第3章第1章 现代传感技术与系统PPT讲稿.ppt

《第3章第1章 现代传感技术与系统PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章第1章 现代传感技术与系统PPT讲稿.ppt（73页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第3章第1章 现代传感技术与系统第1页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法 1敏感元件敏感元件 2转换元件转换元件 3转换电路 传传感感器器的的定定义义：传传感感器器是是以以一一定定的的精精确确度度把把被被测测量量（物物理理量量、生生物物量量、化化学学量量）转转换换为为与与之之有有确确定定关关系系的的便便于于处处理理应应用用的的某某种种物物理理量量（如如电电量量、光光学学量量）的的测测量量部部件件或或装装置置。通通常常由由敏敏感感元元件件和和转转换换元元件件、转换电路转换电路组成。组成。第2页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传

2、感器的构成方法v1 1、敏感元件、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物 理量（包括电学量）。理量（包括电学量）。v2 2、转换元件、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学 量（包括电路参数量）。量（包括电路参数量）。v3 3、转换电路、转换电路：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换 成便于测量的电学量（如电压、电流、频率成便于测量的电学量（如电压、电流、频率 等）。等）。第3页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法

3、但有些传感器，三部分不一定齐全，如：但有些传感器，三部分不一定齐全，如：热电偶、差动变压式热电偶、差动变压式位移位移传感器传感器 由由1 1组成；组成；电容式位移传感器、压阻式传感器电容式位移传感器、压阻式传感器 由由1 1、3 3组成；组成；压电式加速度传感器、差动变压式压电式加速度传感器、差动变压式力力传感器传感器 由由1 1、2 2组成；组成；电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器 由由1 1、2 2、3 3组成。组成。根据根据结构组成结构组成可将传感器按其构成方法分为以下几类：可将传感器按其构成方法分为以下几类：1.1.通用型、通用型、2.2.参比型、参比型、3.3.差动型、差动型、4.

4、4.反馈型反馈型。每一类型，根据能量变换，一般都可分为：每一类型，根据能量变换，一般都可分为：能量变换型能量变换型 能量控制型能量控制型第4页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v1.通用型 根据组成可分为：根据组成可分为：能量变换基本型能量变换基本型、能量控制基本型能量控制基本型、能量变换特能量变换特殊型殊型（辅助能源型）、（辅助能源型）、电路参数型电路参数型和和多级变换型多级变换型。v（1）能量变换基本型能量变换基本型敏感元件敏感元件物理、化物理、化学、生物学、生物输入输入电量电量输出输出输入量为被测非电量，输出是电流、电压。输入量为被测非电量，输出

5、是电流、电压。第5页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法典型例子：典型例子：v热电偶（塞贝克效应）热电偶（塞贝克效应）v光电池（光生伏特效应）光电池（光生伏特效应）v压电式传感器压电式传感器v压电式超声波探头压电式超声波探头特点：特点：v（1 1）只由敏感元件构成。）只由敏感元件构成。v（2 2）不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象）不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象 获得，获得，输出能量较弱。输出能量较弱。v（3 3）利用）利用热平衡现象热平衡现象或或传输现象传输现象中的中的一次效应一次效应制成是可逆的。制成是可逆

6、的。v（4 4）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。v（5 5）输出能量不可能大于被测对象的能量输出能量不可能大于被测对象的能量。（压电效应）（压电效应）第6页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v（2）能量控制基本特点：v（1 1）也由）也由敏感元件敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量 输出。输出。v（2 2）输出能量可大于被测对象具有的能量输出能量可大于被测对象具有的能量。v（3 3）无需变换电路即可有较大的电量输出。）无需变换电

7、路即可有较大的电量输出。输出输出输入输入敏感元件敏感元件电源电源典型例子：变压式位移传感器典型例子：变压式位移传感器 感应同步器感应同步器第7页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v（3 3）能量变换特殊型（辅助能源型）能量变换特殊型（辅助能源型）特点：特点：v（1 1）只由敏感元件构成。）只由敏感元件构成。v（2 2）能量从被测对象获得，属能量变换型。能量从被测对象获得，属能量变换型。v（3）辅助能源辅助能源是为了是为了增加抗干扰能力增加抗干扰能力或或提高稳定性提高稳定性，或，或取出信号取出信号，或为或为原理所需要而使用固定磁场原理所需要而使用固定磁场

8、。如霍尔式传感器，使用固定磁场，这是利用磁铁来代替动力源，如霍尔式传感器，使用固定磁场，这是利用磁铁来代替动力源，这时不把磁铁看作动力源，而看作辅助能源。这时不把磁铁看作动力源，而看作辅助能源。典型例子：典型例子：光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 CCD CCD 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 霍尔式传感器（霍尔型较特殊，可以看作上面的混合型）霍尔式传感器（霍尔型较特殊，可以看作上面的混合型）输出输出输入输入敏感元件敏感元件辅助能源辅助能源第8页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v（4）电路参数型特点：v(1)(1)敏感元件对输入非电信号进行阻抗变

9、换。敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。v(2)(2)转换电路含有该敏感元件。转换电路含有该敏感元件。v(3)(3)电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。v(4)(4)输出能量远大于输入能量。输出能量远大于输入能量。v(5)(5)利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。它由敏感元件以及包含敏感元件在内的转换电它由敏感元件以及包含敏感元件在内的转换电路和电源组成。路和电源组成。输出输出输入输入 转换电路转换电路敏感元件敏感元件电源电源典型例子：典型例子：电阻应变式、电感式、电容式、电涡流

10、式、电阻应变式、电感式、电容式、电涡流式、气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等。气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等。第9页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v（5 5）多级变换型）多级变换型输出输出输入输入敏感元件敏感元件转换元件转换元件能量变换型能量变换型输入输入输出输出 转换电路转换电路敏感元件敏感元件转换元件转换元件电源电源能量控制型压电式加速度传感器压电式加速度传感器 目前大多数传感器都是利用目前大多数传感器都是利用敏感元件敏感元件把被测非电量转换成某种可利用的中间把被测非电量转换成某种可利用的中间变换物理量，再通过变换物理量，再通过

11、转换元件转换元件，有时还需要，有时还需要转换电路转换电路转换成便于测量的电量输转换成便于测量的电量输出。出。第10页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法 热平衡二次效应热平衡二次效应R2R1DvDv膜片膜片悬臂支架悬臂支架应变片应变片P应变式力传感器、应变式力传感器、光纤式加速度、光纤式加速度、酶热敏电阻式、酶热敏电阻式、电容电感式加速度、电容电感式加速度、霍尔式压力传感器。霍尔式压力传感器。特点：特点：设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适应各设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适应各种条件的传感器。种条件的传感器。第11页，共73页，

12、编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法 可利用的可利用的中间变换量中间变换量：是指那些容易转换成电学量的物理量。：是指那些容易转换成电学量的物理量。在大多数情况下，传感器的输出采取电量的形式，但是把输入的物理量直在大多数情况下，传感器的输出采取电量的形式，但是把输入的物理量直接更换为电量不那么容易，而是转换成为可利用的中间变换量。接更换为电量不那么容易，而是转换成为可利用的中间变换量。在多数情况下，采取两级或两级以上的变换，这就增加了传感器设计在多数情况下，采取两级或两级以上的变换，这就增加了传感器设计的自由度并使之适应各种条件。的自由度并使之适应各种条件。被测量中间

13、变换量转换元件力、压力、热、加速度、扭矩、温度（双金属片）、流速、湿度（高分子材料碳粒）位移电容、电感、应变片、压阻、霍尔位移、转数、浓度、气体成分、湿度、维生素光量光电器件、射线湿度、真空度、流速、尿素等热（温度）热电偶、热敏电阻生物量、化学物质、离子浓度、PH值、O2、葡萄糖复合物（化学物质）电化学器件（各类电极）第12页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法2.参比补偿型输入输入敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件输出输出环境量环境量能量变换型能量变换型 输出输出输入输入 转换电路转换电路环境量环境量敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件能量控制型能量控制型

14、电源电源 为了消除环境条件变化（如温度变化、电源电压波动等）的影响。采用为了消除环境条件变化（如温度变化、电源电压波动等）的影响。采用两个性能完全相同的传感元件。两个性能完全相同的传感元件。第13页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法特点：v(1)(1)采用采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其 中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补 偿用。偿用。v(2)(2)两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。

15、v(3)(3)能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度、电源电能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度、电源电 压）。压）。第14页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法 例：电阻式或压电式压力传感器中压力与温度变化对电阻、压电例：电阻式或压电式压力传感器中压力与温度变化对电阻、压电元件影响较近时，需用温度补偿片，构成参比型。元件影响较近时，需用温度补偿片，构成参比型。（一个为工作片，另一个为补偿片。）（一个为工作片，另一个为补偿片。）dVRRR1R2R1R2第15页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法v3.差动结构型特点：特点：v(1

16、)(1)采用采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。量和方向相反的被测量。v(2)(2)反串或接入电桥相邻的两臂。反串或接入电桥相邻的两臂。v(3)(3)输出信号提高一倍。输出信号提高一倍。v(4)(4)传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。应用：差动电阻式、差动电容式、差动电感式。应用：差动电阻式、差动电容式、差动电感式。输入输入 转换电路敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件反相反相电源电源输出输出

17、能量控制型能量控制型第16页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v4.反馈型特点：特点：v(1)(1)传感器的敏感元件（或转换元件）同时传感器的敏感元件（或转换元件）同时兼作反馈元件兼作反馈元件。v(2)(2)是是闭环系统闭环系统、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。v(3)(3)主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度感主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度感 器、热线热反馈型流速传感器等器、热线热反馈型流速传感器等。v(4)(4)结构较复杂，应用于特殊场合（高

18、精度微差压、高流速）。结构较复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速）。电量电量 输出输出输入输入敏感元件敏感元件转换电路转换元件转换元件伺服伺服放大系统放大系统电源电源逆转换元件逆转换元件第17页，共73页，编辑于2022年，星期一3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法小结：小结：v通用型：结构简单、成本低的场合通用型：结构简单、成本低的场合v参比型：精度要求高、性能好参比型：精度要求高、性能好v差动型：精度要求高、性能好差动型：精度要求高、性能好v反馈型：特殊要求场合反馈型：特殊要求场合第18页，共73页，编辑于2022年，星期一3.2 传感器与被测对象的关联传感器与被测对象的关联3.

19、2.1 传感器与固体对象的关联传感器与固体对象的关联3.2.2 传感器与流体对象的关联传感器与流体对象的关联 第19页，共73页，编辑于2022年，星期一3.2 传感器与被测对象的关联传感器与被测对象的关联被测对象分为固体、流体3.2.1 固体固体特点：特点：v(1)(1)传感器与被测对象可视为一体，受环境变动的影响相同、易获得较传感器与被测对象可视为一体，受环境变动的影响相同、易获得较 准确的信息。准确的信息。v(2)(2)标定方法和装置与具体被测对象无关，可事先标定，标定结果对不标定方法和装置与具体被测对象无关，可事先标定，标定结果对不 同对象可立即使用，不需再标定（现场）。同对象可立即使

20、用，不需再标定（现场）。缺点：缺点：有负荷效应。有负荷效应。1.1.接触型接触型 负负荷荷效效应应（即即被被测测对对象象承承受受负负荷荷而而改改变变其其状状态态或或特特性性）与与传传感感器器体体积积、刚刚度度、热热容容量量等等参参数数大大小小有有关关，小小到到一一定定程程度度时时可可忽忽略略，否否则则要要补补偿偿，不不补补偿则带来误差。偿则带来误差。第20页，共73页，编辑于2022年，星期一3.2.1 固体固体v2.2.非接触型非接触型v(1)(1)接受由被测对象发出的光或电磁波、辐射热等。例如光电传感器、接受由被测对象发出的光或电磁波、辐射热等。例如光电传感器、红外探测器。红外探测器。v(

21、2)(2)从传感器向被测对象发射信号或与之构成电位差、距离改变等，用从传感器向被测对象发射信号或与之构成电位差、距离改变等，用 传感器接收相应的响应。例如超声波、电涡流、电容传感器等。传感器接收相应的响应。例如超声波、电涡流、电容传感器等。特点：特点：负荷效应一般极小，可以忽略。但激光干涉仪测位移，负荷效应一般极小，可以忽略。但激光干涉仪测位移，反光镜在被测物上，要考虑负荷效应。反光镜在被测物上，要考虑负荷效应。缺点：缺点：v(1(1)被测物的放射性、被测对象与传感器之间的介质特性，在传感器附被测物的放射性、被测对象与传感器之间的介质特性，在传感器附 近的其它物体，传感器与被测物间距离变化影响

22、输出。近的其它物体，传感器与被测物间距离变化影响输出。v(2(2)安装位置任意，不能事先标定，故要现场标定。标定不仅取决于安装位置，还与被安装位置任意，不能事先标定，故要现场标定。标定不仅取决于安装位置，还与被测物形状尺寸、物理参数以及环境等因素有关。测物形状尺寸、物理参数以及环境等因素有关。高温、高速回转物体（危险）、或被测对象很小、传感器无高温、高速回转物体（危险）、或被测对象很小、传感器无法安装、或负荷效应不易补偿等场合下应用。法安装、或负荷效应不易补偿等场合下应用。获取信息的获取信息的方法方法：结论：根据具体使用目的、场合选择。结论：根据具体使用目的、场合选择。第21页，共73页，编辑

23、于2022年，星期一3.2.1 固体固体 （接触型与非接触型的比较）（接触型与非接触型的比较）项 目接触型非接触型负荷效应大小环境影响不容易影响易受影响安装位置固定可以移动标定预先现场分布检测困难容易分布检测：分布检测：对观测值或误差是否服从某一分布所作的检验。检验时，对检测值或误对观测值或误差是否服从某一分布所作的检验。检验时，对检测值或误差要计算一些数值统计量，将这些统计量与假设观测值或误差服从某一分布差要计算一些数值统计量，将这些统计量与假设观测值或误差服从某一分布时所得出的临界值作比较，以判断观测值或误差是否服从某一分布。时所得出的临界值作比较，以判断观测值或误差是否服从某一分布。第2

24、2页，共73页，编辑于2022年，星期一3.2.2 3.2.2 流体流体 利用传感器测量流体的某些参数（流速、温度、流量、浓度利用传感器测量流体的某些参数（流速、温度、流量、浓度等），这些参数是容器或管道中流动的一些参数，所以必须将传等），这些参数是容器或管道中流动的一些参数，所以必须将传感器安装在容器里或管道中。因此感器安装在容器里或管道中。因此,传感器对原来流体的状态或多或传感器对原来流体的状态或多或少地会产生一些影响。少地会产生一些影响。特点：特点：(1)(1)存在负荷效应。存在负荷效应。(2)(2)要求传感器与被测对象间能量授受越小越好，这将导致传感要求传感器与被测对象间能量授受越小越

25、好，这将导致传感器的输入信号很弱，必须采用高灵敏传感器。器的输入信号很弱，必须采用高灵敏传感器。差压式流量计差压式流量计第23页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3 传感器对信号的选择传感器对信号的选择3.3.1 传感器信号选择机理传感器信号选择机理 3.3.2 传感器的信号选择方式传感器的信号选择方式 第24页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.1 传感器信号选择机理传感器信号选择机理传感器的基本机能是采集与变换被测信号。为使其正传感器的基本机能是采集与变换被测信号。为使其正确采集应从结构、材料学等方面加以保证，确保采集确采集应从结构、材料学等方面加以保证，确保采集有用信号，阻

26、止或剔除无用信号。有用信号，阻止或剔除无用信号。设设输入变量输入变量x1,x2,xn,传感器传感器内部变量内部变量u1,u2,ur,输出变量输出变量y1,y2ym,则传感器的一般则传感器的一般数学模型表达式数学模型表达式为：为：yi=fi(x1,x2,xn,u1,u2,ur)其中其中i=1,2,m 如果被测信号为如果被测信号为x1,与之对应的输出为与之对应的输出为y1，则，则 y1=f1(x1,x2,xn,u1,u2,ur)为了得到为了得到x1与与y1一一对应，则必须使除一一对应，则必须使除x1以外的变量（称干以外的变量（称干扰量）固定或即使有变化，对扰量）固定或即使有变化，对x1也不产生影响

27、或影响很小可忽也不产生影响或影响很小可忽略略。第25页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.1 传感器信号选择机理传感器信号选择机理又如：金属导线又如：金属导线R 金属种类、纯度、尺寸、金属种类、纯度、尺寸、温度、应力。温度、应力。如果如果测温测温，必须选择只随温度变化，结构上应，必须选择只随温度变化，结构上应防止变形影响；如果选择电阻随尺寸、防止变形影响；如果选择电阻随尺寸、应力应力而而变化，则应防止温度的影响，使之输入、输出变化，则应防止温度的影响，使之输入、输出一一对应。一一对应。下面讨论几种常见的传感器对信号的选择方式：下面讨论几种常见的传感器对信号的选择方式：第26页，共73页

28、，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v1.固定方式 把把x x1 1之外的其他变量之外的其他变量固定，或用控制方法使其为定值，例热电偶：固定，或用控制方法使其为定值，例热电偶：严严格控制材料纯度，使格控制材料纯度，使dudu1 1/dt/dt、dudu2 2/dt=0/dt=0；基准结点温度；基准结点温度x x2 2固定为冰水点，热电偶插固定为冰水点，热电偶插入保护管内，避免因周围环境及气氛的影响。入保护管内，避免因周围环境及气氛的影响。三相点：三相点：物质的固相、液相物质的固相、液相及其上方的蒸汽相三相平衡及其上方的蒸汽相三相平衡共存时的温度和压强是一个

29、共存时的温度和压强是一个固定值。例如水的三相点温固定值。例如水的三相点温度是度是273.16K.273.16K.dcba 基准接点基准接点（一般为冰点）（一般为冰点）+电电-路路测量测量接点接点铜线铜线金属丝金属丝A A金属丝金属丝B B测试测试接头接头接接 监监测测电电 位位计计铜线铜线第27页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v2.补偿方式（参比）补偿方式（参比）利用被测量和干扰量共同作用的利用被测量和干扰量共同作用的第一第一函数量和只有干扰量作用的函数量和只有干扰量作用的第二第二函数量函数量之差之差（干扰量作用效果与被测量相加时）或（干扰

30、量作用效果与被测量相加时）或之比之比（干扰量（干扰量作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影响的一种方式。作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影响的一种方式。设：被测量设：被测量x1，变量，变量x1；干扰量；干扰量x2，变量，变量x2共同作用的函数：共同作用的函数：f(x1+x1,x2+x2)只有干扰作用的函数：只有干扰作用的函数：f(x1,x2+x2)分别在分别在x1，x2附近泰勒展开，忽略二次以上的高阶微小量附近泰勒展开，忽略二次以上的高阶微小量第28页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式如果函数如果函数f(x1,x2)是是f1(x1)和和

31、f2(x2)之和。例如之和。例如则取上两式之差，可得则取上两式之差，可得第29页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式设函数设函数f(x1,x2)是是x1和和x2的线性组合。例如的线性组合。例如时，两式之差为：两式之差为：x2的影响在输出中被消除了，达到全补偿的影响在输出中被消除了，达到全补偿第30页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式（2）如果函数）如果函数f(x1,x2)是是f1(x1)和和f2(x2)之积，例如之积，例如则取上两式之比，它们的输出为则取上两式之比，它们的输出为（作用函数：）（作用

32、函数：）消除了干扰量影响，得到了完全补偿。消除了干扰量影响，得到了完全补偿。例子：电阻工作应变片与补偿应变片接成桥式电路。例子：电阻工作应变片与补偿应变片接成桥式电路。第31页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v3.差动方式 被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝一个方向变化，然后取差，被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝一个方向变化，然后取差，就能将被测量选择出来。就能将被测量选择出来。使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小），感受同一被测量，使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小），感受同一

33、被测量，而且以两个相同方向感受干扰量，取两个函数之差作为输出。而且以两个相同方向感受干扰量，取两个函数之差作为输出。例如：差动结构传感器有例如：差动结构传感器有差动式电容差动式电容、电感传感器电感传感器、变压器式变压器式以以及利用传播时间差原理的及利用传播时间差原理的超声波流速仪超声波流速仪、应变式电桥应变式电桥传感器等。传感器等。设被测量为设被测量为x1，干扰量为，干扰量为x2，则差动式作用函数分别为，则差动式作用函数分别为第32页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式用多项式展开，忽略两次以上的高阶量，并求差得：用多项式展开，忽略两次以上的高阶

34、量，并求差得：第33页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式 可知与补偿法相比，灵敏度提高了一倍，消除了可知与补偿法相比，灵敏度提高了一倍，消除了(x2)2非线性项，改善了传感器的非线性。非线性项，改善了传感器的非线性。当当x1,x2为算术迭加时，为算术迭加时，例：一维线性组合例：一维线性组合 此时此时x2的影响可完全消除。的影响可完全消除。第34页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v4.频率域频率域及时间域的选择及时间域的选择 信信号号和和噪噪声声的的频频带带重重迭迭时时，可可以以对对信信号号频频

35、率率进进行行调调制制，将将其其移移到到别别的的频频带带上上，以以达达到到与与噪噪声声分分离离的的目目的的。（采采用用包包含含直直流流信信号号的的调调频频放放大大和和采采用用微微弱弱光光的的遮遮光光器器如如用用扇形板法使其变为断续光等放大的方式）扇形板法使其变为断续光等放大的方式）利利用用被被测测量量信信号号与与干干扰扰信信号号的的频频率率范范围围不不同同进进行行信信号号选选择择，通通常常采采用用各各种种滤滤波波器器（机机械械滤滤波波和和电电子子滤滤波波）。例例如如传传感感器器上上装装防防振振橡橡胶胶（机机械械滤滤波波），抑抑制制机机械械振振动动噪噪音音的的影响。影响。光电高温计光电高温计第35

36、页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v4.频率域及频率域及时间域时间域的选择的选择v(1)(1)分时采数法（时间窗）：分时采数法（时间窗）：X X1 1与与X X2 2出时间不同，时间域不同，可在出时间不同，时间域不同，可在X X1 1出现出现时读取，时间域内的信号选择时读取，时间域内的信号选择；v(2)(2)被测被测X1X1幅度远比噪声幅度远比噪声X2X2小时，被淹没小时，被淹没 若已知若已知X1频率或周期频率或周期，则用，则用同步检波法同步检波法设被测设被测X X1 1=s(t)cost=s(t)cost,选用标准信号选用标准信号 同时输入

37、一个乘法器，输出为：同时输入一个乘法器，输出为：RS(t)cos+cos(2t+)/2RS(t)cos+cos(2t+)/2 再通过低通滤波器滤除再通过低通滤波器滤除 22分量分量得得RS(t)cosRS(t)cos信号信号 当当=0=0时，输出为最大。时，输出为最大。乘法器乘法器X X1 1=S(=S(t t)COS()COS(tt)低通滤波器低通滤波器RS(t)cos(RS(t)cos()Rcos(Rcos(t+t+)第36页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v(3)(3)同步相加平均法同步相加平均法（利用信号自相关原理进行信号检测）：（利

38、用信号自相关原理进行信号检测）：X1X1和和X2X2中，中，已知已知X1X1规则变化周期信号，并已知周期规则变化周期信号，并已知周期，可采用同，可采用同步加法，将时间轴（步加法，将时间轴（t t）按被测信号周期分段，相同起始点进）按被测信号周期分段，相同起始点进行行N N次相次相 加，则被测信号放大加，则被测信号放大N N倍，而倍，而干扰信号因其随机性干扰信号因其随机性则则放大放大 倍，倍，噪声被平均，功率变为噪声被平均，功率变为 倍，提高了信倍，提高了信噪比。噪比。信噪比信噪比:第37页，共73页，编辑于2022年，星期一3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式 同步相加平均法同步相

39、加平均法第38页，共73页，编辑于2022年，星期一3.4 传感器的传递矩阵传感器的传递矩阵 3.4.1 二端口传感器的一般表达式二端口传感器的一般表达式3.4.2 二端口传感器的传递矩阵二端口传感器的传递矩阵 3.4.3 二端口传感器的负载效应二端口传感器的负载效应 3.4.4 传感器的广义输入、输出特性传感器的广义输入、输出特性 3.4.5 负载效应的理论机理及消除方法负载效应的理论机理及消除方法 第39页，共73页，编辑于2022年，星期一3.4 3.4 传感器的传递矩阵传感器的传递矩阵（两通道网络概念分析方法）（两通道网络概念分析方法）目的：分析传感器在测量系统中与相关联的部件的关系，

40、目的：分析传感器在测量系统中与相关联的部件的关系，或者一个复杂的传感器系统中各环节之间的关系。或者一个复杂的传感器系统中各环节之间的关系。方法：化简、级联。方法：化简、级联。因因为为子子系系统统B B与与A A结结合合之之后后，在在子子系系统统A A中中产产生生了了负负载载效效应应。把把负负载载效效应应因因素素考考虑虑进进去去再再来来分分析析传传感感器器的的特特性性时，有必要把传感器看成两通道装置来处理。时，有必要把传感器看成两通道装置来处理。子系统子系统B B子系统子系统A A第40页，共73页，编辑于2022年，星期一3.4.13.4.1 二端口传感器的二端口传感器的一般表达式一般表达式X

41、2 传感器x1X1x2x1：输入端示容变量输入端示容变量 X1：输入端示强变量输入端示强变量x2：输出端示容变量输出端示容变量 X2：输出端示强变量输出端示强变量 当传感器在线性范围内工作时，二端口传感器与二端当传感器在线性范围内工作时，二端口传感器与二端口电路的固有特性相似。因此可比照二端电路的分析方法口电路的固有特性相似。因此可比照二端电路的分析方法分析二端口传感器的固有特性。分析二端口传感器的固有特性。I2I1U2U1 电电 路路1.1.二端口电路二端口电路固有特性的表达式固有特性的表达式 第41页，共73页，编辑于2022年，星期一根据二端口网络，用根据二端口网络，用短路导纳节点电压法

42、短路导纳节点电压法输入短路输出输入短路输出导纳导纳 输入端短路时的电流与输出端电压之比（输入端短路时的电流与输出端电压之比（转移导纳转移导纳）输出端短路时的电流与输入端电压之比（输出端短路时的电流与输入端电压之比（转移导纳转移导纳）则系数则系数 称为称为导纳矩阵导纳矩阵。即二端口电路可用即二端口电路可用短路导纳短路导纳和和短路转移导纳短路转移导纳来表示来表示输出短路输入输出短路输入导纳导纳 I2I1U2U1 电 路第42页，共73页，编辑于2022年，星期一2.2.二端口二端口传感器传感器固有特性固有特性一般表达式一般表达式示强变量用示强变量用X X1 1（输入）、（输入）、X X2 2（输出

43、）（输出）示容变量用示容变量用x x1 1（输入）、（输入）、x x2 2（输出）（输出）导纳：导纳：转移导纳：Y Yijij量纲为量纲为 流量流量/强度强度相当于电参量相当于电参量 电流电流/电压电压=电导纳电导纳借用电工学的名称，借用电工学的名称，把把 称为称为导纳矩阵导纳矩阵。二端口传感器的一般表达式为：二端口传感器的一般表达式为：X2 传感器传感器x1X1x2I2I1U2U1 电电 路路第43页，共73页，编辑于2022年，星期一3.4.2 3.4.2 二端口传感器的二端口传感器的传递矩阵传递矩阵：1 1传递矩阵传递矩阵在考察几个子系统结合成一个系统时，用在考察几个子系统结合成一个系统

44、时，用-x-x2 2取代取代x x2 2 -x-x2 2是表示从一个子系统的流出，接着流进接续的另一个子系统的示容变量。是表示从一个子系统的流出，接着流进接续的另一个子系统的示容变量。把上式（第把上式（第个式个式（）改写）改写）代入（）式其中：子系统子系统B B子系统子系统A A第44页，共73页，编辑于2022年，星期一方程用矩阵表示：方程用矩阵表示：导纳行列式：导纳行列式：称为称为F F行列式（矩阵）行列式（矩阵）代表了传感器的固有特性，代表了传感器的固有特性，在网络内称为在网络内称为连接矩阵连接矩阵。从能量角度考虑，讨论其连接关系从能量角度考虑，讨论其连接关系第45页，共73页，编辑于2

45、022年，星期一3.5 3.5 双向传感器统一理论双向传感器统一理论v在传感器中，有一大部分具有可逆特性。在传感器中，有一大部分具有可逆特性。v当两个系统能用同一类型的微分方程描述，系统间存在着当两个系统能用同一类型的微分方程描述，系统间存在着某些共有属性或特征时，这对系统呈现出某种程度的相似某些共有属性或特征时，这对系统呈现出某种程度的相似性，这些共有属性或特征称为相似特性，系统间的整体相性，这些共有属性或特征称为相似特性，系统间的整体相似称为系统相似。似称为系统相似。v在研究机械系统时，可以充分利用相似特性进行机电模拟，在研究机械系统时，可以充分利用相似特性进行机电模拟，这样将带来许多好处

46、。这样将带来许多好处。第46页，共73页，编辑于2022年，星期一3.6 3.6 传感器敏感元件的加工新技术传感器敏感元件的加工新技术v薄膜技术薄膜技术：薄膜是一种特殊的物质形态，是一种在衬底：薄膜是一种特殊的物质形态，是一种在衬底表面上添加材料的工艺。表面上添加材料的工艺。v微细加工技术微细加工技术：微细加工起源于半导体制造工艺，原：微细加工起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微米级微细加究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微米级微细加工的通称。工的通称。v离子注入技术离子

47、注入技术：离子注入是在其容器内，把所需元素：离子注入是在其容器内，把所需元素的原子电离成离子，并将其加速几十至几百千电子伏的原子电离成离子，并将其加速几十至几百千电子伏的能量后，注入以工件表面上，达到材料改性的一种的能量后，注入以工件表面上，达到材料改性的一种技术。技术。第47页，共73页，编辑于2022年，星期一3.7 3.7 传感器的性能指标传感器的性能指标v传感器的输出传感器的输出输入特性是传感器的最基本特性，传感器的各输入特性是传感器的最基本特性，传感器的各种性能指标都是根据传感器的输出和输入的对应关系来描述的。种性能指标都是根据传感器的输出和输入的对应关系来描述的。研究传感器的特性，

48、以便用理论指导其设计、制造、校准和使研究传感器的特性，以便用理论指导其设计、制造、校准和使用。用。v传感器所测量的被测量基本上有两种形式。一种是稳态（静态传感器所测量的被测量基本上有两种形式。一种是稳态（静态或准静态）的形式，这种信号不随时间变化（或变化很缓慢）；或准静态）的形式，这种信号不随时间变化（或变化很缓慢）；另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种信号是随着时另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种信号是随着时间变化而变化的。由于输入被测量不同，传感器所表现出来的间变化而变化的。由于输入被测量不同，传感器所表现出来的输出输出输入特性也不同，因此存在所谓静态特性和动态特性。输入特性

49、也不同，因此存在所谓静态特性和动态特性。第48页，共73页，编辑于2022年，星期一3.7.1 3.7.1 静态数学模型静态数学模型及其静态特性指标及其静态特性指标第49页，共73页，编辑于2022年，星期一3.7.1 3.7.1 静态数学模型及其静态数学模型及其静态特性指标静态特性指标v（1）量程与测量范围）量程与测量范围 v（2）线性度）线性度v（3）灵敏度）灵敏度 v（4）分辨力）分辨力v（5）阈值）阈值 v（6）迟滞（回差，滞后）迟滞（回差，滞后）v（7）重复性）重复性 v（8）稳定性）稳定性v（9）漂移）漂移 v（10）静态误差）静态误差第50页，共73页，编辑于2022年，星期一3

50、.7.1 3.7.1 动态数学模型及其动态数学模型及其动态特性指标动态特性指标v（1）微分方程微分方程v（2）传递函数传递函数第51页，共73页，编辑于2022年，星期一3.7.1 3.7.1 动态数学模型动态数学模型及其动态特性指标及其动态特性指标v（1 1）阶阶跃跃响响应应及及时时域域性性能能指指标标：时时间间常常数数 上上升升时时间间响响应应时时间间超调量超调量峰值时间峰值时间 延滞时间延滞时间衰减率衰减率稳态误差稳态误差 v（2 2）频频域域响响应应及及频频域域性性能能指指标标：截截止止频频率率、通通频频带带和和工工作作频频带带谐振频率和固有频率谐振频率和固有频率幅值频率误差和相位频率