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第2章 傳感器概述,2.1 傳感器的定義、組成和分類 2.2 傳感器的基本特性 2.3 傳感器的發(fā)展方向,返回主目錄,1,2.1 傳感器的定義、組成和分類 一、傳感器的定義 傳感器是一種把被測量（主要是非電量）轉(zhuǎn)換成便于傳輸、應(yīng)用的輸出信號的器件或裝置。 傳感器又稱為敏感元件(在電子技術(shù)領(lǐng)域，則強(qiáng)調(diào)的是對信號的敏感程度)、檢測器(在測量領(lǐng)域，通常強(qiáng)調(diào)的測量結(jié)果）、轉(zhuǎn)換器(在超聲波技術(shù)中，則強(qiáng)調(diào)的是能量的轉(zhuǎn)換)等。這些提法在含義上有些狹窄, 而傳感器一詞是使用最為廣泛而且是概括性最強(qiáng)的用語。,2,傳感器的輸出信號可以是氣量、光量、電量。但主要是電量, 它便于傳輸、 轉(zhuǎn)換、 處理、 顯示等。 電量有很多形式, 如電壓、電流、電容、電阻等, 輸出信號的形式由傳感器的原理確定。 ,二、傳感器的組成,傳感器一般是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其組成見圖2－1,3,圖 2-1 傳感器組成框圖,①敏感元件是指傳感器中能把被測量直接感受出來的部件。 ② 轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受到的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部件。 ③轉(zhuǎn)換電路是將電信號進(jìn)行放大、運(yùn)算和調(diào)制的部件。,4,傳感器的分類方法很多。但常用的分類方法有兩種:,三、傳感器的分類,,,1、按被測參數(shù)分類,溫度傳感器 壓力傳感器 位移傳感器 速度傳感器等,,2、按工作原理分類,應(yīng)變式傳感器 電容式傳感器 壓電式傳感器 電勢式傳感器等,5,2.2 傳感器的基本特性 傳感器的基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來描述。  一、 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出與輸入的關(guān)系。它的特點(diǎn)是輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系式中不含有時(shí)間變量。通?？捎孟率奖硎荆?式中：a0——是輸入量x為零時(shí)的輸出量； a1，a2，…，an——是非線性系數(shù)。,（2-1）,6,衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度, 遲滯和重復(fù)性等。 1. 線性度 傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。通常用實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差ΔLmax與滿量程輸出值YFS之比γL來表示, 即,式中：ΔLmax——最大非線性絕對誤差; YFS——滿量程輸出。 見下圖所示,（2-2）,7,由定義可知，線性度的大小是以某一條擬合直線為基準(zhǔn)算出來的，擬合直線取得不同，所得出的線性度就不一樣。 下圖2-2是常見的幾種關(guān)于擬合直線線性度的計(jì)算方法。,8,圖 2–2 幾種直線擬合方法 (a) 零點(diǎn)切線擬合;(b) 過零旋轉(zhuǎn)擬合;(c) 端點(diǎn)連線擬合; (d) 端點(diǎn)平移擬合;,9,2． 靈敏度 靈敏度是指傳感器的輸出變化量Δy 與引起此變化的輸入變化量Δx的之比，用S表示。 即,從圖 2 - 2 中可以清楚地看出, 即使是同一個(gè)傳感器, 取的擬合直線不同, 其線性度也是不一樣的。 選取擬合直線的方法很多, 用最小二乘法求取的擬合直線的線性度最高。,（2 - 3）,顯然，S越大，表示傳感器越靈敏。 傳感器的靈敏度如圖2 - 3 所示。,10,對于線性傳感器, 它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率, 即S=Δy/Δx為常數(shù), 而非線性傳感器的靈敏度為一變量, 用S=dy/dx表示。,11,3. 遲滯 傳感器在輸入量由小到大或由大到減小的變化期間，其輸入-輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯, 如下圖2-4 所示。 遲滯大小一般由實(shí)驗(yàn)確定。通常把傳感器在全量程范圍內(nèi)的最大遲滯差值ΔHmax（或一半）與滿量程輸出值YFS之比成為遲滯誤差，用γH表示，即:,式中: ΔHmax——正、反行程輸出值間的最大差值。,或,,（2-4）,12,13,4. 重復(fù)性 重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí), 所得特性曲線不一致的程度, 如下圖2-5 所示。 重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差, 常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示, 也可用正反行程中的最大偏差表示, 即,（2-5）,式中：△Rmax＝max{△ Rmax1， △ Rmax2},或,,14,15,二、 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它不但與輸入信號有關(guān)，而且與傳感器的結(jié)構(gòu)（即動(dòng)態(tài)特性方程）有關(guān)。 1. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性方程 傳感器的動(dòng)態(tài)輸入輸出關(guān)系一般可用下面的微分方程來表示。,（2-6）,16,式中：x是傳感器的輸入信號，通常是時(shí)間的函數(shù)， y是傳感器的輸出信號，也是時(shí)間的函數(shù)， a0, a1,…,an,,b0, b1,…,bm是與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。 (1) 零階系統(tǒng) 在方程(2－6)中，除了a0，b0外，其他的系數(shù)均為零，即,通常寫成,則稱它為零階系統(tǒng)（或比例系統(tǒng)）。,17,(2) 一階系統(tǒng) 在方程(2－6)中，除了a0，a1，b0外，其他系數(shù)均為零，即,通常寫成,則稱它為一階系統(tǒng)（或慣性系統(tǒng)）。,18,(3) 二階系統(tǒng) 在方程(2－6)中，除了a0，a1，a2，b0外，其他系數(shù)均為零，即,通常寫成,則稱它為二階系統(tǒng)。,19,當(dāng)ξ≥1時(shí)，稱它為二階慣性系統(tǒng)， 當(dāng)ξ＜1時(shí)，稱它為二階振蕩系統(tǒng)，,20,2. 瞬態(tài)響應(yīng)特性（即時(shí)域分析） (1) 一階傳感器的單位階躍響應(yīng) 一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性方程為：,（2-7）,為討論方便，設(shè)k＝1，則它的傳遞函數(shù)為,（2-8）,21,對初始狀態(tài)為零的傳感器, 當(dāng)輸入一個(gè)單位階躍信號  t ≤0 t ＞0 時(shí), 則x（t）的拉氏變換為,（2 - 9）,對它求拉式反變換得一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為,(2 - 10),其響應(yīng)曲線如下圖 2 - 7 所示。,22,圖 2－7 一階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線,由圖可見，時(shí)間常數(shù)τ越小, 響應(yīng)越快。因此, τ值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。,23,(2) 二階傳感器的單位階躍響應(yīng) 二階傳感器的微分方程為,(2-11),式中: ωn ——傳感器的固有頻率; ξ——傳感器的阻尼比。  設(shè)k＝1，則二階傳感器的傳遞函數(shù)為：,(2 -12),24,在單位階躍輸入下，傳感器輸出的拉氏變換:,(2 -13),對它求拉式反變換即可得二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線如圖 2-8 所示。 從此圖可以看出，阻尼比ξ直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)。ξ=0, 為臨界阻尼, 超調(diào)量為 100%, 產(chǎn)生等幅振蕩, 達(dá)不到穩(wěn)態(tài)。ξ 1, 為過阻尼, 無超調(diào)也無振蕩, 但達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長。ξ1, 為欠阻尼, 衰減振蕩, 達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間隨ξ的減小而加長。ξ=0.707時(shí)響應(yīng)時(shí)間最短。實(shí)際使用中ξ取值為 0.7～0.8 之間。,25,(3) 單位階躍瞬態(tài)響應(yīng)特性的主要指標(biāo) ①峰值時(shí)間tp：傳感器輸出達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間 ②延時(shí)時(shí)間td：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需時(shí)間 ③上升時(shí)間tr：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需時(shí)間 ④ 超調(diào)量σ：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。 ,26,*3. 頻率響應(yīng)特性（即頻域分析） 傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性, 稱為頻率響應(yīng)特性。 頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。  (1) 一階傳感器的頻率響應(yīng) 將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用jω代替后, 即可得頻率特性表達(dá)式, 即,(2-14),27,相頻特性,幅頻特性,(2-15),(2-16),28,從式（2 - 15 ）、 （2 - 16 ）和圖2 - 9 看出, 時(shí)間常數(shù)τ越小, 頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng)ωτ1時(shí), A(ω)≈1, Φ(ω)≈0, 表明傳感器輸出與輸入為線性關(guān)系, 且相位差也很小,輸出y(t)比較真實(shí)地反映輸入x(t)的變化規(guī)律。 因此, 減小τ可改善傳感器的頻率特性。 ,29,(2) 二階傳感器的頻率響應(yīng) 二階傳感器的頻率特性表達(dá)式,,(2-18),,(2-19),幅頻特性,相頻特性,30,31,從式（2 - 18）、（2 -19）和圖 2 - 10 可見, 傳感器的頻率響應(yīng)特性好壞主要取決于傳感器的固有頻率ωn和阻尼比ξ。 當(dāng)ξ1, ωωn時(shí), A(ω)≈1, Φ(ω) ≈0, 此時(shí), 傳感器的輸出y(t)再現(xiàn)了輸入x(t)的波形。通常固有頻率ωn至少應(yīng)大于被測信號頻率ω的 3～5 倍, 即ωn≥(3～5)ω。 為了減小動(dòng)態(tài)誤差和擴(kuò)大頻率響應(yīng)范圍, 一般是提高傳感器固有頻率ωn。而固有頻率ωn與傳感器運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量m和彈性敏感元件的剛度k有關(guān), 即ωn =(k/m)1/2。增大剛度k和減小質(zhì)量m可提高固有頻率, 但剛度k增加, 會(huì)使傳感器靈敏度降低。所以在實(shí)際中, 應(yīng)綜合各種因素來確定傳感器的各個(gè)特征參數(shù),32,(3) 頻率響應(yīng)特性的主要指標(biāo) ① 通頻帶ω0.707——是指A(ω)下降到70％A(0)時(shí)所對應(yīng)的頻率范圍為傳感器通頻帶。  ② 峰值A(chǔ)m——是指幅頻特性的最大值，一般要求Am1.5A(0)。  ③ 固有頻率ωn——是二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動(dòng)態(tài)特性。 ,33,2.3 傳感器的發(fā)展方向,不斷提高傳感器的性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。 開發(fā)新型傳感器。它主要有兩層含義：一是發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象。二是開發(fā)新材料。 采用微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)與傳感器相結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測試系統(tǒng)。 傳感器的集成化和智能化。 開發(fā)仿生傳感器。,34,小結(jié) 1、傳感器的組成及分類 2、傳感器的靜態(tài)特性及性能指標(biāo) 3、傳感器的動(dòng)態(tài)特性及性能指標(biāo) 作業(yè)：P39 2-1, 2-2 , 2-3 , 2-5,35,,課間休息,36,為了說明傳感器的動(dòng)態(tài)特性, 下面簡要介紹動(dòng)態(tài)測溫的問題。 在被測溫度隨時(shí)間變化或傳感器突然插入被測介質(zhì)中以及傳感器以掃描方式測量某溫度場的溫度分布等情況下, 都存在動(dòng)態(tài)測溫問題。如把一支熱電偶從溫度為t0 ℃環(huán)境中迅速插入一個(gè)溫度為t℃的恒溫水槽中（插入時(shí)間忽略不計(jì)）, 這時(shí)熱電偶測量的介質(zhì)溫度從t0突然上升到t, 而熱電偶反映出來的溫度從t0℃變化到t ℃需要經(jīng)歷一段時(shí)間, 即有一段過渡過程, 如圖 2 - 6 所示。熱電偶反映出來的溫度與介質(zhì)溫度的差值就稱為動(dòng)態(tài)誤差。,37,38,造成熱電偶輸出波形失真和產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因, 是因?yàn)闇囟葌鞲衅饔袩釕T性（由傳感器的比熱容和質(zhì)量大小決定）和傳熱熱阻, 使得在動(dòng)態(tài)測溫時(shí)傳感器輸出總是滯后于被測介質(zhì)的溫度變化。如帶有套管的熱電偶的熱慣性要比裸熱電偶大得多。 這種熱慣性是熱電偶固有的, 這種熱慣性決定了熱電偶測量快速溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。影響動(dòng)態(tài)特性的“固有因素”任何傳感器都有, 只不過它們的表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。  動(dòng)態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外, 還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說,我們在研究傳感器動(dòng)特性時(shí), 通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來考察傳感器的響應(yīng),39,雖然傳感器的種類和形式很多, 但它們一般可以簡化為一階或二階系統(tǒng)（高階可以分解成若干個(gè)低階環(huán)節(jié)）, 因此一階和二階傳感器是最基本的。 傳感器的輸入量隨時(shí)間變化的規(guī)律是各種各樣的, 下面在對傳感器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析時(shí)，采用最典型、最簡單、易實(shí)現(xiàn)的正弦信號和階躍信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號。 對于正弦輸入信號, 傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；對于階躍輸入信號, 則稱為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。,40,41,