《南理工传感器》PPT课件.ppt

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1、授课教师：朱蕴璞2009年9月 传感技术是与现代科学技术紧密相连的不传感技术是与现代科学技术紧密相连的不断发展的一门学科，其种类很多，涉及的工作断发展的一门学科，其种类很多，涉及的工作原理十分丰富。原理十分丰富。传感技术与生产实际的关系十分密切。传感技术与生产实际的关系十分密切。所有这些决定了传感技术课程是一门所有这些决定了传感技术课程是一门综合综合性性、理论性理论性和和实践性实践性都很强的课程。都很强的课程。课程的性质课程的性质主要讲授把被测量转换成电量的各种传感器（包括主要讲授把被测量转换成电量的各种传感器（包括基本转换电路）基本转换电路）要求：要求：掌握传感器的基础理论及共同规律；掌握传

2、感器的基础理论及共同规律；掌握各类典型传感器的基本理论，主要包括各种掌握各类典型传感器的基本理论，主要包括各种传感器的工作原理、主要性能及其特点、基本转换传感器的工作原理、主要性能及其特点、基本转换电路；电路；掌握各种传感器的典型应用，能合理地选择和使掌握各种传感器的典型应用，能合理地选择和使用传感器；用传感器；了解当代传感技术的最新成果。了解当代传感技术的最新成果。课程目的和任务课程目的和任务百分制百分制分数权重分数权重 平时（作业、到课率等）：平时（作业、到课率等）：10%实验：实验：20%期末考试：期末考试：70%期末考试方法期末考试方法 闭卷闭卷考核办法考核办法1.1人机系统的机能对应

3、关系外外外外界界界界信信信信息息息息感感感感 官官官官人人人人 脑脑脑脑肢肢肢肢 体体体体人人人人 体体体体 系系系系 统统统统传感器传感器传感器传感器计算机计算机计算机计算机执行器执行器执行器执行器机机机机 器器器器 系系系系 统统统统Sensor、Transducer“机电五官机电五官机电五官机电五官”性能凌驾于人的感官之上：性能凌驾于人的感官之上：性能凌驾于人的感官之上：性能凌驾于人的感官之上：（1 1）测量人体无法感知的量）测量人体无法感知的量）测量人体无法感知的量）测量人体无法感知的量（3 3）测量范围宽、精确高、可靠性好）测量范围宽、精确高、可靠性好）测量范围宽、精确高、可靠性好）

4、测量范围宽、精确高、可靠性好（2 2）恶劣环境下工作）恶劣环境下工作）恶劣环境下工作）恶劣环境下工作 温度传感器：温度传感器：温度传感器：温度传感器：-196-196 1800 1800 压力传感器：压力传感器：压力传感器：压力传感器：0.01psi 10000psi(1psi=0.06892857pa)0.01psi 10000psi(1psi=0.06892857pa)精度：精度：精度：精度：0.1%0.01%0.1%0.01%可靠度：可靠度：可靠度：可靠度：8 9 8 9 级级级级信信信信息息息息处处处处理理理理电电电电信信信信电电电电话话话话科科科科技技技技测测测测试试试试设设设设备备

5、备备控控控控制制制制交交交交通通通通控控控控制制制制输输输输电电电电系系系系统统统统机机机机床床床床机机机机器器器器人人人人家家家家用用用用电电电电器器器器照照照照相相相相机机机机汽汽汽汽车车车车飞飞飞飞机机机机船船船船舶舶舶舶气气气气象象象象海海海海洋洋洋洋环环环环境境境境污污污污染染染染医医医医疗疗疗疗防防防防火火火火光光光光能能能能利利利利用用用用热热热热能能能能利利利利用用用用土土土土木木木木建建建建筑筑筑筑农农农农林林林林机机机机械械械械能能能能利利利利用用用用货货货货币币币币金金金金融融融融食食食食品品品品11111155551101101031034747363659598181

6、616127277878343431 3131 314747111111707076769393616126262121242420201414需要量需要量需要量需要量传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用1.2 主要应用例例例例0-10-1：化工产品自动生产过程：化工产品自动生产过程：化工产品自动生产过程：化工产品自动生产过程1 1、自动检测与自动控制系统、自动检测与自动控制系统、自动检测与自动控制系统、自动检测与自动控制系统石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业石油、化

7、工、电力、钢铁、机械等加工工业石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业设备推动力设备推动力设备推动力设备推动力液体或气体液体或气体液体或气体液体或气体检测压力或压强检测压力或压强检测压力或压强检测压力或压强进料进料进料进料自动称重自动称重自动称重自动称重按比例混合按比例混合按比例混合按比例混合反应容器内反应容器内反应容器内反应容器内液体液体液体液体成品成品成品成品半成品半成品半成品半成品在生产线上传输在生产线上传输在生产线上传输在生产线上传输自动控制传输速度自动控制传输速度自动控制传输速度自动控制传输速度自动控制容器液位自动控制容器液位自动控制容器液位自动控

8、制容器液位测定容器中的压力、体积测定容器中的压力、体积测定容器中的压力、体积测定容器中的压力、体积自动称重自动称重自动称重自动称重分装计数分装计数分装计数分装计数2.“2.“汽车导航用传感器汽车导航用传感器汽车导航用传感器汽车导航用传感器”,”,传感器世界传感器世界传感器世界传感器世界,1997,1997年年年年1 1期期期期3.“3.“汽车安全系统及其传感器汽车安全系统及其传感器汽车安全系统及其传感器汽车安全系统及其传感器”,”,传感器世界传感器世界传感器世界传感器世界,1997 1997年年年年2 2期期期期参考文献：参考文献：参考文献：参考文献：1.“1.“汽车安全保障传感器市场汽车安全

9、保障传感器市场汽车安全保障传感器市场汽车安全保障传感器市场”，传感器世界，传感器世界，传感器世界，传感器世界，2001 2001年年年年1 1期期期期5 5、传感器在医疗及人体医学上的应用、传感器在医疗及人体医学上的应用、传感器在医疗及人体医学上的应用、传感器在医疗及人体医学上的应用医用传感器：医用传感器：医用传感器：医用传感器：人体内部温度、血液、呼吸流量、人体内部温度、血液、呼吸流量、人体内部温度、血液、呼吸流量、人体内部温度、血液、呼吸流量、肿瘤、心音、肿瘤、心音、肿瘤、心音、肿瘤、心音、腔内压力、心脑电波腔内压力、心脑电波腔内压力、心脑电波腔内压力、心脑电波6 6、传感器与航空及航天、

10、传感器与航空及航天、传感器与航空及航天、传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上飞行器：控制在预定轨道上飞行器：控制在预定轨道上飞行器：控制在预定轨道上速度、加速度、飞行距离测量速度、加速度、飞行距离测量速度、加速度、飞行距离测量速度、加速度、飞行距离测量陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器周围环境、内部设备监控、本身状态周围环境、内部设备监控、本身状态周围环境、内部设备监控、本身状态周围环境、内部设备监控、本身状态9 9、传感器在军事技术领域的应用、传感器在军

11、事技术领域的应用、传感器在军事技术领域的应用、传感器在军事技术领域的应用美国高级将领与著名学者访谈录陈伯江美国高级将领与著名学者访谈录陈伯江美国高级将领与著名学者访谈录陈伯江美国高级将领与著名学者访谈录陈伯江“信息时代的军事革命信息时代的军事革命信息时代的军事革命信息时代的军事革命”美国参联会副主席欧文斯上将美国参联会副主席欧文斯上将美国参联会副主席欧文斯上将美国参联会副主席欧文斯上将 “改变那种认为军事力量主要是军舰、坦改变那种认为军事力量主要是军舰、坦改变那种认为军事力量主要是军舰、坦改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和克和飞机的概念，把我们的注意

12、力放在思考信息和克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。为重视诸如传感器这类东西的作用。为重视诸如传感器这类东西的作用。为重视诸如传感器这类东西的作用。”“陆军、海军、

13、空军都将只不过是历史的产物陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场军种（可称之为传感器军）用于观察战场军种（可称之为传感器军）用于观察战场军种（可称之为传感器军）用于观察战场”1.3 地位及发展状况 传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的传感器是信

14、息采集系统的首要部件，计算机的“五官五官五官五官”，如果没有传感器对原始信息进行精确、，如果没有传感器对原始信息进行精确、，如果没有传感器对原始信息进行精确、，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。现的。现的。现的。1 1、现代测量与自动控制的首要环节、现代测量与自动控制的首要环节、现代测量与自动控制的首要环节、现代测量与自动控制的首要环节2 2、衡量国家综合实力的重要标志、衡量国家综合实力的重要标志、衡量国家综合实力

15、的重要标志、衡量国家综合实力的重要标志 传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。术现代化程度与生产水平高低的重要依据。术现代化程度与生产水平高低的重要依据。术现代化程度与生产水平高低的重要依据。3 3、现代信息产业的三大支柱、现代信息产业的三大支柱、现代信息产业的三

16、大支柱、现代信息产业的三大支柱通讯技术、计算机技术、传感器技术通讯技术、计算机技术、传感器技术通讯技术、计算机技术、传感器技术通讯技术、计算机技术、传感器技术既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。和发展的物质与技术基础。和发展的物质与技术基础。和发展的物质与技术基础。如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没

17、有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。中之月、镜中之花。中之月、镜中之花。中之月、镜中

18、之花。4 4、各国政府高度重视、各国政府高度重视、各国政府高度重视、各国政府高度重视日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在政府还在政府还在政府还在2121世纪技术预测中将传感器列为首位。世纪技术预测中将传感器列为首位。世纪技术预测中将传感器列为首

19、位。世纪技术预测中将传感器列为首位。美国白宫将美国白宫将美国白宫将美国白宫将“传感器及信号处理传感器及信号处理传感器及信号处理传感器及信号处理”列为对国家安全和经列为对国家安全和经列为对国家安全和经列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。济发展有重要影响的关键技术之一。济发展有重要影响的关键技术之一。济发展有重要影响的关键技术之一。西欧各国在制定西欧各国在制定西欧各国在制定西欧各国在制定“尤里卡尤里卡尤里卡尤里卡”发展计划中，把传感器技术发展计划中，把传感器技术发展计划中，把传感器技术发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。作为优先发展的重点技术。作为优先发展的重点技术。作为

20、优先发展的重点技术。我国政府在我国政府在我国政府在我国政府在“863“863计划计划计划计划”及重点科技攻关项目中，均把及重点科技攻关项目中，均把及重点科技攻关项目中，均把及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。传感器列在重要位置。传感器列在重要位置。传感器列在重要位置。1.4 发展方向新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究2 2、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命

21、、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命1 1、努力实现传感器的新特性、努力实现传感器的新特性、努力实现传感器的新特性、努力实现传感器的新特性检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、互换性好互换性好互换性好互换性好3 3、提高集成化和功能化程度、提高集成化和功能化程度、提高集成化和功能化程度、提高集成化和功能化程度信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构信息处理功能一体化：敏感元件

22、、电路、执行机构传感器功能和信息处理功能一体化传感器功能和信息处理功能一体化传感器功能和信息处理功能一体化传感器功能和信息处理功能一体化4 4、微型化、微型化、微型化、微型化微机电系统微机电系统微机电系统微机电系统 MEMS MEMS（Microelectro-mechanical SystemMicroelectro-mechanical System）轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、可运动的微型机电装置。可运动的微型机电装置。可运动的微型机电装置。可运动的微型机电

23、装置。微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、悬臂梁、光学镜片悬臂梁、光学镜片悬臂梁、光学镜片悬臂梁、光学镜片 执行机构执行机构执行机构执行机构 借助集成电路的制造技术来制造机械装置借助集成电路的制造技术来制造机械装置借助集成电路的制造技术来制造机械装置借助集成电路的制造技术来制造机械装置1.1.“MEMSME

24、MS技术的现状和发展趋势技术的现状和发展趋势技术的现状和发展趋势技术的现状和发展趋势”,传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术，2.2.20012001年年年年1 1期期期期参考文献：参考文献：参考文献：参考文献：3.3.“MEMS MEMS 压力传感器的革命性新技术压力传感器的革命性新技术压力传感器的革命性新技术压力传感器的革命性新技术”,传传传传4.4.感器世界感器世界感器世界感器世界，19971997年年年年3 3期期期期2.2.“基于基于基于基于MEMSMEMS技术的技术的技术的技术的PCRPCR生物芯片的研究生物芯片的研究生物芯片的研究生物芯片的研究”,传感传感传感传感3.3.器技

25、术器技术器技术器技术，20012001年年年年6 6期期期期4.4.“微机械加工硅电容式加速度传感器微机械加工硅电容式加速度传感器微机械加工硅电容式加速度传感器微机械加工硅电容式加速度传感器”,传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术，20012001年年年年1 1期期期期5 5、新型功能材料的开发、新型功能材料的开发、新型功能材料的开发、新型功能材料的开发各种新型传感器孕育在新材料之中各种新型传感器孕育在新材料之中各种新型传感器孕育在新材料之中各种新型传感器孕育在新材料之中半导体材料和新工艺的发展：半导体传感器半导体材料和新工艺的发展：半导体传感器半导体材料和新工艺的发展：半导体传感器半导体

26、材料和新工艺的发展：半导体传感器压电半导体材料发展：压电集成传感器压电半导体材料发展：压电集成传感器压电半导体材料发展：压电集成传感器压电半导体材料发展：压电集成传感器高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器3.“3.“传感器网络的过去与未来传感器网络的过去与未来传感器网络的过去与未来传感器网络的过去与未来”,”,传感器世界，传感器世界，传感器世界，传感器世界，19971997年年年年7 7期期期期参考文献：参考文献：参考文献：参考文献：1.1.“形状记忆执行材料研究进展形状记忆执行

27、材料研究进展形状记忆执行材料研究进展形状记忆执行材料研究进展”,传感器世界传感器世界传感器世界传感器世界，20012001年年年年4 4期期期期2.“2.“机器人用传感器材料的进展机器人用传感器材料的进展机器人用传感器材料的进展机器人用传感器材料的进展”,”,传感器世界，传感器世界，传感器世界，传感器世界，20012001年年年年6 6期期期期1.5 传感器定义、组成与分类根据根据GB7665规定，传感器的定义为规定，传感器的定义为 “能感受规定的被测量并按照一定规律转换成能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可用输出信号的器件或装置”。敏感元件敏感元件转换元件转换元件

28、测量电路测量电路辅助电源辅助电源被测量被测量传感器输出传感器输出 传感器的组成传感器的组成(当传感器的输出为标准化信号，例：当传感器的输出为标准化信号，例：0-5V 或或4-20mA，传感器称作传感器称作变送器变送器。)敏感元件：敏感元件：传感器中能直接感受或响应被测量的部分。它往往将被测量传感器中能直接感受或响应被测量的部分。它往往将被测量转变成另一种易于变换成电量的非电量。如应变式传感器中的弹性元件，转变成另一种易于变换成电量的非电量。如应变式传感器中的弹性元件，通常称为弹性敏感元件。通常称为弹性敏感元件。转换元件：转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件。例如压电晶体、将感受到的非

29、电量直接转换为电量的器件。例如压电晶体、热电偶等。热电偶等。测量电路：测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制处理的有将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制处理的有用电信号的电路。测量电路的类型视转换元件的类型而定，常采用的电路用电信号的电路。测量电路的类型视转换元件的类型而定，常采用的电路有电桥电路、高阻抗输入电路、振荡回路等。有电桥电路、高阻抗输入电路、振荡回路等。传感器的分类传感器的分类（1）按工作机理分）按工作机理分 结构型传感器结构型传感器物性型传感器物性型传感器复合型传感器复合型传感器有源传感器有源传感器无源传感器无源传感器（2）按能源分）按能源分物理量传感器物

30、理量传感器化学量传感器化学量传感器生物量传感器生物量传感器（3）按被测量范畴分）按被测量范畴分电阻式传感器电阻式传感器压电式传感器压电式传感器电容式传感器电容式传感器（4）按工作原理分）按工作原理分1.6 参考资料及教材参考资料参考资料科技期刊科技期刊传感器技术传感器技术传感器技术学报传感器技术学报仪表技术与传感器仪表技术与传感器仪器仪表与传感器仪器仪表与传感器传感器世界传感器世界化学传感器化学传感器测控技术测控技术参考资料参考资料网站网站1、2、3、4、第2章传感器的基本特性传感器原理及应用传感器原理及应用2.1 概述概述 X(t)输入量输入量 y(t)输出量输出量 h(t)组件的物理性能决

31、定的数学运算法则组件的物理性能决定的数学运算法则测量系统由三个基本环节组成 上图中表示输入量送入此组件后经过规定的上图中表示输入量送入此组件后经过规定的传输特性传输特性h(t)转变为输出量。转变为输出量。对比例放大环节对比例放大环节h(t)可写成可写成k（电子或机械装电子或机械装置的放大系数）；置的放大系数）；一般的工程测试问题总是处理输入量一般的工程测试问题总是处理输入量x(t)、系统的传输、系统的传输转换特性和输出量转换特性和输出量y(t)三者之间的关系。三者之间的关系。即：即：x(t)、y(t)是可以观察的量，则通过是可以观察的量，则通过x(t)、y(t)可推断测量可推断测量系统的传输特

32、性或转换特性；系统的传输特性或转换特性；h(t)已已知知，y(t)可可测测，则则可可通通过过h(t)、y(t)推推断断导导致致该该输输出出的相应输入量的相应输入量x(t)，这是工程测试中最常见的问题；，这是工程测试中最常见的问题；若若x(t)、h(t)已知，则可推断或估计系统的输出量已知，则可推断或估计系统的输出量y(t)。理想的测量系统应该具有单值的、确定的输入理想的测量系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。其中以输输出关系。其中以输出和输入成线性关系为最佳。出和输入成线性关系为最佳。在静态测量中，测量系统的这种线性关系虽说总是所希在静态测量中，测量系统的这种线性关系虽说总是所希望的，但不

33、是必须的，因为在静态测量中可用曲线校正或望的，但不是必须的，因为在静态测量中可用曲线校正或输出补偿技术作非线性校正；输出补偿技术作非线性校正；在动态测量中，测量工作本身应该在动态测量中，测量工作本身应该力求是线性系统力求是线性系统，这，这不仅因为目前只有对线性系统才能作比较完善的数学处理不仅因为目前只有对线性系统才能作比较完善的数学处理与分析，而且也因为在动态测试中作非线性校正目前还相与分析，而且也因为在动态测试中作非线性校正目前还相当困难。当困难。2.2 2.2 传感器的静态标定与静态特性传感器的静态标定与静态特性2.2.1 静态标定静态标定欲使测量结果具有普遍的科学意义，测量系统应欲使测量

34、结果具有普遍的科学意义，测量系统应当是经过检验的。当是经过检验的。用已知的标准校正用已知的标准校正仪器或测量系统仪器或测量系统的过程称为标定的过程称为标定。输入到测量系统中的已知量是静态量还是动输入到测量系统中的已知量是静态量还是动态量，标定分态量，标定分:静态标定静态标定动态标定动态标定 静态标定就是将原始基准器，或比被标定系统准确静态标定就是将原始基准器，或比被标定系统准确度高的各级标准器或已知输入源作用于测量系统，得度高的各级标准器或已知输入源作用于测量系统，得出出测量系统的激励响应关系测量系统的激励响应关系的实验操作。的实验操作。要求：要求：标定时，一般应在全量程范围内均匀地取定标定时

35、，一般应在全量程范围内均匀地取定5个或个或5个以上的标定点（包括零点）。个以上的标定点（包括零点）。正行程：正行程：从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值此称标定的正行程。此称标定的正行程。反行程：反行程：再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，此称反行程。此称反行程。标定的主要作用标定的主要作用确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；器或测量系统分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或

36、测量系统的正确度。消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度。通过静态标定，可得到测量系统的响应值通过静态标定，可得到测量系统的响应值yj和激励值和激励值xj之间的一一对应关系，称为测量系之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。统的静态特性。测量系统的静态特性可以用一个多项式方测量系统的静态特性可以用一个多项式方程表示程表示,即即 测量系统的静态数学模型测量系统的静态数学模型（-）工工作作曲曲线线:式式（2-1）称称为为工工作作曲曲线线或或静静态态特特性性曲曲线线,实实际际工工作作中中,一一般般用用标标定定过过程程中中静静态态平平均均特特性性曲曲线来描述线来描述.正行程曲线正行程曲线:正行程

37、中激励与响应的平均曲线正行程中激励与响应的平均曲线反行程曲线反行程曲线:反行程中激励与响应的平均曲线反行程中激励与响应的平均曲线 理想的情况是测量系统的响应和激励之间理想的情况是测量系统的响应和激励之间有线性关系，这时数据处理最简单，并且可和有线性关系，这时数据处理最简单，并且可和动态测量原理相衔接。动态测量原理相衔接。由于由于原理原理、材料材料、制作制作上的种种客观原因，测上的种种客观原因，测量系统的静态特性不可能是严格线性的。如果在测量系统的静态特性不可能是严格线性的。如果在测量系统的特性方程中，非线性项的影响不大，实际量系统的特性方程中，非线性项的影响不大，实际静态特性接近直线关系，则常

38、用一条参考直线来代静态特性接近直线关系，则常用一条参考直线来代替实际的静态特性曲线，近似地表示响应激励关替实际的静态特性曲线，近似地表示响应激励关系。系。y=a+bx选用参考直线有多种方案，常用的几种有：选用参考直线有多种方案，常用的几种有：端点连线：端点连线：将静态特性曲线上的对应于测量范围将静态特性曲线上的对应于测量范围上、下限的两点的连线作为工作直线；上、下限的两点的连线作为工作直线；端点平移线：端点平移线：平行于端点连线，且与实际静态特平行于端点连线，且与实际静态特性（常取平均特性为准）的最大正偏差和最大负偏差性（常取平均特性为准）的最大正偏差和最大负偏差的绝对值相等的直线；的绝对值相

39、等的直线；最小二乘直线：最小二乘直线：直线方程的形式为，且对于各个直线方程的形式为，且对于各个标定点（标定点（xj，yj）偏差的平方和最小的直线；式中）偏差的平方和最小的直线；式中a、b为回归系数，且为回归系数，且a、b两系数具有物理意义；两系数具有物理意义；过零最小二乘直线：过零最小二乘直线：直线方程的形式为且对各标直线方程的形式为且对各标定点（定点（xj，yj）偏差的平方和最小的直线。）偏差的平方和最小的直线。最小二乘直线最小二乘直线：直线方程的形式直线方程的形式 y=a+bx 静态特性指标静态特性指标、灵敏度、灵敏度（Sensitivity）灵敏度灵敏度S S是仪器在静态条件下响应量的变

40、化是仪器在静态条件下响应量的变化yy和与之相对应的输入量变化和与之相对应的输入量变化xx的比值。的比值。如果激励和响应都是不随时间变化的常量如果激励和响应都是不随时间变化的常量(或变化极慢，在所观察的时间间隔内可近似为或变化极慢，在所观察的时间间隔内可近似为常量常量)，依据线性时不变系统的基本特性，则有：依据线性时不变系统的基本特性，则有：xys 当特性曲线呈非线性关系时，灵敏度的表达式为当特性曲线呈非线性关系时，灵敏度的表达式为 静态灵敏度的确定xxyyyyyxx00(a)(b)x常数xyxysxyxysxdd=lim=0、量程及测量范围（量程及测量范围（Span or Range）测量上限

41、值与下限值的代数差称为测量上限值与下限值的代数差称为量程量程。测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量（上限）之间的范围称为输入量（上限）之间的范围称为测量范围测量范围。3、非线性度、非线性度（Nonlinearity often called linearity）非线性也称为线性度，是指测量系统的非线性也称为线性度，是指测量系统的实际实际输入输出特性曲线输入输出特性曲线对于对于参考工作曲线参考工作曲线输入输出特输入输出特性的接近或偏离程度。性的接近或偏离程度。线性度线性度满量程满量程最大偏差最大偏差%100=FSmaxLYLxy0线性度示意图线性

42、度示意图实际工作曲线实际工作曲线参考工作曲线参考工作曲线YFSLmax4、迟滞（迟滞（Hysteresis）亦亦称称滞滞后后量量、滞滞后后或或回回程程误误差差，表表征征测测量量系系统统在在全全量量程程范范围围内内，输输入入量量由由小小到到大大(正正行行程程)或或由由大大到到小小(反反行行程程)两两者者静静态态特特性性不不一一致致的的程程度。度。迟滞迟滞满量程满量程最大偏差最大偏差%100=FSmaxYHH正行程工作曲线正行程工作曲线反行程工作曲线反行程工作曲线y0Hmaxx迟滞示意图迟滞示意图 重重复复性性表表示示测测量量系系统统在在同同一一工工作作条条件件下下，按按同同一一方方向向作作全全量

43、量程程多多次次(三三次次以以上上)测测量量时时，对对于于同同一一个个激激励量其测量结果的不一致程度。励量其测量结果的不一致程度。yR0重复性示意图重复性示意图x5、重复性（、重复性（Repetition）%100=FSYRR重复性重复性满量程满量程同一激励量对应多同一激励量对应多次循环的同向行程响次循环的同向行程响应量的极差应量的极差 重重复复性性是是指指标标定定值值的的分分散散性性，是是一一种种随随机误差，一般根据标准偏差来计算机误差，一般根据标准偏差来计算 R。子样标准偏差子样标准偏差 K置信因子置信因子 K=2时，置信度为时，置信度为95%；K=3时，置信度为时，置信度为99.73%。/

44、=KR12DDD11nijjijyyn-=（）12III11nijjijyyn=-()、正、反行程各标定点响应量的标准偏差正、反行程各标定点响应量的标准偏差 正、反行程各标定点的响应量的平均值正、反行程各标定点的响应量的平均值 j标定点序号，标定点序号，j1、2、3、m；i标定的循环次数，标定的循环次数，i1、2、3、n；yjiD、yjiI正、反行程各标定点输出值正、反行程各标定点输出值再取再取jD、jI的均方值为子样的标准偏差的均方值为子样的标准偏差,则则mmjmjjj21112D2I+=()6、准确度（、准确度（Accuracy）准准确确度度是是指指测测量量仪仪器器的的指指示示接接近近被被

45、测测量量真真值值的的能能力力。准确度是重复误差和线性度等的综合。准确度是重复误差和线性度等的综合。在工程应用中多以仪器的满量程百分比误差来表示，即在工程应用中多以仪器的满量程百分比误差来表示，即%100-真值真值指示值百分比误差%100-=最大量程真值指示值满量程百分比误差准准确确度度表表示示测测量量的的可可信信程程度度，准准确确度度不不高高可可能能是是由仪器本身或计量基准的不完善两方面原因造成。由仪器本身或计量基准的不完善两方面原因造成。7、分辨率（、分辨率（Resolution）分分辨辨率率是是指指测测量量系系统统能能测测量量到到输输入入量量最最小小变变化化的的能能力力，即即能能引引起起响

46、响应应量量发发生生变变化化的的最最小小激激励励变变化化量量，用用x表示。表示。传感器能检测到的最小输入增量。传感器能检测到的最小输入增量。由由于于测测量量系系统统或或仪仪器器在在全全量量程程范范围围内内，各各测测量量区区间间的的x不不完完全全相相同同，因因此此常常用用全全量量程程范范围围内内最最大大的的x即即xmax与与测测量量系系统统满满量量程程输输出出值值YFS之之比比的的百百分分率率表示其分辨能力，称为分辨率，用表示其分辨能力，称为分辨率，用F表示，即表示，即 为为了了保保证证测测量量系系统统的的测测量量准准确确度度，工工程程上上规规定定：测测量量系系统统的的分分辨辨率率应应小小于于允允

47、许许误误差差的的1/3,1/5或或1/10。可可以以通通过过提提高高仪仪器器的的敏敏感感单单元元的的增增益益的的方方法法来提高分辨率。来提高分辨率。测量仪器必须有足够高的分辨率测量仪器必须有足够高的分辨率。阈值阈值(死区值死区值):):传感器输入零点附近的分辨力传感器输入零点附近的分辨力FSmax=YxF2.32.3传感器的动态特性传感器的动态特性例：例：设设TT0，现在将热电偶迅速插到恒温水槽的热水中（插入，现在将热电偶迅速插到恒温水槽的热水中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的温度参数发生一个突变，时间忽略不计），这时热电偶测量的温度参数发生一个突变，即从即从T0突然变化到突然变化到T，

48、立即看一下热电偶输出的指示，是否在这，立即看一下热电偶输出的指示，是否在这一瞬间从原来的一瞬间从原来的T0立刻上升到立刻上升到T呢？呢？TTT00t0tt动态误差动态误差测试曲线测试曲线热电偶测温过程曲线热电偶测温过程曲线 传感器的动态特性是指系统对激励（输入）的响传感器的动态特性是指系统对激励（输入）的响应（输出）特性。应（输出）特性。一个动态特性好的测量系统，其输出随时间变化一个动态特性好的测量系统，其输出随时间变化的规律（变化曲线），将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。

49、2.3.1 预备知识预备知识线性时不变系统线性时不变系统 传感器应保证系统的信号输出能精确地反映输传感器应保证系统的信号输出能精确地反映输入。对于一个理想的传感器应具有确定的输入与输入。对于一个理想的传感器应具有确定的输入与输出关系。其中出关系。其中输出与输入成线性关系输出与输入成线性关系时为最佳，即时为最佳，即理想的传感器应当是一个理想的传感器应当是一个线性时不变系统线性时不变系统。对线性时不变系统具有以下主要性质：对线性时不变系统具有以下主要性质：（1）叠加性与比例性）叠加性与比例性 若若 x1(t)y1(t)；x2(t)y2(t)及及 c1x1(t)c1y1(t)；c2x2(t)c2y2

50、(t)则则 c1x1(t)c2x2(t)c1y1(t)c2y2(t)式中，式中，c1、c2为任意常数。为任意常数。即，系统对输入微分的响应，等同于对原输入响应即，系统对输入微分的响应，等同于对原输入响应的微分。的微分。（2）微分性质）微分性质 若若x(t)y(t)，则，则（3）积分性质）积分性质 若若x(t)y(t)，即，当即，当初始条件为零初始条件为零时时，系统对输入积分的响应等，系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分。同于对原输入响应的积分。（4）频率不变性）频率不变性 若输入为正弦信号若输入为正弦信号 x(t)=Asin t 则输出函数必为则输出函数必为 y(t)=Bsin(t)上