第一讲传感器的基本概念

1、传感器原理与应用传感器原理与应用传感器原理与应用第一讲第一讲 传感器的基本概念传感器的基本概念（教材第一章）（教材第一章）应用电子技术教研室应用电子技术教研室 吴睿吴睿1传感器原理与应用 课程概述课程概述 本门课程的特点：本门课程的特点：1 1、是一门专业基础课、是一门专业基础课2 2、课程具有较强实践性、课程具有较强实践性 3 3、课程涉及的知识面广、课程涉及的知识面广4 4、是一门工程性、应用性都非常强的课程、是一门工程性、应用性都非常强的课程 2传感器原理与应用 课程的内容主要内容p传感器的基础知识传感器的基础知识(第一章第一章/讲）讲）p电阻式传感器（第二章电阻式传感器（第二章/讲）讲

2、） p电容式传感器（第三章电容式传感器（第三章/讲）讲） p电感式传感器（第四章电感式传感器（第四章/讲）讲）p热电式传感器（第五章热电式传感器（第五章/讲）讲） p压电式传感器（第六章压电式传感器（第六章/讲）讲） p光电式传感器（第七章光电式传感器（第七章/讲）讲） p磁电式传感器（第八章磁电式传感器（第八章/讲）讲） p其他新型传感器其他新型传感器理论+试验 课程概述课程概述：表示：表示“重要内容重要内容”3传感器原理与应用 课程学习思路课程学习思路认识该传感器的结构与原理认识该传感器的结构与原理分析其工作电路分析其工作电路学习其应用学习其应用学习其新技术学习其新技术 课程概述课程概述4

3、传感器原理与应用 课程要求课程要求 1 1、对课程的内容分、对课程的内容分“了解、理解、掌握了解、理解、掌握”三三个层次提出要求；个层次提出要求； 2 2、对各类传感器的工作原理、基本结构、应、对各类传感器的工作原理、基本结构、应用领域中技术有一定的认识用领域中技术有一定的认识 ； 3 3、在未来具体工作中，在传感器和执行器选、在未来具体工作中，在传感器和执行器选择、使用、设计以及进一步深入研究方面具备择、使用、设计以及进一步深入研究方面具备良好的基础良好的基础 ； 4 4、在学习过程中，应当从应用的角度出发。、在学习过程中，应当从应用的角度出发。 课程概述课程概述5传感器原理与应用 中国传感

4、器专业网：中国传感器专业网：http:/ http:/ 中国传感器在线中国传感器在线: http:/ http:/ 中国传感网：中国传感网：http:/ http:/ 传感器资讯网：传感器资讯网： http:/ http:/ 传感器信息港：传感器信息港： http:/ http:/ 中国传感器知识网：中国传感器知识网：http:/ http:/ 国家传感器质量监督检验中心国家传感器质量监督检验中心http:/ http:/ 中国测试技术研究院：中国测试技术研究院：http:/ http:/ 国际标准传感器协会国际标准传感器协会/tc/sensors

5、/tc/sensors 学习参考网址6传感器原理与应用1.1 1.1 什么是传感器？什么是传感器？ 传感器的应用、定义与组成传感器的应用、定义与组成1.2 1.2 传感器的分类传感器的分类1.3 1.3 传感器的技术特点传感器的技术特点1.4 1.4 传感器传感器的基本特性的基本特性 （1.41.4和和1.51.5节内容合并）节内容合并）第一讲第一讲 传感器的基础知识传感器的基础知识7传感器原理与应用8 1.1 1.1 什么是传感器？什么是传感器？第一讲第一讲 传感器的基础知识传感器的基础知识传感器原理与应用9 1.11.1什么是传感器什么是传感器传

6、感器原理与应用 引入传感器引入传感器人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说则可以说电子计算机相当于人的大脑电子计算机相当于人的大脑（一般俗称（一般俗称电脑），而电脑），而传感器则相当于人的五官部分传感器则相当于人的五官部分（“电电五官五官” ” ）。）。10传感器原理与应用传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。

7、11传感器原理与应用 传感器的功用传感器的功用现代信息技术的三大支柱：现代信息技术的三大支柱：传感检测技术传感检测技术 采集采集 通讯技术通讯技术 传输传输计算机技术计算机技术 处理处理传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。项目，都离

8、不开各种各样的传感器。12传感器原理与应用 传感器在各个领域中的需要量传感器在各个领域中的需要量13传感器原理与应用 传感器的作用传感器的作用涵盖涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空(1)(1)是产品检验和质量控制的重要手段是产品检验和质量控制的重要手段(2)(2)安全经济运行监测方面不可缺少安全经济运行监测方面不可缺少(3)(3)与自动控制技术密不可分与自动控制技术密不可分(4)(4)传感器发展推动科学技术的进步传感器发展推动科学技术的进步14传感器原理与应用15 传感器的作用传感器的作用未来世界是个充满传感器的世界，还会有：未来世界是个充满传感器的世界，还会有： 智能房屋（自

9、动识别主人，太阳能提供能源）智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源） 智能衣服（自动调节温度）智能衣服（自动调节温度） 智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量） 智能汽车（无人驾驶、卫星定位）智能汽车（无人驾驶、卫星定位） 智能智能传感器原理与应用16智能化水质检验智能化水质检验 传感器原理与应用什么是传感器？什么是传感器？国家标准（国家标准（GB7665-87GB7665-87）中传感器（）中传感器（Transducer/Transducer/SensorSensor）的）的定义定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换能够感受规定的被测量并

10、按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。成可用输出信号的器件或装置。17传感器原理与应用 非电学量非电学量传感器传感器电学量电学量 角度角度位移位移速度速度压力压力温度温度湿度湿度声强声强光照光照磁场磁场 传感器传感器电压电压电流电流电阻电阻电容电容18传感器原理与应用19 对于对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。各种各样的被测量，有各种各样的传感器。 下面下面请看几个传感器应用实例请看几个传感器应用实例: : 实例实例1 1：产品生产线检测：产品生产线检测传感器原理与应用20实例实例2 2：气体探测系统：气体探测系统显示报警信号送PC串行总线、局域网(L工AN)传感器原理与应用21

11、传感器原理与应用传感器的组成传感器的组成输出量为电量的传感器，一般由输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元敏感元件、转换元件、基本转换电路件、基本转换电路三部分组成。三部分组成。 敏感敏感元件元件信号调信号调节电路节电路转换转换元件元件被测量被测量输出电量输出电量辅助电源辅助电源教材教材P2 P2 图图1-1 1-1 传感器组成框图传感器组成框图22传感器原理与应用敏感元件：敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。量成确定关系的某一物理量的元件。 直线位移传感器直线位移传感器23传感器原理与应用转换元件：转换元件：将敏感元

12、件的输出转换成一定的电路参数。将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。实现的。24传感器原理与应用信号调节电路：信号调节电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。转换、调理成一定形式的电量输出。 常用的转换电路有常用的转换电路有: :电桥、放大器、变阻器、振荡器等。电桥、放大器、变阻器、振荡器等。25传感器原理与应用26国标国标GB/T14479-93GB/T14479-93规定传感器图用图形符号规定传感器图用图形符号 表

13、示方法：表示方法： 正方形表示转换元件正方形表示转换元件, , 三角形表示敏感元件；三角形表示敏感元件； X X 表示被测量符号，表示被测量符号， * * 表示转换原理。表示转换原理。传感器原理与应用27 几个典型传感器的图用图形符号几个典型传感器的图用图形符号 a aP P电容式压力电容式压力 传感器传感器压电式加速度压电式加速度 传感器传感器电位器式压力电位器式压力 传感器传感器传感器原理与应用1 1按工作原理分类按工作原理分类: :结构型、物性型、复合型结构型、物性型、复合型结构型结构型：主要是通过：主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转

14、换成相应的电阻、电感、电容等物理量将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号。例如的变化，从而检测出被测信号。例如: :电容式和电感式传感电容式和电感式传感器。器。物性型物性型：利用某些材料：利用某些材料本身物理性质的变化本身物理性质的变化而实现测量，而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。如件。如: :水银温度计。水银温度计。复合型复合型：将：将中间转换环节与物性型敏感元件复合而成中间转换环节与物性型敏感元件复合而成的传的传感器。感器。 1.2 1.2 传感器的分类传感器的分类28传

15、感器原理与应用2 2按被测物理量分类按被测物理量分类机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩29传感器原理与应用3 3按敏感材料分类按敏感材料分类按制造传感器的材料分如：按制造传感器的材料分如：半导体传感器半导体传感

16、器陶瓷传感器陶瓷传感器光导纤维传感器光导纤维传感器高分子材料传感器高分子材料传感器金属传感器金属传感器空气质量传感器空气质量传感器陶瓷压力传感器陶瓷压力传感器30传感器原理与应用4 4按能量的关系分类按能量的关系分类: : 能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻

17、应变片. .31传感器原理与应用5 5按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .32传感器原理与应用6 6按输出电信号类型分类按输出电信号类型分类 根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为 ： 模拟量传感器模拟量

18、传感器: :发出的是发出的是连续信号连续信号，用电压、电流、电，用电压、电流、电阻等表示被测参数的大小。比如温度传感器、压力传阻等表示被测参数的大小。比如温度传感器、压力传感器等都是常见的模拟量传感器感器等都是常见的模拟量传感器 。 数字量传感器：数字量传感器：把被测参量转换成把被测参量转换成数字量输出数字量输出的传感的传感器。比如转速传感器等。器。比如转速传感器等。 开关量传感器开关量传感器: :发出的信号是发出的信号是接点信号接点信号，有断开和闭合，有断开和闭合两种状态，比如液位开关就是一种常见的开关量传感两种状态，比如液位开关就是一种常见的开关量传感器。器。 33传感器原理与应用34开孔

19、圆盘传感器原理与应用 1.3 1.3 传感器的技术传感器的技术特点（特点（了解了解）P6P6 传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。组建形成了一门相对独立的专门学科。检测与应用。组建形成了一门相对独立的专门学科。其具有以下技术特点：其具有以下技术特点：内容范围广且离散内容范围广且离散：物理、化学、生物、电子等物理、化学、生物、电子等知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓：学科交叉应用学科交叉应用技术复杂、工艺要求高技术复杂、工艺要求高功能优、性能好功能优、性能好品种繁多、应用广泛品种繁多、应用广泛3

20、5传感器原理与应用 1.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性（教材（教材1.41.4和和1.51.5两节内容合）两节内容合）u传感器作为感受被测量信息的器件，希望它按照能传感器作为感受被测量信息的器件，希望它按照能按照一定的规律输出按照一定的规律输出有用信号。有用信号。u 因此需要研究描述传感器的方法，来表示其输出因此需要研究描述传感器的方法，来表示其输出输入关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、输入关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。校准与使用。u 最有效的描述传感器的输入输出关系的方法是最有效的描述传感器的输入输出关系的方法是传感传感器的数学模型器的数学模型。一、

21、传感器的描述方法一、传感器的描述方法36传感器原理与应用 输入信号分为：输入信号分为：静态信号静态信号：被测的非电量是稳定的，不随时间变化或变化：被测的非电量是稳定的，不随时间变化或变化及其缓慢。及其缓慢。动态信号动态信号：被测的非电量随时间的变化而变化。：被测的非电量随时间的变化而变化。 对应传感器特性有：对应传感器特性有：静态特性、动态特性静态特性、动态特性 根据输入信号的性质不同，对应的模型有：根据输入信号的性质不同，对应的模型有：静态模型、动态模型静态模型、动态模型 1.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性（1.41.4和和1.51.5两节内容合）两节内容合）37传感器原理与应

22、用二、传感器的静态特性二、传感器的静态特性静态特性静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一入输出关系。也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。关系就称为静态特性。 1.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性（1.41.4和和1.51.5两节内容合）两节内容合）38传感器原理与应用39 对静态特性而言，传感器的对静态特性而言，传感器的输入量输入量x与与输出量输出量y之之间的关系通常可用一个如下的多项式表示：间的关系通常可用一个如下的多项式表示：y=a0+a1x+a2x2+

23、anxn 式中：式中：a0输入量输入量x x为零时的输出量；为零时的输出量； a1传感器的线性灵敏度，常用传感器的线性灵敏度，常用K或或S表示；表示； a2，an 非线性项的待定系数。非线性项的待定系数。 各项系数决定了特性曲线的具体形式。各项系数决定了特性曲线的具体形式。 该多项式即传感器的静态模型。该多项式即传感器的静态模型。P8P8（1-11-1）传感器原理与应用40稳定性稳定性( (零漂零漂) )传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性温漂温漂分辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响 传

24、感器输入输出作用图传感器输入输出作用图输出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。制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特衡量传感器特性的主要技术性的主要技术指标指标传感器原理与应用41传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、灵敏度、 线性度、重复性、迟滞、分辨率、稳定性和漂移线性度、重复性、迟滞、分辨率、稳定性和漂移等。等。 传感器线性度传感器线性度是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，

25、称为离直线的程度，称为非线性误差非线性误差。%100EmaxFSY式中：式中： max输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差；输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差； YFS输出满量程值。输出满量程值。 1. 1. 线性度线性度(非线性差非线性差)(Linearity)P10P10（1-101-10）传感器原理与应用42（a）（b）（c）（d）教材教材P10 P10 图图1-3 1-3 传感器的线性度表示传感器的线性度表示传感器原理与应用432. 2. 灵敏度灵敏度(Sensitivity)灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出

26、其定义是输出量增量量增量y与引起输出量增量与引起输出量增量y的相应输入量增量的相应输入量增量x之比之比。用用Sn表示灵敏度，即：表示灵敏度，即： xySn输入量的变化量输出量的变化量它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，对于线性传感器，灵敏度常表为：对于线性传感器，灵敏度常表为： K=y/x 。很显然，很显然， 灵敏度灵敏度S值越大，值越大， 表示传感器越灵敏。表示传感器越灵敏。 P10P10（1-111-11）传感器原理与应用44oxyyxyxyxyx(a)(b)o教材教材P11 P11 图图1-4 1-4 传感器的灵敏度定义传感器的

27、灵敏度定义xySntan传感器原理与应用45例例1：某位移传感器，在输入量变化某位移传感器，在输入量变化5mm时，时，输出电压变化为输出电压变化为300mV，求它的灵敏度，求它的灵敏度Sn 。解：解：xySn输入量的变化量输出量的变化量由传感器灵敏度表达式：由传感器灵敏度表达式：mmmV /60105103003-3-传感器原理与应用46 重复性是指传感器输入按同一方向作全量程连续多次变重复性是指传感器输入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。动时所得特性曲线不一致的程度。 %100/EmaxFSxY%100)32(EFSxY或：或：产生原因：产生原因：传感器机械部分存在摩

28、擦、间隙、松动、积尘等传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等3. 3. 重复性重复性（Repeatability） P11P11（1-121-12）P11P11（1-131-13）传感器原理与应用474.4.迟滞（滞环迟滞（滞环）（Hysteresis）传感器传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称称迟滞迟滞传感器原理与应用48迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示： m=Y2-Y1为正、反行程输出值间的最大差值为正、反行程输出值间的最大差值 。 例：例：一电子秤一电子秤 增加砝码增加砝码 10g 50

29、g 100g 200g 电桥输出电桥输出 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 减砝码输出减砝码输出 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv 4. 4. 迟滞（滞环迟滞（滞环）（Hysteresis）( (续续）%100EmaxFSYmP12P12（1-161-16）传感器原理与应用49 分辨率和分辩力都是表示传感器能分辨率和分辩力都是表示传感器能检测检测被测量的被测量的最小值最小值的性能指标。的性能指标。 分辨率分辨率是以满量程的百分数来表示，是以满量程的百分数来表示，无量纲无量纲； 分辩力分辩力是以最小量程的单位值来表示，是以最小量程的单位值来表示，有量纲有量纲。 稳

30、定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性。的变化，有时称为长时间工作稳定性。5.5.分辨率和分辩力分辨率和分辩力（Resolution）6. 6. 稳定性稳定性传感器原理与应用50传感器的漂移是传感器的漂移是指在外界的干扰下，传感器输出量发生与输指在外界的干扰下，传感器输出量发生与输入量无关的、不需要的变化入量无关的、不需要的变化。产生漂移的原因有两个方面：产生漂移的原因有两个方面： 一是传感器自身结构参数；一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。二是周围环境（如温度、湿度等）。 最常见的漂移是最

31、常见的漂移是温度漂移温度漂移，即周围环境温度变化而引起输，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移主要表现为温度出的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移零点漂移和温度和温度灵敏度灵敏度漂移。漂移。 7. 7. 漂移漂移传感器原理与应用51与精确度有关指标：与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度精密度、准确度和精确度( (精度精度) )、精密度、精密度：说明测量传感器输出值的分散性说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分

32、散程度。测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为例如，某测温传感器的精密度为0.50.5。 精密度是随机误差大小的标志精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。，精密度高，意味着随机误差小。注意：注意：精密度高不一定准确度高。精密度高不一定准确度高。、准确度：、准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度说明传感器输出值与真值的偏离程度。如。如, ,某流量传感某流量传感器的准确度为器的准确度为0.3m0.3m3 3/s/s，表示该传感器的输出值与真值偏离，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m0.3m3 3/s/s。准确度是系统误差大小的标志准确度是系统误差大小的

33、标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。确度高不一定精密度高。8. 8. 精确度（补充）精确度（补充）传感器原理与应用52、精确度：、精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的在最简单的情况下，可取两者的代数和。代数和。（a a）准确度高而精密度低）准确度高而精密度低 （b b）准确度低而精密度高）准确度低而精密度高 （c c）精确度高）精确度高在测量中我们希望得到在测量中我们希望得到精确度高的结果精确度高的结果。传感

34、器原理与应用53三、传感器的动态特性三、传感器的动态特性u当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时, ,如如 : :加速度、振动等，讨论传加速度、振动等，讨论传感器的感器的动态特性动态特性。u这时，被测量是时间的函数，或是频率的函数。这时，被测量是时间的函数，或是频率的函数。 动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号是指传感器对于随时间变化的输入信号x(t)的响的响应特性。应特性。Y(t)=f x(t) 理想传感器：理想传感器： Y(t)与与x(t)的时间函数表达式相同；的时间函数表达式相同；实际实际传感器传感器： Y(t)与与x(t)的时间函数在一定条件下基本的时间函数在一定条件下

35、基本保持一致。保持一致。传感器原理与应用5454 动态特性的描述方法：动态特性的描述方法： 时间域时间域 微分方程微分方程 复复频域频域 传递传递函数函数H(S) 频率域频率域 频率特性频率特性H(j )微 分方 程传递函数H(s)频率特性H图图 传感器的输出传感器的输出输入关系输入关系（a）时域；（）时域；（b）复频域；（）复频域；（c）频域）频域传感器原理与应用551 1数学模型与传递函数数学模型与传递函数 分析传感器动态特性，必须建立数学模型。分析传感器动态特性，必须建立数学模型。 线性系统的数学模型为线性系统的数学模型为一常系数线性微分方程一常系数线性微分方程。 对线性系统动态特性的研

36、究，主要是分析数学模型的输对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量入量x x与输出量与输出量y y之间的关系，通过对微分方程求解，得之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。出动态性能指标。P9 图图1-2 (a)传感器的传递函数框图传感器的传递函数框图传感器原理与应用56xbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101 y输出量； x输入量； t时间a0， a1， ，an 常数； b0， b1， ，bm 常数 输出量对时间t的n阶导数； 输入量对时间t的m阶导数nndtyd/mmdtxd/P8 （1-5）对于线性定常（时间不变）系统，其对于线性定常（时

37、间不变）系统，其数学模型数学模型为高阶常系为高阶常系数线性微分方程，即数线性微分方程，即传感器原理与应用57当传感器的数学模型初值为当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数得出系统的传递函数0101)()()(asasabsbsbsHsXsYnnmm Y(s)传感器输出量的拉氏变换式；传感器输出量的拉氏变换式； X(s)传感器输入量的拉氏变换式；传感器输入量的拉氏变换式；可见，对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中可见，对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中各阶导数用相应的各阶导数用相应的s变量变量替换，即求出传感器的

38、传递函数。替换，即求出传感器的传递函数。P9 （1-7）动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条指初始条件为件为0 0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。传感器原理与应用58 2.2.研究传感器动态特性的方法及其指标研究传感器动态特性的方法及其指标 方法：方法：瞬态响应法；频率响应法。瞬态响应法；频率响应法。 瞬态响应法瞬态响应法阶跃输入信号研究时域动态特性：阶跃输入信号研究时域动态特性： 上升时间上升时间 tr 响应时间响应时间 ts 延滞时间延滞时间 td 峰值时间峰值时间 tp 最大偏移最大偏移量量 p P14 图图1-7 传感器阶跃响应特性传感器阶跃响应特性 %100maxyyyP传感器原理与应用59例例2 2：动态测温：动态测温 设环境温度为设环境温度为T T0 0 , ,水槽中水的温度为水槽中水的温度为T, ,而且而且 T T0 传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中； 用热电偶测温用热电偶测温, ,理想情况测试曲线理想情况测试曲线T T是阶跃