传感器的组成与分类讲课教案.ppt

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1、1.2 1.2 传感器的组成传感器的组成(z(z chn)chn)与分类与分类1.2.1 1.2.1 传感器的定义传感器的定义(dngy)(dngy)1.2.2 1.2.2 传感器的组成传感器的组成1.2.3 1.2.3 传感器的分类传感器的分类第一页，共72页。将被测非电量信号转换为与之将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系有确定对应关系(gun x)(gun x)电量输电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器。变换器、换能器或探测器。1.2.1 1.2.1 传感器的定义传感器的定义(dngy)(dngy)第二页，共72页。3 1.2.2 1

2、.2.2 传感器的组成传感器的组成(z(z chn)chn)敏感敏感敏感敏感元件元件元件元件辅助电路辅助电路辅助电路辅助电路传感传感传感传感元件元件元件元件 被测被测被测被测非电量非电量非电量非电量 有用有用有用有用非电量非电量非电量非电量有有有有 用用用用电电电电 量量量量信号调节信号调节信号调节信号调节转换电路转换电路转换电路转换电路电电电电 量量量量图图1-1 1-1 传感器组成传感器组成(z(z chn)chn)框图框图第三页，共72页。敏感元件：直接感受敏感元件：直接感受(gnshu)被测非被测非电量并按一定规律转换成与被测量有电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。

3、确定关系的其它量的元件。传感元件传感元件(yunjin)：又称变换器。能：又称变换器。能将敏感元件将敏感元件(yunjin)感受到的非电量感受到的非电量直接转换成电量的器件。直接转换成电量的器件。第四页，共72页。敏感元件敏感元件传感元件传感元件(yunjin(yunjin)压力压力(yl)(yl)传感器传感器示例示例第五页，共72页。第六页，共72页。信号调节信号调节(tioji)与转换电路：能把传感与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记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路。录、处理、和控制的有用电信号的电路。常用常用(chnyn)的电路有电桥

4、、放大的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。器、变阻器、振荡器等。辅助辅助(fzh)(fzh)电路通常包括电源等。电路通常包括电源等。第七页，共72页。81.2.3 1.2.3 传感器的分类传感器的分类(fn li)(fn li)1 1按工作按工作(gngzu)(gngzu)机理分类：根据物理机理分类：根据物理和化学和化学 等学科的原理、规律和效应进行分类等学科的原理、规律和效应进行分类2 2按被测量分类：根据输入按被测量分类：根据输入(shr)(shr)物理物理量的量的 性质进行分类。性质进行分类。3 3按敏感材料分类：根据制造传感器按敏感材料分类：根据制造传感器 所使用的材料进行分类。可

5、分为半所使用的材料进行分类。可分为半 导体传感器、陶瓷传感器等。导体传感器、陶瓷传感器等。第八页，共72页。基本物理量基本物理量派生物理量派生物理量位移位移线位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等度等角位移角位移旋转角、偏转角、角振动等旋转角、偏转角、角振动等速度速度线速度线速度速度、振动、流量、动量等速度、振动、流量、动量等角速度角速度转速、角振动等转速、角振动等加速度加速度线加速度线加速度振动、冲击、质量等振动、冲击、质量等角加速度角加速度角振动、扭矩、转动惯量等角振动、扭矩、转动惯量等力力压力压力重量、应力、力矩等重量、应力、力矩等时间时间频率

6、频率周期、记数、统计分布等周期、记数、统计分布等温温度度热容量、气体速度、涡流等热容量、气体速度、涡流等光光光通量与密度、光谱分布等光通量与密度、光谱分布等第九页，共72页。4.4.按能量的关系分类：根据能量观点按能量的关系分类：根据能量观点 分类，可将传感器分为分类，可将传感器分为(fn wi)(fn wi)有源传有源传感器感器 和无源传感器两大类。和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换有源传感器是将非电能量转换(zhunhun)为电能量，称之为能量转换为电能量，称之为能量转换(zhunhun)型传感器，也称换能器。通型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器。常配合有电压

7、测量电路和放大器。如如:压电式、热电式、电磁式等。压电式、热电式、电磁式等。第十页，共72页。无源传感器又称为能量控制型传感器。被无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源节作用。所以必须具有辅助能源(nngyun)(nngyun)(电能电能)。如如:电阻电阻(dinz)(dinz)式、电容式和电感式等。式、电容式和电感式等。5.5.其他：按用途、学科、功能和输出其他：按用途、学科、功能和输出 信号的性质等进行信号的性质等进行(jnxng)(jnxng)分类。分类。第十一页，共72页。从系统角度看，一

8、种传感器就是一种系从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个系统总可以用一个数学方程统。而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和输入的关系和特数表征传感器的输出和输入的关系和特性，从而，用这种关系指导对传感器的性，从而，用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用设计、制造、校正和使用(shyng)(shyng)。通通常从传感器的静态输入常从传感器的静态输入-输出关系和动态输出关系和动态输入输入-输出关系两方面建立数学模型。输出关系两方面建立数学模型。1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述(i(

9、i sh)sh)第十二页，共72页。1.3.1 1.3.1 静态静态(jngti)(jngti)模型模型 静态静态(jngti)(jngti)模型是指在输入信号不模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，描述传感器的输随时间变化的情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。出与输入量的一种函数关系。如果不考虑蠕动如果不考虑蠕动(rdng)效应和迟滞特效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：表示：第十三页，共72页。1.3.2 1.3.2 动态动态(dngti)(dngti)模型模型 动态模型是指传感器在准动态信号动态模型是指传感器在准动态信号

10、或动态信号作用下，描述或动态信号作用下，描述(mio sh)(mio sh)其其输出和输入信号的一种数学关系。输出和输入信号的一种数学关系。动态动态(dngti)(dngti)模型通常采用微分方模型通常采用微分方程和传递函数描述。程和传递函数描述。第十四页，共72页。1.1.微分方程微分方程(wi fn(wi fn fn chn)fn chn)大多数传感器都属模拟系统之列。大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用描述模拟系统的一般方法是采用(ciyng)(ciyng)微分方程。微分方程。在实际的模型建立在实际的模型建立(jinl)(jinl)过程中，一般过程中，一般采用线性常

11、系数微分方程来描述输出量采用线性常系数微分方程来描述输出量 y y和输入量和输入量 x x 的关系。的关系。第十五页，共72页。其通式其通式(tngsh)(tngsh)如下：如下：an,an-1a0和和bm,bm-1b0 为传感器的结为传感器的结构构(jigu)参数。除参数。除b0 0外，一般取外，一般取b1,b2bm为零为零.第十六页，共72页。2.2.传递函数传递函数如果如果(rgu)y(t)在在t0时，时，y(t)=0，则，则y(t)的拉氏变换可定义为的拉氏变换可定义为式中式中s=+j，0。对微分方程对微分方程(wi fn fn chn)(wi fn fn chn)两边取拉氏变换，则得两

12、边取拉氏变换，则得第十七页，共72页。定义输出定义输出(shch)y(t)(shch)y(t)的拉氏变换的拉氏变换Y(S)Y(S)和和输入输入x(t)x(t)的拉氏变换的拉氏变换X(S)X(S)的比为该系统的的比为该系统的传递函数传递函数H(S)H(S)，则，则对对对对y(t)y(t)y(t)y(t)进行拉氏变换的初始条件是进行拉氏变换的初始条件是进行拉氏变换的初始条件是进行拉氏变换的初始条件是t0t0t0t0时，时，时，时，y(t)=0 y(t)=0 y(t)=0 y(t)=0。对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合。对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块

13、、弹性元件、电气元件等均符合。对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合。对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合(fh)(fh)(fh)(fh)上述的初始条件。上述的初始条件。上述的初始条件。上述的初始条件。第十八页，共72页。19对对于于多多环环节节串串、并并联联(bnglin)组组成成的的传传感感器器，若若各各环环节节阻阻抗抗匹匹配配适适当当，可可忽忽略略相相互互间间的的影影响响，传传感感器器的的等等效效传传递递函函数数可按代数方式求得。可按代数方式求得。显显然然H(s)H(s)与与输输入入量量x(t)x(t)无无关关，只只与与系

14、系统统结结构构参参数数有有关关。因因而而(yn(yn r)H(s)r)H(s)可可以以简简单单而而恰恰当当地地描描述述传传感感器器输输出出与与输输入入的关系。的关系。第十九页，共72页。20若传感器由若传感器由r r个环节个环节(hunji)(hunji)串联而成串联而成 对于较为复杂的系统，可以对于较为复杂的系统，可以(ky)(ky)将其看将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。作是一些较为简单系统的串联与并联。第二十页，共72页。21若传感器由若传感器由p p个环节个环节(hunji)(hunji)并联而并联而成成第二十一页，共72页。1.4 1.4 传感器的基本传感器的基本(jbn)(j

15、bn)特性特性1.4.1 1.4.1 静态静态(jngti)(jngti)特性特性 1 1线线性性度度：输输出出量量与与输输入入量量之之间间的的实实际际关关系系曲曲线线偏偏离离(pinl)(pinl)直直线线的的程程度度。又又称称非非线性误差。可用下式表示线性误差。可用下式表示:max输出量与输入量实际曲线与拟合输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差直线之间的最大偏差yFS输出满量程值输出满量程值第二十二页，共72页。传感器的静态模型有三种有用传感器的静态模型有三种有用(yu yn)(yu yn)的特殊的特殊 形式：形式：（1 1）理想理想(lxing)(lxing)的线性特性的线性特

16、性（2 2）仅有偶次非线性项仅有偶次非线性项（3 3）仅有奇次非线性项仅有奇次非线性项第二十三页，共72页。（1）（2）（3）三种三种(sn zhn)(sn zhn)形式所呈现的非线性形式所呈现的非线性程度程度 图图1-2 1-2 三三种种特特殊殊(tsh)(tsh)形形式式的的特特性曲线性曲线 第二十四页，共72页。2.2.灵敏度：在稳态下输出灵敏度：在稳态下输出(shch)(shch)增量增量与输入增量的比值：与输入增量的比值：对对线线性性传传感感器器，其其灵灵敏敏度度就就是是它它的的静静态态(jngti)特性的斜率：特性的斜率：非线性传感器灵敏度是一个变量，只能非线性传感器灵敏度是一个变

17、量，只能表示表示(biosh)(biosh)传感器在某一工作点的灵传感器在某一工作点的灵敏度。敏度。第二十五页，共72页。3.3.重复性：重复性：输入量按同一输入量按同一方向作全程多次测方向作全程多次测试时，所得特性试时，所得特性(txng)(txng)曲线不一致曲线不一致的程度。的程度。图图1-3 1-3 重复性重复性yx0Rmax2Rmax1第二十六页，共72页。4.4.迟滞（回差滞环）现象：迟滞（回差滞环）现象：表明传感器在表明传感器在正向行程和反正向行程和反向行程期间向行程期间(qjin)(qjin)，输出输出-输入特性输入特性曲线不重合的曲线不重合的程度。程度。H00 x x y y

18、y yFSFS x xFSFS图图1-4 1-4 迟滞特性迟滞特性第二十七页，共72页。28对对于于同同一一(tngy)(tngy)大大小小的的输输入入信信号号x x，在在x x连连续续增增大大的的行行程程中中，对对应应某某一一输输出出量量yiyi，与与在在x x连连续续减减小小的的行行程程中中，对对应应某某一一输输出出量量ydyd之之间间的的差差值值叫叫滞滞环环误误差差，即即所所谓谓的的迟迟滞滞现象。现象。在在整整个个测测量量范范围围内内产产生生的的最最大大滞滞环环误误差差用用mm表表示示，它它与与满满量量程程输输出出(shch)(shch)值值的的比值称最大滞环率：比值称最大滞环率：第二十

19、八页，共72页。5 5分分辨辨率率与与阈阈值值 ：传传感感器器在在规规定定的的范范围围所所能能检检测测输输入入(shr)(shr)量量的的最最小小变变化化量。量。阈阈值值是是使使传传感感器器的的输输出出端端产产生生可可测测变变化化量量的的最最小小被被测测输输入入(shr)(shr)量量值值，即即零点附近的分辨力。零点附近的分辨力。6 6稳稳定定性性：在在室室温温条条件件下下，经经过过(jnggu)(jnggu)相相当当长长的的时时间间间间隔隔，传传感感器器的输出与起始标定时的输出之间的差异。的输出与起始标定时的输出之间的差异。第二十九页，共72页。7 7漂漂移移：在在外外界界的的干干扰扰下下，

20、输输出出量量发发生生与输入量无关的、不需要与输入量无关的、不需要(xyo)(xyo)的变化。的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 。零零点点漂漂移移和和灵灵敏敏度度漂漂移移又又可可分分为为时时间间漂漂移移和温度漂移。和温度漂移。时间漂移时间漂移(pio y)(pio y)是指在规定的条件下，是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温温度度漂漂移移为为环环境境温温度度变变化化(binhu)而而引起的零点或灵敏度漂移。引起的零点或灵敏度漂移。第三十页，共72页。8 8静态静态(jngti)(jngti)误差（精度）误差（精度）静态

21、误差是传感器在其全量程内任一点的静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出输出(shch)(shch)值与其理论输出值与其理论输出(shch)(shch)值的值的偏离程度。偏离程度。求静态求静态(jngti)(jngti)误差是把全部校准数据与拟合直线上误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其标准偏差对应值的残差看成是随机分布，求出其标准偏差，取取22或或33值即为传感器的静态值即为传感器的静态(jngti)(jngti)误差。或用相误差。或用相对误差表示：对误差表示：也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项误差综合而

22、得，即几个单项误差综合而得，即第三十一页，共72页。1.1.动态动态(dngti)(dngti)误差误差在动态在动态(dngti)(dngti)的输入信号情况下，输的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为动态出与输入间的差异即为动态(dngti)(dngti)误误差。差。1.4.2 1.4.2 动态动态(dngti)(dngti)特性特性 图图1-5 1-5 热电偶测温过程热电偶测温过程测试曲线测试曲线测试曲线测试曲线动态误差动态误差动态误差动态误差TtTT0tt0例：用一只热电偶测量例：用一只热电偶测量某一容器的液体温度某一容器的液体温度T T，若环境温度为，若环境温度为T T0 0，把，把

23、置于环境温度之中的热置于环境温度之中的热电偶立即放入容器中电偶立即放入容器中（若（若T T T T0 0)。第三十二页，共72页。（1 1）阶跃响应）阶跃响应(xingyng)(xingyng)2.2.研究传感器动态特性研究传感器动态特性(txng)(txng)的方法及其指标的方法及其指标当给静止的传感器输入一个当给静止的传感器输入一个(y)(y)单位阶跃单位阶跃函数信号函数信号 （1-171-17）时，其输出特性称为阶跃响应特性。时，其输出特性称为阶跃响应特性。第三十三页，共72页。图图1-6 1-6 阶跃响应特性阶跃响应特性tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t第

24、三十四页，共72页。最大超调量最大超调量 p p：响应曲线响应曲线(qxin)(qxin)偏离阶跃曲线偏离阶跃曲线(qxin)(qxin)的最大值。的最大值。当稳态值为当稳态值为1 1，则最大百分比超调量为：，则最大百分比超调量为：延滞延滞(yn zh)(yn zh)时间时间tdtd：阶跃响应达到：阶跃响应达到稳态值稳态值50%50%所需要的时间。所需要的时间。第三十五页，共72页。上升时间上升时间t tr r：A A响应曲线响应曲线(qxin)(qxin)从稳态值从稳态值10%90%10%90%所需要的时间。所需要的时间。B B响应曲线从稳态值响应曲线从稳态值5%95%5%95%所所需要需要

25、(xyo)(xyo)的时间。的时间。C C响应曲线响应曲线(qxin)(qxin)从零到第一次到达从零到第一次到达稳态值所需要的时间。稳态值所需要的时间。对对有有振振荡荡的的传传感感器器常常用用C C，对对无无振振荡荡的的传传感器常用感器常用A A。第三十六页，共72页。峰值峰值(fn zh)(fn zh)时间时间tptp：响应曲线到第一个峰值所需要响应曲线到第一个峰值所需要(xyo)的时间。的时间。响应响应(xingyng)(xingyng)时间时间tsts：响响应应曲曲线线衰衰减减到到稳稳态态值值之之差差不不超超过过5%5%或或2%2%时所需要的时间。时所需要的时间。有时称过渡过程时间。有

26、时称过渡过程时间。第三十七页，共72页。（2 2）频频 率率 响响 应应(pn(pn l l xin yn)xin yn)在在定定常常线线性性系系统统中中，拉拉氏氏变变换换是是广广义义的的傅傅氏氏变变换换，取取s=+js=+j中中的的=0=0，则则s=js=j，即即 拉拉 氏氏 变变 换换 局局 限限 于于 s s平平 面面(pngmin)(pngmin)的虚轴，则得到傅氏变换：的虚轴，则得到傅氏变换：同样同样(tngyng)有：有：第三十八页，共72页。H H（jj）称为）称为(chn wi)(chn wi)传感器的频率响传感器的频率响应函数。应函数。H H（jj）是是一一个个复复函函数数，

27、它它可可以以用用指指数数(zhsh)(zhsh)形式表示，即形式表示，即第三十九页，共72页。即即 A()A()A()A()称为传感器的幅频特性，也称为传感器的动态称为传感器的幅频特性，也称为传感器的动态称为传感器的幅频特性，也称为传感器的动态称为传感器的幅频特性，也称为传感器的动态(dngti)(dngti)(dngti)(dngti)灵敏度（或增益）。灵敏度（或增益）。灵敏度（或增益）。灵敏度（或增益）。A()A()A()A()表示传感器的输出与输入的幅度比值随频率而变化的大小。表示传感器的输出与输入的幅度比值随频率而变化的大小。表示传感器的输出与输入的幅度比值随频率而变化的大小。表示传感

28、器的输出与输入的幅度比值随频率而变化的大小。其中其中(qzhng)第四十页，共72页。若以若以 分别分别(fnbi)(fnbi)表示表示H H（jj）的实部和虚部，则）的实部和虚部，则频率特性的相位角频率特性的相位角:（）表表 示示 传传 感感 器器 的的 输输 出出 信信 号号 相相 位位(xingwi)(xingwi)随频率而变化的关系。随频率而变化的关系。第四十一页，共72页。对于传感器对于传感器通常是负的，表示传感器输出通常是负的，表示传感器输出滞后于输入的相位角度滞后于输入的相位角度(jiod)，而且，而且随随而变，故称之为传感器相频特性。而变，故称之为传感器相频特性。第四十二页，共

29、72页。3.3.典型环节传感器系统典型环节传感器系统(xtng)(xtng)的动态响应的动态响应分析分析（1 1）零阶传感器系统）零阶传感器系统(xtng)(xtng)由（由（1-21-2）式，零阶系统）式，零阶系统(xtng)(xtng)的微分方的微分方程为程为或或零阶传感器的传递函数和频率特性为：零阶传感器的传递函数和频率特性为：第四十三页，共72页。（2 2）一阶系统）一阶系统(xtng)(xtng)的动态响应的动态响应分析分析一阶系统微分方程：一阶系统微分方程：对上式进行对上式进行对上式进行对上式进行(jnxng)(jnxng)拉氏变拉氏变拉氏变拉氏变换，得换，得换，得换，得则传递函数

30、为则传递函数为时间常数，时间常数，静态灵敏度静态灵敏度其中其中第四十四页，共72页。频率响应函数频率响应函数频率响应函数频率响应函数幅频特性：幅频特性：幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：相频特性：相频特性：讨论讨论讨论讨论(toln(toln)：越小，越小，频频率响率响应应(pn l xin yn)特性越好。特性越好。负号负号(f ho)表示相表示相位滞后位滞后第四十五页，共72页。越小，越小，阶跃阶跃响响应应(xingyng)特性越好。特性越好。若输入为阶跃函数若输入为阶跃函数若输入为阶跃函数若输入为阶跃函数一阶系统微分方程一阶系统微分方程一阶系统微分方程一阶系统微分方程的解为：的解为

31、：的解为：的解为：讨论讨论讨论讨论(toln(toln)：tx01输出的初值为输出的初值为0,随着随着(suzhe)时间推时间推移移y接近于接近于1；当；当t=时时,在一阶系统中在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。时间常数值是决定响应速度的重要参数。第四十六页，共72页。图图 1-7 1-7 一阶传感器一阶传感器CKKx(t)=F(t)y(t)例例1-1：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统(xtng)输入量输入量为为F(t)=Kx(t)，输出量为位移，输出量为位移y(t)，分析系统，分析系统(xtng)的频率响应特性。的频率响应特性。解：根据牛

32、顿第二解：根据牛顿第二(dr)定定律：律：fC+fK=F(t)或或 第四十七页，共72页。由（由（1-291-29）式）式为时间常数为时间常数(shjinchnsh)第四十八页，共72页。令令H(S)中的中的s=j,即即=0，则系统的频率响应，则系统的频率响应(pnlxinyn)函数函数H（j）为）为由由(j)(j)可以可以(ky)(ky)分析该系统的幅频特性分析该系统的幅频特性AjAj）和相频特性）和相频特性（jj）：第四十九页，共72页。例例1-21-2：一阶测温传感器系统中，已知敏感部：一阶测温传感器系统中，已知敏感部分的质量分的质量(zhling)(zhling)为为mm，比热为，比热

33、为c c，表面积为，表面积为s s，传热系数为，传热系数为h h（w/m2w/m2 k k）。给出输入量）。给出输入量T0T0与输出量与输出量T T之间的微分方程，并推导其幅频特之间的微分方程，并推导其幅频特性、相频特性及阶跃响应特性。性、相频特性及阶跃响应特性。图图1-8 1-8 一阶测温传感器一阶测温传感器解：解：第五十页，共72页。频率响应频率响应(pnlxinyn)特性特性幅频特性幅频特性幅频特性幅频特性相频特性相频特性相频特性相频特性阶跃响应阶跃响应阶跃响应阶跃响应(xingyng)(xingyng)特性特性特性特性第五十一页，共72页。（3 3）二阶传感器的数学模型）二阶传感器的数

34、学模型所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器。很多传感器，如振动传感器、压力器。很多传感器，如振动传感器、压力(yl)传感器传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：等属于二阶传感器，其微分方程为：静态灵敏度静态灵敏度阻尼比阻尼比固有频率固有频率,0=1/第五十二页，共72页。第五十三页，共72页。阻尼比阻尼比 的影响的影响(yngxing)(yngxing)较大，不同阻尼比情况较大，不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。如图。2.42.22.01.81.61.41.21.

35、00.80.60.40.200.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707A()当当0时，在时，在=1处处A()趋近无穷大，这一现象趋近无穷大，这一现象(xinxing)称之为谐振。称之为谐振。随着随着的增大，谐振现象的增大，谐振现象(xinxing)逐渐不明显。逐渐不明显。当当0.707时，不再出现谐振，这时时，不再出现谐振，这时A()将随着将随着的增的增大而单调下降。大而单调下降。第五十四页，共72页。0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0

36、.2=0()相频特性相频特性第五十五页，共72页。二阶传感器的阶跃响应二阶传感器的阶跃响应(xingyng)(xingyng)特性特性 随阻尼比随阻尼比 的不同的不同(b tn)(b tn)，有几种不同，有几种不同(b(b tn)tn)的解：的解：y/K2 21 10 0t t=0=01.51.51 10.60.60.20.2单位阶跃响应通式单位阶跃响应通式=0(=0(零阻尼零阻尼)：输出：输出(shch)(shch)变成等幅振荡，变成等幅振荡，即即 第五十六页，共72页。00 1(1(欠欠阻阻尼尼)：该该特特征征方方程程具具有有(jyu)(jyu)共轭复数根共轭复数根 方程方程(fngchn

37、g)通解通解根据根据t t，y ykAkA，求出求出A A3 3；据初始条件；据初始条件 求出求出A A1 1、A A2 2则则第五十七页，共72页。其其曲曲线线如如图图，是是一一衰衰减减(shui(shui jin)jin)振振荡荡过过程程,越小越小,振荡频率越高振荡频率越高,衰减衰减(shui jin)(shui jin)越慢。越慢。y/K210t=01.510.60.2第五十八页，共72页。11（过过阻阻尼尼）：特特征征方方程程具具有有(jyu)(jyu)两个不同的实根两个不同的实根过渡过渡(gud)函函数为：数为：=1=1(临临界界阻阻尼尼)：特特征征方方程程具具有有重重根根-1/,-

38、1/,过渡过渡(gud)(gud)函数为函数为 上两式表明，当上两式表明，当11时，该系统不再是振荡的，时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。常数相同，后者两个时间常数不同。第五十九页，共72页。实实际际传传感感器器，值值一一般般可可适适当当安安排排，兼兼顾顾 过过 冲冲 量量 mm不不 要要 太太 大大，稳稳 定定 时时 间间(shjin)t(shjin)t不不要要过过长长的的要要求求。在在 0.60.60.70.7范范围围内内，可可获获得得较较合合适适的的综综合合特特性性。对对正正弦弦输输入入

39、来来说说，当当=0.6=0.60.70.7时时，幅幅值值比比A()/kA()/k在在比比较较宽宽的的范范围围内内变变化化较较小小。计计算算表表明明在在0 00.580.58范范围围内内，幅幅值值比比变变化化不不超超过过5 5，相相频频特特性性()()接近于线性关系。接近于线性关系。第六十页，共72页。对于高阶传感器，在写出运动方程后，对于高阶传感器，在写出运动方程后，可根据式具体情况写出传递函数、频率特性可根据式具体情况写出传递函数、频率特性等。在求出特征方程共轭复根和实根后，可等。在求出特征方程共轭复根和实根后，可将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研究

40、其过渡究其过渡(gud)(gud)函数。有些传感器可能难函数。有些传感器可能难于写出运动方程，这时可采用实验方法，即于写出运动方程，这时可采用实验方法，即通过输入不同频率的周期信号与阶跃信号，通过输入不同频率的周期信号与阶跃信号，以获得该传感器系统的幅频特性、相频特性以获得该传感器系统的幅频特性、相频特性与过渡与过渡(gud)(gud)函数等。函数等。第六十一页，共72页。1.5 1.5 传感器的标定传感器的标定(bio(bio dn)dn)与校准与校准1.5.1 1.5.1 传感器的标定传感器的标定(bio(bio dn)dn)压电式压力传感器压电式压力传感器电荷信号电荷信号电荷信号电荷信号

41、压力信号压力信号压力信号压力信号活塞式压力计：活塞式压力计：活塞式压力计：活塞式压力计：已知标准已知标准已知标准已知标准(biozhn)(biozhn)力力力力精度已知检测精度已知检测精度已知检测精度已知检测设备测量设备测量设备测量设备测量校准：传感器在使用中或存储后进行校准：传感器在使用中或存储后进行的性能复测。的性能复测。再次的标定。再次的标定。标定：利用标准器具对传感器进行标度的标定：利用标准器具对传感器进行标度的过程。过程。输入输入输入输入-输出关系输出关系输出关系输出关系第六十二页，共72页。待标定待标定(biodn)传传感器感器已知非电量已知非电量(dinling)输入量输入量标定

42、标定(biodn)的基本方法的基本方法标准标准设备设备输出量输出量输入量输入量 发生器发生器 标准传标准传感器感器输出输出2 2 待标定待标定传感器传感器输出输出1 1输入标准量：由标准传感器检测得到输入标准量：由标准传感器检测得到实质：待标定传感器与标准传感器之间的比实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较。较。电量电量第六十三页，共72页。标定标定(biodn)系统的组成系统的组成（1 1）被测非电量）被测非电量(dinling)(dinling)的标准的标准发生器发生器（2 2）被测非电量的标准测试）被测非电量的标准测试(csh)(csh)系统系统（3 3）待标定传感器配接的信号检测设备

43、）待标定传感器配接的信号检测设备测量测量产生产生活塞式活塞式压力计压力计标准标准压力压力标准压力标准压力 传感器传感器产生产生测力机测力机测量测量标准力标准力标准力标准力传感器传感器产生产生恒温源恒温源测量测量标准标准温度温度标准温标准温度计度计第六十四页，共72页。为保证精度和可靠性，使用为保证精度和可靠性，使用(shyng)(shyng)中注中注意问题：意问题：（1 1）标定等级：只能用上一级精度）标定等级：只能用上一级精度(jn d)(jn d)的标准装置标定下一级精度的标准装置标定下一级精度(jn d)(jn d)的传感器的传感器（2 2）环境）环境(hunjng)(hunjng)条件

44、条件（3 3）标定测试系统）标定测试系统（4 4）安装条件）安装条件第六十五页，共72页。力：测力力：测力(c l)(c l)砝码、拉（压）式测砝码、拉（压）式测力力(c l)(c l)计计压力压力(yl)(yl)：活塞式压力：活塞式压力(yl)(yl)计、水银压力计、水银压力(yl)(yl)计、麦氏真空计计、麦氏真空计位移位移(wiy)(wiy)：深度尺、千分尺、块规：深度尺、千分尺、块规温度：铂电阻温度计、热电偶、基准光电温度：铂电阻温度计、热电偶、基准光电高温比色仪高温比色仪传感器的静态标定及设备传感器的静态标定及设备第六十六页，共72页。低频低频(dpn)-(dpn)-激振器：电磁振动

45、台、低激振器：电磁振动台、低频频(dpn)(dpn)回转台、机械振动台、液压回转台、机械振动台、液压振动台振动台高频高频-瞬变函数激励瞬变函数激励(jl)(jl)信号：激波信号：激波管管传感器的动态标定传感器的动态标定(bio(bio dn)dn)及设备及设备标准激标准激励信号励信号周期函数：正弦波周期函数：正弦波瞬变函数：阶跃波瞬变函数：阶跃波第六十七页，共72页。1.5.2 1.5.2 提高传感器性能提高传感器性能(xngnng)(xngnng)的方法的方法提高提高传感器性能的方法主要有非线性提高提高传感器性能的方法主要有非线性校正校正(jiozhng)、温度补偿、零位法、微、温度补偿、零位法、微差法、闭环技术、平均技术、差动技术、差法、闭环技术、平均技术、差动技术、采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施等。采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施等。第六十八页，共72页。湿度传感器湿度传感器湿度传感器湿度传感器湿度传感器湿度传感器湿度传感器湿度传感器各种各种(zhn)传感器传感器第六十九页，共72页。温湿度、露点温湿度、露点(ldin)(ldin)探头、探头、CO2CO2探探头、大气压力传感器头、大气压力传感器第七十页，共72页。第七十一页，共72页。作作 业业P162、3、4、6、8第七十二页，共72页。