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1、绪论绪论liuliu重点重点传感器技术传感器技术（Sensor technology）传感器原理及应用传感器原理及应用（Fundamentals of Sensors&Application）课程编码课程编码（010214002）传感器技术课程信息传感器技术课程信息n测控技术与仪器专业课，测控技术与仪器专业课，4848学时，授课学学时，授课学时时4040学时，实验学时，实验8 8学时；学时；v 平时成绩平时成绩10%10%；v 实验成绩实验成绩10%10%；v 期末考试期末考试80%80%。J成绩评定成绩评定主要参考书主要参考书：n传感器原理及工程应用 郁有文n西安电子科技大学出版社n传感器

2、强锡富 主编n机械工业出版社n传感器工作原理及应用实例n人民邮电出版社相相 关关 网网 站站nhttp:/ 中国传感器信息网nhttp:/ 中国传感器nhttp:/ 传感器资讯网nhttp:/www.i- 仪表技术与传感器 nhttp:/ 传感器世界 nhttp:/www.sensor- 传感器技术 nhttp:/ 21IC中国电子网 nhttp:/ 传感技术学报网 行行 业业 杂杂 志志n传感器世界n中国仪器仪表n传感器技术n仪表技术与传感器n自动化博览n机电智能化主主 讲讲 教教 师师n内蒙古工业大学机械学院测控系内蒙古工业大学机械学院测控系 刘珍刘珍n联系电话：联系电话：13848813

3、14113848813141nE-mail:lz_E-mail:lz_n若有问题，欢迎大家多与我联系！若有问题，欢迎大家多与我联系！声音信号的采集 基础知识定义、分类发展趋势一般特性传感器原理实际应用电容式传感器应变式传感器电感式传感器压电式传感器数字式传感器固态传感器光纤传感器其他(新型)传感器传感器的标定检测电路实验环节课程主要内容课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用参数、检测电路及其典型应用热电式传感器 绪 论一、传感器的作用n1.传感器是人类五官的延长，又称之为电五官；传感器技术 通信技术 计算机技术 五官 神经 大脑信息信息技

4、术技术三大三大支柱支柱 传感器的作用n2.传感器是获取自然和生产领域中信息的主 要途径与手段；n3、现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数；n4、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、资源探测、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。传感器及传感技术二、传感器及传感器技术1、非电量与非电量电测n电量：物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；n非电量：除电量之外的一些参数，如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速

5、度、加速度、转速、温度、浓度等等。非电量与非电量电测n在众多的实际测量中，大多数是对非电量的测量。n非电量电测法：把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法。n实现这种转换技术的器件就是传感器。非电量与非电量电测n非电量电测法的优点：n（1）可进行微量检测，精度高，反应速度快；n（2）可实现远距离遥测及遥控；n（3）可实现无损检测；n（4）能连续进行测量、记录及显示；n（5）可采用计算机技术对测量数据进行运算、存储及信息处理；n（6）测量安全可靠。传感器及传感技术2、传感器（Transducer/Sensor）定义：将各种非电量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一

6、般为电量）的装置。GB7665一87：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器及传感技术n可从以下几个方面理解：传感器是测量器件或装置，能完成检测任务；输入量为位移、压力、温度、重量等被测量，是非电量；输出量通常为易于传输、转换、处理、显示易于传输、转换、处理、显示的电物理量（如：电压、电流、频率、功率等），也可以是气、光等物理量；输出、输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器及传感技术n传感器功用：感知被测信息，并传递给检测装置。3、传感技术：是指利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术。n是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工 等三个要素的最佳结合。传

7、感器工作时所依据的物理效应、传感器工作时所依据的物理效应、化学反应和生物反应等机理化学反应和生物反应等机理n1.传感器在工业检测和自动控制系统中的应用n工业自动化、全自动、半自动生产线（石油、化工、钢铁、铁路、机械、电力）n自动控制系统（正确的信息检测 准确的控制）传感器的应用领域 传感器的应用领域n2.汽车与传感器n速度、里程、发动机旋转速度、燃料剩余量n安全气囊系统、防盗装置、黑匣子n发动机气缸压力充分燃烧（日本丰田汽车？）n3.传感器与家用电器n电子炉灶、洗碗机、遥控电视、录像机、电饭煲n微波炉（松下电器采用湿度传感器）n电冰箱（温控器控制压缩机的开关）n家庭自动化（安全监视与报警、空调

8、与照明控制、家务劳动自动化、人身健康管理）传感器的应用领域n4.传感器在机器人上的应用n 传统机器人（臂的位置和角度传感器）n 智能机器人（触觉、压觉、重量、视觉等）n5.传感器在医疗及人体医学上的应用n应用医学传感器（B超仪、CT、核磁共振等）n医疗保健产品：电子血压计、脉搏计、电子温度计。传感器的应用领域n6.传感器与环境保护n大气污染指数、水质污染、环境噪声等n各种环境监测仪器n7.传感器与航空航天n飞机的自动驾驶（飞行姿态、距离、航线）n恶劣环境的“盲目”着陆n空空导弹的自动跟踪 传感器的应用领域n8.传感器与遥感技术n遥感技术：从飞机、人造卫星、宇宙飞船、船舶上对远距离的广大区域的被

9、测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。n探测矿藏：人造卫星上的红外传感器 红外线的量 通过微波 地面站 计算机分析处理传感器的应用领域传感器市场结构 n从市场来看,力、压力、加速度、物位、温度、湿度、水分等传感器将保持较大的需求量。三、传感器的组成传感器组成框图电信号电量非电量被测量非电量辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件测量电路测量电路 传感器的组成n敏感元件（预变换器）: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。n转换元件：敏感元件的输出是转换元件的输入，主要作用将输入转换成电参数。J并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件，如热电偶！n辅助电路：将转换元件的

10、输出进行放大、运算、处理等进一步转换，便于应用。传感器的组成 气体压力传感器1-壳体 2-膜盒 3-电感线圈4-磁芯 5-转换电路压力压力位移位移电感电感（敏感元件）（敏感元件）（转换元件）（转换元件）（测量电路）（测量电路）传感器的组成热电偶热电偶压电式加速度传感器压电式加速度传感器四、传感器的分类n传感器是知识技术密集的行业，与许多学科有关，种类繁多，分类方法也很多。n按工作机理：物理型、化学型、生物型；n按构成原理：结构型、物性型；n结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等；这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变

11、化为基础，而不是以材料特性变化为基础。传感器的分类n物性型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。传感器的分类n按能量转换情况：能量控制型、能量转换型；n能量控制型传感器在信息变化过程中，其能量需要外电源供给；(无源传感器)n能量转换型传感器主要由能量变换元件构成，不需外加电源；(有源传感器)传感器的分类n按测量原理分：n电参量式传感器(电阻式、电感式、电容式)n磁电式传感器(磁电感应式、霍尔式、磁栅式)；n压电式传感器；n光电式传感器；n气电式传感器；n热

12、电式传感器；n波式传感器；n射线式传感器；n半导体式传感器；n其他原理的传感器。传感器的分类n按传感器用途分(输入量)n温度传感器n湿度传感器n压力传感器n位移传感器n转速传感器n流量传感器n火灾传感器传感器的分类n按传感器输出信号形式可分为：模拟传感器和数字传感器。n按输入量分类u优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据用途选用。u缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者比较各种传感器的原理异同点。传感器的分类n按原理分类：u优点是：对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。u缺点：不便于使用者根据用途选用。五、传感器

13、的发展n1.固态化基于新材料的开发n物性型传感器亦称为固态传感器，发展很快，它包括半导体、电介质和强磁体三类。n2.集成化n同一功能的多元件并列化。将同一类型的单个传感器用集成工艺在同一个平面上排列起来-CCD图像传感器n多功能一体化。将传感器的放大、运算、以及补偿等环节一体化，组装成一个器件。开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集发传感器的新材料和新工艺

14、；实现传感器的集成化、多功能化和智能化成化、多功能化和智能化成化、多功能化和智能化成化、多功能化和智能化 典型实例典型实例&美国某大学传感器研究发展中心研制的单片硅多维力传感器可以同时测量3个线加速度，3个离心加速度（角速度）和3个角速度。主要元件是由4个正确设计安装在一个基板上的悬臂梁组成的单片硅结构，9个正确布置在各个悬臂梁上的压阻敏感元件。n3.多功能化n 把多个功能不同的传感器元件集成在一起，意味着传感器具有多种参数的检测功能。传感器的发展n4.图像化n一维 二维 三维n5.智能化n具有过程数据处理功能的智能传感器；n放大信号，数字化信号，实现线性化；n自诊断能力；n存储功能；n数字通

15、信。课程安排：n绪 论n第一章 传感器的一般特性n第二章 应变式传感器n2.1 金属应变片式传感器n2.2 压阻式传感器?实验：金属箔式应变片三种桥路性能比较n第三章 电容式传感器n3.1 电容式传感器的工作原理n3.2 电容式传感器的测量电路n3.4 电容式传感器的应用?实验：电容式传感器的位移特性实验课程安排：第四章 电感式传感器n4.1 自感式传感器n4.2 差动变压器n4.3 电涡流式传感器?实验：差动变压器的性能实验n第五章 压电式传感器n5.1 压电效应n5.2 压电材料n5.3 压电式传感器的测量电路n5.4 压电式传感器的应用?实验：压电式传感器振动实验 课程安排：n第六章 数

16、字式传感器n6.1 码盘式传感器n6.2 光栅式传感器n6.3 振弦式传感器n第七章 热电式传感器n7.1 热电偶n7.2 热电阻 n7.3 集成温度传感器n7.4 热敏电阻课程安排：n第八章 固态式传感器n8.1 磁敏传感器n8.2 光敏传感器n8.3 电荷耦合器件n8.4 气体传感器n8.5 湿度传感器?直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 n第十章 智能传感器n10.1 智能传感器的体系结构和功能实现n10.3 网络传感器n10.4 多传感器信息融合 n第十一章 传感器的标定课程任务课程任务n本课程的主要任务：使学生掌握各类传感器的基本理论，掌握几何量、机械量以及有关量测量中常用的各种传

17、感器的工作原理、主要性能及其特点；使学生能合理的选择和使用传感器；使学生掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法；了解传感器的发展动向等。第一章第一章 传感器的一般特性传感器的一般特性n传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系。n当输入量为常量，或变化极其缓慢时，这一关系就称为静态特性;当输入量随时间较快地变化时，这一关系就称为动态特性。n传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。1-1 传感器的静态特性n静态特性表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系。传感器输入输出作用图一、线性度一、线性度n线性度是指测量装置输出、输入之间保持常值比例关系的程度。%理想的传感器输出与输入呈线性关系。

18、然而,实际的传感器即使在量程范围内,输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的,总存在一定的非线性。线性度是评价非线性程度的参数。n定义定义：在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差和满量程输出值的百分比称为线性度（也叫非线性误差，非线性度）。传感器的静态特性指标传感器的静态特性指标YmaxYFS测量范围输出范围XY拟合曲线校准曲线线性度线性度：为最大非线性误差 在静态测量的情况下，用实验来确定被测量的实际值和测量装置示值之间的函数关系的过程称为静态校准，所得到的关系曲线称为校准曲线。在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。校准直线接近拟合直线的程度就是线性度。n 拟

19、合直线的确定主要有两种方法：端基法 端基法就是把一条通过测量范围的上、下限点的 直线，作为拟合直线，通常称为端基直线。传感器的静态特性指标传感器的静态特性指标 设拟合直线方程为：设拟合直线方程为：0yyixy=kx+bxi最小二乘拟合法最小二乘法拟合最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有若实际校准测试点有n个，则第个，则第i个校准数据与拟合直线上响应个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为值之间的残差为i=yi-(kxi+b)传感器的静态特性指标 对对k k和和b b一阶偏导数等于零，求出一阶偏导数等于零，求出b b和和k k的表达式的表达式最小二乘法拟合直线的原理就是使最小二乘法拟合直

20、线的原理就是使 为最小值，即为最小值，即传感器的静态特性指标 k 和和b 代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值后求出残差的最大值 即为最大非线性误差。即为最大非线性误差。即即得到得到k 和和b 的表达式的表达式传感器在静态工作条件下，传感器输出变化量与引起该传感器在静态工作条件下，传感器输出变化量与引起该变化量的输入变化量之比称为变化量的输入变化量之比称为灵敏度灵敏度，也就是单位输入也就是单位输入所产生的输出。其表达式为：所产生的输出。其表达式为：K=y/x传感器的静态特性指标yx0K=y/x线性传感器线性传感器dydxK=dy/dxy

21、x0非线性传感器非线性传感器二、灵敏度与灵敏度误差s=(k/k)100%n 由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即n 可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。是一常数，与输入量大小无关。传感器灵敏：指其灵敏度高，也指其分辨率高。传感器灵敏：指其灵敏度高，也指其分辨率高。传感器的静态特性指标思考：灵敏度越高越好吗

22、？传感器的静态特性指标v测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值（Xmax)。v测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值(Xmin)。v测量范围：测量下限到上限之间的范围。如：测量范围：测量下限到上限之间的范围。如：-50150v量程：测量上限和测量下限的代数差。量程：测量上限和测量下限的代数差。量程量程=Xmax Xmin-500c+1500c如：量程如：量程=150-（-50）=200三、测量范围与量程 通常，把引起测量装置输出值产生一个可察觉变化的最小被测量变化值称为最小检测量(也称为鉴别阈值、灵敏阈

23、或灵敏限)。它用来描述装置对输入微小变化的响应能力（测微能力）。它往往受噪声的限制，所以一般用相当于噪声电平(N)的若干倍(C)的被测量表示，即式中，M 为最小检测量；K为传感器的灵敏度系数。分辨力是指传感器有效地辨别紧密相邻量值的能力。实际中，分辨力可用传感器的输出值来表示。模拟式传感器以最小刻度的一半所代表的输入量表示。数字式传感器则以末位显示字所代表的输入量表示。四、最小检测量、分辨力传感器的静态特性指标(C取15)传感器的静态特性指标n在传感器输入零点附近在传感器输入零点附近的分辨力称为鉴别阈值。的分辨力称为鉴别阈值。它用来描述装置对输入它用来描述装置对输入微小变化的响应能力，微小变化

24、的响应能力，就是引起传感器输出值就是引起传感器输出值产生一个可察觉变化的产生一个可察觉变化的最小被测量变化值。最小被测量变化值。n分辨力用绝对值表示分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表用与满量程的百分数表示时称为分辨率示时称为分辨率（数字（数字信号）信号）。xxy0y灵敏限灵敏阈死 区五、迟滞（也称为滞后或滞差）理想装置的输出、输入有完全单调的一一对应关系，如图中虚线所示。但是实际装置在同样的测试条件下，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,即迟滞特性0YXYFS传感器的静态

25、特性指标传感器的静态特性指标n式中 正反行程间输出的最大差值，称为迟滞误差、回程误差或滞后误差。n检测回程误差时，可选择几个测试点。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。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即YX0Hmax2Hmax1重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。Hmax1正行程的最大重复性偏差 Hmax2反行程的最大重复性偏差 六、重复性传感器的静态特性指标与精确度有关指标：与精确度有关指标：精密度精密度、准确度准确度和和精确度精确度(精度精度)n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

26、的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用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，其测量结果的分散程度。例如，某测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为温传感器的精密度为0.50.5。精密度是随即误差。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。注意：精密度高不一定准确度高。七、精确度（精度）传感器的静态特性指标传感器的静态特性指标n准确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离：说明传感器输出值与真值

27、的偏离程度。如程度。如,某流量传感器的准确度为某流量传感器的准确度为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，准确度高意准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。密度高。n精确度：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。在最简单的情况下，可取两者的代数和。常以测量误差的相对值表示。（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 （

28、c c）精确高）精确高 在测量中我们希望得到精确度高的结果。在测量中我们希望得到精确度高的结果。传感器的静态特性指标传感器的静态特性指标n精度等级A：以一系列标准百分数值（0.001，0.005，0.02，0.05，1.5，2.5，4.0）进行分档。A=（A/YF.S）*100%A传感器的精度A测量范围内允许的最大误差值YF.S满量程输出例：一台精度等级为0.5级，量程范围6001200的温度传感器，它最大允许的绝对误差是多少？检验时某点的最大绝对误差是4，此表是否合格？n 测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误

29、差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。n 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。八、稳定性传感器的静态特性指标传感器的静态特性指标n在实际应用中，主要通过传感器的零点漂移、灵敏度漂移、抗干扰稳定性等方面来考察传感器的稳定性。n抗干扰稳定性指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。传感器的静态特性指标九、漂移n漂移是指传感

30、器在外界的干扰下，输出量发生漂移是指传感器在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化与输入量无关的、不需要的变化。温度漂移温度漂移 灵敏度漂移灵敏度漂移漂移漂移 时间漂移时间漂移 零点漂移零点漂移n 时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。n温度漂移是指因环境温度的变化而引起的零点或灵敏度的漂移。也就是温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。n测试时先将传感器至于一定温度，将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数，再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。n每引起的传感器误差称为温度误差系数。漂移y0:传感器零点的初始输出值y0:传感

31、器零点的最大或最小输出值ty0y,0y01h、零点时漂：传感器一小时内的零点漂移、零点时漂：传感器一小时内的零点漂移D D为：为：漂移n零漂漂移xy0零漂零漂灵敏度漂移灵敏度漂移、零点温漂：、零点温漂：1-2 传感器的动态特性n动态特性是指传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性。n很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。n只要输入量是时间的函数，则输出量也将是时间的函数，二者之间的关系用动态特性来描述。传感器的动态特性n一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即二者具有相同的时间函数；n而实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号不会与输入信号具有相同的时间

32、函数，这种输出与输入的差异就是所谓的动差误差。传感器的动态特性n传感器动特性首选取决于传感器本身。n动特性还与被测量的变化形式有关。研究动态特性时需用一种“标准”输入信号：正弦周期输入、阶跃输入和线性输入，而经常使用的是前两种。n对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应，对于阶跃输入信号，称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。传感器的动态特性一、动态特性的数学模型1、零阶传感器的数学模型v电位计（滑线电阻）USRUSCL Lx xx xy y动态特性的数学模型v弹簧零阶系统：输入输出满足零阶微分方程的表达 形式。a0y(t)=b0 x(t)y(t)=bo/a0*x(t)=kx(t)y(位

33、移位移)X(X(拉力拉力)y(t)=kx(t)y(t)=kx(t)输入输出满足线性关系动态特性的数学模型2、一阶传感器的数学模型v电容充电(RC电路)i(t)R 故有：E ER RC CU UC Ci i(t)(t)一阶微分方程（一阶系统）动态特性的数学模型3、二阶传感器的数学模型v质量-弹簧-阻尼系统 vRLC振荡电路 运动质量运动质量阻尼系数阻尼系数 弹簧刚度弹簧刚度L LR R C C U U（t t）V（t）n一般情况下，传感器的数学模型可用常系数线性微分方程表示，即：n设x(t)、y(t)的初始条件为零，对上式两边进行拉氏变换，动态特性的数学模型传递函数及频率特性二、动态系统的传递函

34、数及频率特性传感器动态特性的研究方法：黑箱法 输入 x(t)y(t)输出 变换 变换系统系统通过变换后输入、输出的关系来研究系统的特性J举例说明举例说明传递函数及频率特性neg:系统系统达到稳态后的响应各频率的幅值放大倍数-幅频特性各频率的相角滞后差-相频特性1 3 5 7 91 3 5 7 9传递函数及频率特性n上述情况是稳态下的响应情况，对于任一信号，都存在瞬态响应过程，即有一过渡过程。若考虑全响应则需用传递函数来描述。传递函数及频率特性传递函数表示系统本身的传输、转换特性,与激励及系统的初始状态无关。同一传递函数可能表征着两个完全不同的物理（或其他）系统,但说明它们有相似的传递特性。1、

35、传递函数的定义-初始条件为零时，输出与输入的拉氏变换之比，定义为传感器的传递函数。W(s)传递函数及频率特性2、频响函数的定义-初始条件为零时，输出与输入的傅氏变换之比，定义为传感器的频率响应函数(频率特性函数)，或称频响函数，用W（j ）表示。n幅频特性：幅频特性：A A（）=n相频特性相频特性 （）=传递函数及频率特性n输入量X按正弦函数变化时，输出量Y也是同频率的正弦函数，其振幅和相位将随频率变化而变化。这一性质就称之为频率特性。n输出量幅值与输入量幅值之比，称为动态灵敏度k，它是的函数，称为幅频特性，以A()表示。n输出量与输入量相位之差用表示,它也是的函数，称为相频特性，以()表示.

36、传递函数及频率特性(1)、零阶传感器n微分方程为：y=(bo/ao)x=k x k-静态灵敏度n上式表明，零阶传感器的输入量无论随时间如何变化，输出量幅值总是与输入量成确定的比例关系，在时间上也不滞后。n例：电位器式传感器，为零阶传感器3、各阶传感器的传递函数及频率特性n微分方程为:(2)、一阶传感器传递函数及频率特性n拉氏变换:(s+1)Y(S)=KX(S)n一阶传感器的传递函数为：式中10为时间常数；Kb0o 为系统灵敏度。将S=jw 代入上式，得一阶传感器的n频率响应函数为：n幅频特性为:n相频特性为:其中负号表示输出信号滞后于输入信号。传递函数及频率特性n频率特性有以下几个特点：频率特

37、性有以下几个特点：一一阶传感器是个低通环节，当阶传感器是个低通环节，当时，时，A(A()/K0)/K0，且频率越高，放大倍数越小，滞后角且频率越高，放大倍数越小，滞后角越大。越大。一阶传感器适用于测量缓变或低频的被测量。一阶传感器适用于测量缓变或低频的被测量。传递函数及频率特性时间常数时间常数是反映一阶传感器特性的重要参数。是反映一阶传感器特性的重要参数。在在=1处，处，A()/K为为0.7070.707（-3dB-3dB），相位滞后），相位滞后45450 0。时间常数。时间常数实际上决定了该装置适用的频率实际上决定了该装置适用的频率范围。范围。越小，响应速度越快，频率响应特性越越小，响应速度

38、越快，频率响应特性越好，适用的频率范围越宽。好，适用的频率范围越宽。当当1 时：时：A()/K1，输入与输出成线性关系；，输入与输出成线性关系；()()很小，很小，且且 ，相位差与频率成正比，相位差与频率成正比，这时保这时保证了测试是无失真的，输出真实地反映输入的变证了测试是无失真的，输出真实地反映输入的变化规律化规律。传递函数及频率特性n微分方程为:改写为：式中：-静态灵敏度 -系统固有频率 -系统阻尼比(3)二阶传感器传递函数及频率特性n拉氏变换：（S2+20S+02）Y（S）=K 02X(S)n传递函数：n幅频特性：传递函数及频率特性n相频特性：J二阶传感器对阶跃信号的响应取决于阻尼比和

39、固有频率0，固有频率越高，传感器的响应速度越快。阻尼比直接影响超调量和振荡次数。传递函数及频率特性二阶传感器的幅频特性曲线二阶传感器的幅频特性曲线传递函数及频率特性二阶传感器的相频特性曲线二阶传感器的相频特性曲线传递函数及频率特性n二阶传感器的频率特性：低通环节：/0时，A()0；/0=1时，传感器出现共振现象，越小，共振峰越高；重点关注=0.707 时的曲线：l是不产生共振的临界值；l幅频特性曲线水平段最长，不产生幅频失真；l相频特性曲线接近于一条斜直线，不产生相频失真。特性最好，故=0.7 称为最佳阻尼比 传递函数及频率特性传感器的动态响应三、传感器的动态响应及其动态特性指标n目的：了解各

40、阶传感器对动态输入信号的 输出（响应），及用实验的方法求 得各阶传感器的特性参数。n主要方法：频率响应法和阶跃响应法n 对传感器突然加载或突然卸载，即属于对传感器突然加载或突然卸载，即属于阶跃输入阶跃输入，这种输入方式既简单易行，又能充分揭示传感器的动态特性，故常常采用。n阶跃响应法：输入x(t)输出y(t)阶跃信号 响应X(t)=0 t01 t0tx01系统系统单位阶跃信号为：单位阶跃信号为：传感器的动态响应利用输入的x(t),通过研究响应和输入的关系来判断是几阶系统以及具体的特性参数。(1)、零阶传感器的阶跃响应 y(t)=k x(t)传感器的动态响应传感器的动态响应(2)一阶传感器的阶跃

41、响应微分方程：求解得：当t=时：时：y(t)=0.632 k x(t)当响应曲线达到终值的63.2%所经历的时间就是时间常数。0tx(t)1一阶传感器的单位阶跃响应曲线0.6320.632法法k?思考题：用秒表、温度计，如何确定温度计的时间常数。理论上系统的响应只有在t趋向于无穷大时，才能达到稳态。毫无疑义，一阶传感器的时间常数越小越好,越小，传感器达到稳越小，传感器达到稳态所需时间越短，响应越快。态所需时间越短，响应越快。传感器的动态响应传感器的动态响应（3）二阶传感器的阶跃响应传递函数：输入x（t）为单位阶跃信号，故X（S）=1/S 输出：其响应如下：传感器的动态响应n01 欠阻尼 衰减振

42、荡情形越大，阻尼越大，衰减越快。n=0 无阻尼 等幅振荡过程 振荡频率d 为固有频率 0，实际上总有阻尼，故d 1 过阻尼不振荡的衰减过程，要经过较长时间才能达到稳态传感器的动态响应n欠阻尼系统比临界阻尼系统更快的达到稳态值，而过阻尼系统反应迟钝，动作缓慢，所以系统通常设计成欠阻尼系统，取=0.60.8左右。如果阻尼比选在0.60.8之间，则系统以较短时间(大约(57)0)，进入偏离稳态不到25的范围内。这也是很多测试装置的阻尼比取在这区间内的理由之一。传感器的动态响应传感器的动态响应n具体单位阶跃响应曲线如下：传感器的动态响应上升时间t r：输出由稳态值的10%变化到稳态值的 90%所用的时

43、间。二阶传感器系统中t tr r 随的增大而增大，当=0.7时，tr=2/0。n重要参数：稳定时间ts：系统从阶跃输入开始到系统稳定在稳定值得给定百分比所需的最小时间。对稳态值给定百分比为5%的二阶传感器系统，在=0.7时，ts=3/0，最小。tr和ts 都是反映系统响应速度的参数。峰值时间tp:阶跃响应曲线达到第一个峰值所需的时间。（一定的前提下，一定的前提下，0越大，峰值时间越小越大，峰值时间越小）超调量%：通常用过渡过程中超过稳态值的最大值A（过冲）与稳态值之比的百分数表示。T 衰减振荡周期A 过冲，超过稳态的最大值传感器的动态响应n超调量%的大小与有关，越大，%越小，具体关系如下：n其固有频率传感器的动态响应传感器的技术指标n测量方式（接触式与非接触式测量，在线与非在线测量等）n灵敏度n量程范围n精度n温度指标n供电形式n外形尺寸、重量n安装方式、电缆作业作业作业作业n第一章 P331 1-10 1-13n第二章 P337 2-8 2-15n第三章 P343 3-8 3-13n第四章 P352 4-6 4-8n第五章 P358 5-10 5-12n第六章 P360 6-3 n第七章 P363 7-8 7-9 7-14结束结束