(Y)(GsksXss (2-13)式中：=a1/a0称作传感器的时间常数；k=b0/a0称作传感器的静态灵敏度或放大系数。具有该数学模型的传感器称作一阶传感器。

11、第2章 传感器及工程应用概述3) 二阶传感器 (2-14)传递函数(2-9)变成： (2-15)式中：k=b0/a0称作传感器的静态灵敏度或放大系数； 称作传感器的阻尼比； 称作传感器的固有角频率。具有该数学模型的传感器称作二阶传感器。 如果传感器动态数学模型除了a0、a1、a2和b0之外，其他系数均为零，则微分方程(2-7)变成：kxydtdydtydnn212221/2/)(G22nnssks)2( /201aaa20a/an第2章 传感器及工程应用概述1）标准一阶传感器的单位阶跃响应 (2-17)2. 传感器的时域特性传感器的时域特性 在一阶传感器的微分方程式(2-12)中，令k=1，则

12、称作标准一阶传感器，标准一阶传感器的微分方程如下所示xydtdy若输入x(t)为单位阶跃信号，如右图所示，即0010)(tttx第2章 传感器及工程应用概述 假定输入为零时，传感器的输出也为零，则求解微分方程(2-17)得标准一阶传感器的单位阶跃响应为0)( 1)(/tetyt (2-18)画出式(2-18)的曲线如图2-7(b)所示。图图2 7 一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应经计算可知，当t=3时，y=0.950，当t=4时，y=0.982，此时输出与输入已相差无几。故时间常数是决定响应速度快慢的重要参数。第2章 传感器及工程应用概述2）标准二阶传感器的单位阶跃响应 在二阶

13、传感器的微分方程式(2-14)中，令k=1，则称作标准二阶传感器，标准二阶传感器的微分方程如下所示xydtdydtydnn21222(2-19)当时，求解微分方程(2-19)得：10)-1arctgsin(11)(22tetydtn)0( t(2-20)第2章 传感器及工程应用概述当时，将 代入式(2-18)得00ttyncos1)()0( t(2-21)当时，求解微分方程(2-17)得1）（tetyntn11)()0( t(2-21)当时，求解微分方程(2-17)得1ttnneety)1(22)1(22221211211)()0( t(2-22)第2章 传感器及工程应用概述 对应于不同值的二

14、阶系统单位阶跃响应曲线族如图2-8所示，由于横坐标是无量纲变量 ，所以曲线族只与有关。由图2-8可见， 值过大或过小都不易快速地达到稳态值1.0。tn 由理论分析可知，当=0.707，传感器系统接近稳态值的平稳性和快速性最理想，故称=0.707为最佳阻尼比。为此传感器通常设计成欠阻尼系统， 取值在0.60.8之间比较适宜。图图2-8 二阶系统的单位阶跃响应曲线二阶系统的单位阶跃响应曲线第2章 传感器及工程应用概述3) 传感器的时域动态特性指标上升时间tr；调节时间ts；峰值时间tp；超调量p：%100)()()(pyytyp(2-24)如图2-9所示。表征时域动态特性的主要指标有：图图2 9

15、传感器的时域特性指标传感器的时域特性指标第2章 传感器及工程应用概述3. 传感器的频域特性传感器的频域特性1）标准一阶传感器的频率响应 在一阶传感器的传递函数式(2-13)中，令k=1则得标准一阶传感器的传递函数为：11)()(Y)(GssXss(2-25)将s=j代入上式得一阶传感器的频率特性为1j1)j (G(2-26)第2章 传感器及工程应用概述其幅频特性为2)(11| )(G|)(jA(2-27)相频特性为)arctg()(2-28)对数幅频特性表达式为22)(1lg20)(11lg20| )(|lg20jG(2-29)第2章 传感器及工程应用概述 横坐标取对数坐标，纵坐标分别表示对数

16、幅频201g|G(j)|及相频()，则一阶传感器的对数幅频、相频特性曲线如图2-11所示。图图2 11 标准一阶传感器的对数频率特性曲线标准一阶传感器的对数频率特性曲线第2章 传感器及工程应用概述2）标准二阶传感器的频率响应 在二阶传感器的传递函数式(2-15)中，令k=1则得标准二阶传感器的传递函数为：1/2/)(G22nnssks(2-30)将s=j代入上式得二阶传感器的频率特性为)/(2)/(11)(G2nnjj(2-31)第2章 传感器及工程应用概述其幅频特性为(2-32)相频特性为(2-33)对数幅频特性表达式为(2-34)2222)/(4)/(1 1| )(G|)(nnjA)/(-

17、1)/(2-)(2nnarctg22222222)/(4)/(1 -20lg)/(4)/(1 120lg| )j (G|20lgnnnn第2章 传感器及工程应用概述 二阶传感器的对数频率特性和相频特性曲线族如图2-12所示。图图2 12 标准标准二二阶传感器的对数频率特性曲线阶传感器的对数频率特性曲线第2章 传感器及工程应用概述3）传感器的频域特性指标如图2-13所示，表征频域特性的主要指标有： 零频幅值A0； 峰值Am； 频带b； 相频宽b。图图2-13传感器的频域特性指标传感器的频域特性指标第2章 传感器及工程应用概述2.3 传感器的标定传感器的标定 利用一定等级的仪器及设备产生已知的标准

18、非电量（如标准压力、加速度、位移等）作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量；然后绘制出它的一系列输入输出特性曲线（称为标定曲线）；再通过对曲线的分析处理，得到传感器特性的过程称作传感器的标定。其标定分为静态特性标定和动态特性标定两种。第2章 传感器及工程应用概述2.3.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定传感器的静态标定步骤如下：将待标定的传感器与标定所需仪器及设备连接好；将传感器全量程分为若干等份，从小到大逐步加载，记录待标定传感器在各输入点的输出稳定值，直到满量程为止；按上述过程，对传感器进行多次往复循环测试，将得到输出-输入测试数据组，用表格列出或画成曲线；对数据

19、进行必要的处理，就可以得到传感器的灵敏度、线性度、重复性和迟滞等静态特性指标。第2章 传感器及工程应用概述2.3.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定 传感器的动态特性标定主要有时域标定和频率标定两种。1. 1. 传感器的时域标定步骤传感器的时域标定步骤将待标定的传感器与标定所需仪器及设备连接好；用标准仪器产生一个接近理想的单位阶跃信号，加到传感器输入端，用双踪示波器或记录仪记录待标定传感器的输出波形；对输出波形进行分析处理，得到它的真实输出波形；根据真实输出波形就可以得到传感器的各个时域指标，如超调量p、上升时间tr、过度时间ts等等。第2章 传感器及工程应用概述2.2.传感器的频域

20、标定步骤传感器的频域标定步骤将待标定的传感器与标定所需仪器及设备连接好；用标准仪器产生一个接近理想的振幅为1的正弦信号，加到传感器输入端，用双踪示波器或记录仪记录待标定传感器的输出波形；保持输入信号的振幅不变，逐次改变输入信号的频率，测出传感器一系列的输出波形的振幅和对输入的相位差角；根据上面的测量数据，画出传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线图，就可以得到传感器的各个频域指标，如峰值Am、频带b、相频宽b等等。第2章 传感器及工程应用概述2.4 传感器及工程应用的发展方向传感器及工程应用的发展方向2.4.1 传感器的发展方向传感器的发展方向1.1. 发现新现象发现新现象2.2. 开发新材料开发

21、新材料 3.3. 研发集成传感器研发集成传感器 4.4. 研发数字式传感器研发数字式传感器5.5. 研发仿生传感器研发仿生传感器 6.6. 提高现有传感器的精度和分辨率提高现有传感器的精度和分辨率 第2章 传感器及工程应用概述2.4.2 传感器应用的发展方向传感器应用的发展方向1.1.智能化智能化 将微电子技术、微型计算机技术、传感器技术等多种技术结合在一起，构成新一代智能化的自动检测控制系统是今后一段时期传感器发展的一个方向。2.2.数字化数字化 将传感器和单片机嵌入式系统组合在一起，构成各种各样的自动检测辨识系统也是今后传感器应用的发展方向。3.3.网络化网络化将各种各样的传感器与互联网结合在一起，构成物联网，实现物物相联也是传感器今后发展的方向。第2章 传感器及工程应用概述2.5 传感器工程应用系统典型结构传感器工程应用系统典型结构 传感器工程应用系统的典型结构主要有两种，一种是测量显示系统，另一种是检测控制系统。2.5.1 测量显示系统的结构测量显示系统的结构 测量显示系统是指对被测对象的特征量进行测量、传输、处理及显示的系统。测量显示系统又有开环测量显示系统和闭环测量显示系统之分。