傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用 第1-3章

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1、傳感檢測技術(shù)傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用及其應(yīng)用鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電一體化研究所劉武發(fā) Tuesday,January 16,2024本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容1.1.傳感檢測技術(shù)基礎(chǔ)傳感檢測技術(shù)基礎(chǔ)2.2.常用傳感器原理常用傳感器原理3.3.傳感器信號處理電路傳感器信號處理電路4.4.典型傳感器應(yīng)用典型傳感器應(yīng)用1/16/20242第第13章章 傳感檢測技術(shù)基礎(chǔ)傳感檢測技術(shù)基礎(chǔ)一、傳感器測技術(shù)概念一、傳感器測技術(shù)概念1.傳感檢測技術(shù)作用（意義、重要性）傳感檢測技術(shù)作用（意義、重要性）在自然界、社會生活、生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等在自然界、社會生活、生產(chǎn)實(shí)踐、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等活動中，存在各種各樣的量，需

2、要知道他們的存在活動中，存在各種各樣的量，需要知道他們的存在和大小。有些量大到能夠被人們感知，有些量較小，和大小。有些量大到能夠被人們感知，有些量較小，不能被人們感知。要測出人們感興趣量的大小，就不能被人們感知。要測出人們感興趣量的大小，就要用到對這些量敏感的傳感器，信號處理（調(diào)理）要用到對這些量敏感的傳感器，信號處理（調(diào)理）電路，檢測技術(shù)等電路，檢測技術(shù)等1/16/202432.2.傳感器的概念傳感器的概念傳感器是人體五官傳感器是人體五官耳、眼、鼻、舌、皮膚的耳、眼、鼻、舌、皮膚的工程模擬物。工程模擬物。傳感器廣義概念傳感器廣義概念是一種以一定的精確度將被測量轉(zhuǎn)是一種以一定的精確度將被測量轉(zhuǎn)

3、換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理 和測量和測量的某種物理量的測量部件或裝置。的某種物理量的測量部件或裝置。傳感器狹義概念傳感器狹義概念是能把外界非電信號轉(zhuǎn)換為電信號是能把外界非電信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件或裝置。輸出的器件或裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器的隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器的“可用信號可用信號”內(nèi)涵內(nèi)涵也會隨之改變，如人們跨入光子時(shí)代，也會隨之改變，如人們跨入光子時(shí)代，光信號光信號將成將成為更便于快速、高效處理與傳輸?shù)臑楦阌诳焖?、高效處理與傳輸?shù)摹翱捎眯盘柨捎眯盘枴绷?。了?/16/202443.傳感器的組成傳感器的組成敏感敏感元件元件被

4、測量被測量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換元件元件基本轉(zhuǎn)基本轉(zhuǎn)換電路換電路電量電量電路參數(shù)電路參數(shù)物理量物理量例如：懸臂梁加速度傳感器例如：懸臂梁加速度傳感器1/16/20245敏感元件：懸臂梁把加速度轉(zhuǎn)化為懸臂梁的應(yīng)變敏感元件：懸臂梁把加速度轉(zhuǎn)化為懸臂梁的應(yīng)變。轉(zhuǎn)換元件：電阻應(yīng)變片把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。轉(zhuǎn)換元件：電阻應(yīng)變片把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化?；巨D(zhuǎn)換電路：電橋把電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出?；巨D(zhuǎn)換電路：電橋把電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出。dV1/16/20246二、傳感器的工作機(jī)理和分類二、傳感器的工作機(jī)理和分類1.傳感器工作機(jī)理傳感器工作機(jī)理 傳感器的工作機(jī)理是基于各種物理、化學(xué)和生傳感器的工作機(jī)理是基于各種物理、化學(xué)和

5、生物效應(yīng)等，并受相應(yīng)的定律和法則支配。了解這些物效應(yīng)等，并受相應(yīng)的定律和法則支配。了解這些定律和法則有助于對傳感器本質(zhì)的理解和對新效應(yīng)定律和法則有助于對傳感器本質(zhì)的理解和對新效應(yīng)傳感器的開發(fā)。傳感器的開發(fā)。守恒定律守恒定律：包括能量、動量、電荷量等守恒定律。：包括能量、動量、電荷量等守恒定律。場的定律場的定律：如重力場、靜電場、磁場等。遵守場定：如重力場、靜電場、磁場等。遵守場定律的傳感器可稱為律的傳感器可稱為“結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器”物質(zhì)定律物質(zhì)定律：表示物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律。遵守物：表示物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律。遵守物質(zhì)定律的傳感器稱為質(zhì)定律的傳感器稱為“物性型傳感器物性型傳感器”1/1

6、6/20247統(tǒng)計(jì)法則統(tǒng)計(jì)法則：把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的法則。：把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的法則。2.2.傳感器的分類傳感器的分類按被測量分類按被測量分類 該分類法該分類法明確了傳感器的用途，便于使用者選明確了傳感器的用途，便于使用者選擇傳感器，如位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器、擇傳感器，如位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、速度傳感器等。壓力傳感器、流量傳感器、速度傳感器等。按工作原理分類按工作原理分類 該分類法清楚地該分類法清楚地 表明了傳感器的工作原理，有表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，如利于傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，如電阻式、電感式、電容式、

7、電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式傳感器等。壓電式、磁電式傳感器等。1/16/20248按工作機(jī)理分類按工作機(jī)理分類 物性型物性型：依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變：依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信號變換。如壓阻式傳感器、壓電式傳感器化實(shí)現(xiàn)信號變換。如壓阻式傳感器、壓電式傳感器等。等。結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。如電容式、電感式傳感器等。換。如電容式、電感式傳感器等。按基本效應(yīng)分類按基本效應(yīng)分類 物理型物理型：利用某些變換元件的物理性質(zhì)或某些功利用某些變換元件的物理性質(zhì)或某些功能材料的特殊性能制成的傳感器。如能材料的特殊

8、性能制成的傳感器。如PN溫度傳感器。溫度傳感器。1/16/20249 化學(xué)型化學(xué)型：利用電化學(xué)反應(yīng)原理把有機(jī)和無機(jī)的化：利用電化學(xué)反應(yīng)原理把有機(jī)和無機(jī)的化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器 。如。如接觸燃燒氣敏傳感器等。接觸燃燒氣敏傳感器等。生物型生物型：利用生物功能物質(zhì)作識別器件制成的傳利用生物功能物質(zhì)作識別器件制成的傳感器。如酸度計(jì)傳感器等。感器。如酸度計(jì)傳感器等。按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類 能量轉(zhuǎn)換型（無源型、發(fā)電型或主動型傳感器）能量轉(zhuǎn)換型（無源型、發(fā)電型或主動型傳感器）不需要外加電源而將被測量轉(zhuǎn)化為電量輸出，但其不需要外加電源而

9、將被測量轉(zhuǎn)化為電量輸出，但其負(fù)載能力有限，應(yīng)用時(shí)需要注意。如熱電偶、壓電負(fù)載能力有限，應(yīng)用時(shí)需要注意。如熱電偶、壓電式傳感器等。式傳感器等。能量控制型（有源型、被動型傳感器）能量控制型（有源型、被動型傳感器）1/16/202410 需要外加電源才能將被測信號轉(zhuǎn)化為電量，能量控需要外加電源才能將被測信號轉(zhuǎn)化為電量，能量控制型傳感器本身參數(shù)的改變（如電阻、電容、電感）制型傳感器本身參數(shù)的改變（如電阻、電容、電感）不起換能作用。不起換能作用。按輸出信號的形式分類按輸出信號的形式分類 模擬式模擬式：傳感器輸出模擬信號。大多傳感器如此：傳感器輸出模擬信號。大多傳感器如此 數(shù)字式數(shù)字式：傳感器輸出數(shù)字信號

10、。如編碼器式傳感：傳感器輸出數(shù)字信號。如編碼器式傳感器。器。工程習(xí)慣工程習(xí)慣上常根據(jù)工作原理和被測量命名傳感上常根據(jù)工作原理和被測量命名傳感器，電感式位移傳感器，電容式加速度傳感器等。器，電感式位移傳感器，電容式加速度傳感器等。1/16/202411三、傳感器數(shù)學(xué)模型（描述方法）三、傳感器數(shù)學(xué)模型（描述方法）傳感器作為感受被測量信息的器件，總希望它傳感器作為感受被測量信息的器件，總希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用信號，因此，需要研究能按照一定的規(guī)律輸出有用信號，因此，需要研究其輸出其輸出-輸入關(guān)系及特性。最有效的描述方法是傳感輸入關(guān)系及特性。最有效的描述方法是傳感器的數(shù)學(xué)模型。器的數(shù)學(xué)模型。由于

11、傳感器可以測量由于傳感器可以測量時(shí)不變信號時(shí)不變信號和和時(shí)變信號時(shí)變信號，所以應(yīng)該以帶隨機(jī)變量的非線性微分方程作為數(shù)學(xué)所以應(yīng)該以帶隨機(jī)變量的非線性微分方程作為數(shù)學(xué)模型。這樣在數(shù)學(xué)上有困難，所以，實(shí)際上把傳感模型。這樣在數(shù)學(xué)上有困難，所以，實(shí)際上把傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性分開考慮，從而有器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性分開考慮，從而有靜態(tài)模靜態(tài)模型型和和動態(tài)模型動態(tài)模型。1/16/2024121.1.靜態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 指在靜態(tài)信號作用下（即輸入量對時(shí)間指在靜態(tài)信號作用下（即輸入量對時(shí)間t t的各階導(dǎo)的各階導(dǎo)數(shù)等于數(shù)等于0 0）得到的數(shù)學(xué)模型。其靜態(tài)數(shù)學(xué)模型為）得到的數(shù)學(xué)模型。其靜態(tài)數(shù)學(xué)模型為1/

12、16/202413(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)表示輸出與輸入量之間的關(guān)系曲線稱為表示輸出與輸入量之間的關(guān)系曲線稱為特性曲線特性曲線1/16/2024142.2.動態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)數(shù)學(xué)模型 傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是指傳感器在受到時(shí)變傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是指傳感器在受到時(shí)變輸入量作用時(shí)，其輸出輸入之間的關(guān)系，通常稱輸入量作用時(shí)，其輸出輸入之間的關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。為響應(yīng)特性。有些傳感器雖然有良好的靜態(tài)特性，但由于傳有些傳感器雖然有良好的靜態(tài)特性，但由于傳感器總存在著彈性、慣性、阻尼等因素，使傳感器感器總存在著彈性、慣性、阻尼等因素，使傳感器的輸出量不僅與輸入量有關(guān)，而且還與輸入

13、量的變的輸出量不僅與輸入量有關(guān)，而且還與輸入量的變化速度等有關(guān)，所以將導(dǎo)致嚴(yán)重的動態(tài)誤差，這就化速度等有關(guān)，所以將導(dǎo)致嚴(yán)重的動態(tài)誤差，這就必須認(rèn)真研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，為此建立的必須認(rèn)真研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，為此建立的數(shù)學(xué)模型稱為動態(tài)模型。常用的動態(tài)方程有：數(shù)學(xué)模型稱為動態(tài)模型。常用的動態(tài)方程有：微分微分方程方程、傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)。1/16/202415（1 1）微分方程微分方程（時(shí)域內(nèi)）（時(shí)域內(nèi)）優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：通過解微分方程易于分清暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響通過解微分方程易于分清暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。通解僅與傳感器本身特性及初始條件有關(guān)；特應(yīng)。通解僅與傳感器本身特性及初始條

14、件有關(guān)；特解不僅與傳感器的特性有關(guān)，而且還與輸入量有關(guān)。解不僅與傳感器的特性有關(guān)，而且還與輸入量有關(guān)。缺點(diǎn)：求解麻煩，尤其是通過增減環(huán)節(jié)來改善傳感缺點(diǎn)：求解麻煩，尤其是通過增減環(huán)節(jié)來改善傳感器的特性時(shí)顯得更不方便。器的特性時(shí)顯得更不方便。1/16/202416（2 2）傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)（復(fù)數(shù)域內(nèi)）（復(fù)數(shù)域內(nèi)）在數(shù)學(xué)上，如果運(yùn)用拉普拉斯變換將時(shí)域的數(shù)學(xué)在數(shù)學(xué)上，如果運(yùn)用拉普拉斯變換將時(shí)域的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型，就得到傳遞函數(shù)。模型轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型，就得到傳遞函數(shù)。上述微分方程在初始條件為零時(shí)，輸出上述微分方程在初始條件為零時(shí)，輸出y(t)拉氏拉氏變換變換Y(S)和輸入和輸入x(t

15、)的拉氏變換的拉氏變換X(S)之比，即為傳遞之比，即為傳遞函數(shù)函數(shù)G(S)。其中其中 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)G(S)G(S)用于描述系統(tǒng)本身固有的特性，用于描述系統(tǒng)本身固有的特性，而與輸入量無關(guān)。而與輸入量無關(guān)。1/16/202417（3 3）頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)（頻域內(nèi)）（頻域內(nèi)）對于傳感器或系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：初始條件為對于傳感器或系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)函數(shù)為：初始條件為零時(shí)，輸出的傅立葉變換和輸入的傅里葉變換之比，零時(shí)，輸出的傅立葉變換和輸入的傅里葉變換之比，即即如將如將 G(G(jj)的實(shí)部和虛部分開，則有的實(shí)部和虛部分開，則有 G(G(jj)=P(P()+)+j jQ(Q()其中，其中，

16、P(P()和和 Q(Q()都是都是的實(shí)函數(shù)，以頻率的實(shí)函數(shù)，以頻率為為橫坐標(biāo)，以橫坐標(biāo)，以P(P()和和Q(Q()為縱坐標(biāo)所繪的圖形分別稱為縱坐標(biāo)所繪的圖形分別稱為系統(tǒng)的實(shí)頻特性圖與虛頻特性圖。為系統(tǒng)的實(shí)頻特性圖與虛頻特性圖。又若將又若將G(G(jj)寫成寫成 G(jG(j)=)=A()eA()ej(j()其中其中 1/16/202418分別稱為幅頻特性和相頻特性。分別稱為幅頻特性和相頻特性。四、傳感器的特性分析四、傳感器的特性分析 傳感器的特性主要是指其輸出與輸入之間的傳感器的特性主要是指其輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜特性和動特性之分。關(guān)系，有靜特性和動特性之分。1.1.傳感器的靜特性傳感器的

17、靜特性 靜特性是指傳感器在輸入量的各個(gè)值處于穩(wěn)靜特性是指傳感器在輸入量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入關(guān)系，即當(dāng)輸入量是常量或定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入關(guān)系，即當(dāng)輸入量是常量或變化極慢時(shí)，輸出與輸入的關(guān)系。變化極慢時(shí)，輸出與輸入的關(guān)系。1/16/202419 衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有線性度、衡量傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有線性度、重復(fù)性、遲滯、靈敏度、分辨力、閾值、穩(wěn)定性、重復(fù)性、遲滯、靈敏度、分辨力、閾值、穩(wěn)定性、漂移、精確度等。漂移、精確度等。（1 1）線性度線性度 標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。若在標(biāo)稱（全量程）輸出范圍若在標(biāo)

18、稱（全量程）輸出范圍A A內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬合直線的最大偏差為合直線的最大偏差為B B，則定義非線性度為，則定義非線性度為 線性度線性度=(B/A)100%=(B/A)100%線性度圖線性度圖 擬合直線（擬合直線（理論直線法、端點(diǎn)理論直線法、端點(diǎn)平移法、端點(diǎn)線法、最小二乘平移法、端點(diǎn)線法、最小二乘法法），該如何確定，目前國內(nèi)），該如何確定，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。較常用的外尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。較常用的是最小二乘法是最小二乘法 。1/16/202420（2 2）遲滯遲滯 傳感器在正傳感器在正(輸入量增大輸入量增大)反反(輸入量減小輸入量減小)行行程中輸出輸入曲線不重合程度稱為遲滯

19、。程中輸出輸入曲線不重合程度稱為遲滯。遲滯誤遲滯誤差一般以正反行程中輸出的最大偏差量與滿量程差一般以正反行程中輸出的最大偏差量與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，即輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，即 遲滯特性遲滯特性遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定。遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方法確定。1/16/202421（3 3）重復(fù)性重復(fù)性 指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時(shí)所得的特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差變動時(shí)所得的特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差常用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示。常用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示。正行程的最大重復(fù)性偏差正行程的最大重復(fù)性偏差為為R Rmax1max1，反

20、行程的最大重復(fù)，反行程的最大重復(fù)性偏差為性偏差為R Rmax2max2。重復(fù)性誤差。重復(fù)性誤差取這兩個(gè)最大偏差之中較大者取這兩個(gè)最大偏差之中較大者為為R Rmaxmax，與滿量程輸出之比，與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，即的百分?jǐn)?shù)表示，即 1/16/202422（4 4）靈敏度靈敏度 傳感器輸出的變化量與引起此變化量的輸入變傳感器輸出的變化量與引起此變化量的輸入變化量之比即為其靈敏度。靈敏度表示傳感器對被測化量之比即為其靈敏度。靈敏度表示傳感器對被測變化量的反應(yīng)能力。線性傳感器的靈敏度就是擬合變化量的反應(yīng)能力。線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即直線的斜率，即非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，可

21、表示為非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，可表示為1/16/202423（5 5）分辨力與閾值分辨力與閾值 分辨力分辨力是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出被測輸入量的最小變化值。有時(shí)對該值用相對滿出被測輸入量的最小變化值。有時(shí)對該值用相對滿量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示，則稱為量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示，則稱為分辨率分辨率。閾值閾值是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。小被測輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。有些傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成有些傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成所謂所謂“死區(qū)死區(qū)”，則

22、將該，則將該“死區(qū)死區(qū)”的大小作為閾值。的大小作為閾值。1/16/202424（6 6）穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在長時(shí)間內(nèi)又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在長時(shí)間內(nèi)保持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)保持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過規(guī)定時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的過規(guī)定時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來表示，有時(shí)也用標(biāo)定的有效期來輸出之間的差異來表示，有時(shí)也用標(biāo)定的有效期來表示。表示。（7 7）漂移漂移 漂移漂移是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移

23、常在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移常包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。1/16/202425 零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移時(shí)間漂移和和溫溫度漂移。時(shí)漂度漂移。時(shí)漂是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間有緩慢的變化；隨時(shí)間有緩慢的變化；溫漂溫漂是指由周圍溫度變化所是指由周圍溫度變化所引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。（8 8）靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差(精確度精確度)靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。是系統(tǒng)誤差與隨出值

24、與其理論輸出值的偏離程度。是系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差綜合影響程度的評價(jià)指標(biāo)。機(jī)誤差綜合影響程度的評價(jià)指標(biāo)。靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值的殘差，看成是隨機(jī)分布，求出擬合直線上對應(yīng)值的殘差，看成是隨機(jī)分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，即其標(biāo)準(zhǔn)偏差，即1/16/202426取取22或或33值即為傳感器的靜態(tài)誤差。值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，它基本上包含了靜態(tài)誤差是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，它基本上包含了前述的非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差等。所以前述的非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差等。所以也可以把這幾個(gè)單項(xiàng)誤差綜合而得，即也可以把這幾

25、個(gè)單項(xiàng)誤差綜合而得，即2.2.傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性 動態(tài)特性是指傳感器對隨時(shí)間變化的輸入量的動態(tài)特性是指傳感器對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的動態(tài)特性取決于傳感器本身及響應(yīng)特性。傳感器的動態(tài)特性取決于傳感器本身及輸入信號的形式。輸入信號的形式。1/16/202427 因此，工程上常采用正弦函數(shù)和單位階躍函數(shù)因此，工程上常采用正弦函數(shù)和單位階躍函數(shù)作為作為“標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)”信號函數(shù)，對傳感器的動態(tài)特性進(jìn)行信號函數(shù)，對傳感器的動態(tài)特性進(jìn)行分析，從而確定評價(jià)傳感器動態(tài)特性的指標(biāo)。分析，從而確定評價(jià)傳感器動態(tài)特性的指標(biāo)。（1 1）頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)為傳感器的頻

26、率響應(yīng)函數(shù)為 對系統(tǒng)輸入正弦激勵(lì)信號對系統(tǒng)輸入正弦激勵(lì)信號x(xx(x)=Asin(2ft)=Asin(2ft)，在系統(tǒng)，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測量輸出和輸入的達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測量輸出和輸入的幅值比和相位差。幅值比和相位差。這樣可這樣可以得到頻率以得到頻率f f下系統(tǒng)的傳輸特性。從系統(tǒng)的最低測量頻率下系統(tǒng)的傳輸特性。從系統(tǒng)的最低測量頻率fminfmin到系統(tǒng)的最高測量頻率到系統(tǒng)的最高測量頻率fmaxfmax，按一定的增量方式逐步，按一定的增量方式逐步增加正弦激勵(lì)信號頻率增加正弦激勵(lì)信號頻率f f，記錄各頻率對應(yīng)的幅值比和相位，記錄各頻率對應(yīng)的幅值比和相位差，繪制在圖上就可以得到系統(tǒng)的幅頻和相頻特性曲線

27、。差，繪制在圖上就可以得到系統(tǒng)的幅頻和相頻特性曲線。1/16/202428（2 2）階躍響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性 對一階系統(tǒng)來說，對系統(tǒng)輸入對一階系統(tǒng)來說，對系統(tǒng)輸入階躍信號，階躍信號，測得測得系統(tǒng)的響應(yīng)信號。取系統(tǒng)輸出值達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)值的系統(tǒng)的響應(yīng)信號。取系統(tǒng)輸出值達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)值的63%63%所經(jīng)過的時(shí)間作為時(shí)間常數(shù)所經(jīng)過的時(shí)間作為時(shí)間常數(shù) 。對二階系統(tǒng)來說，對系統(tǒng)輸入階躍信號，測得對二階系統(tǒng)來說，對系統(tǒng)輸入階躍信號，測得系統(tǒng)的響應(yīng)信號。從而可以測出系統(tǒng)的動態(tài)特性參系統(tǒng)的響應(yīng)信號。從而可以測出系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)。數(shù)。1/16/202429五、傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)五、傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)1.1.傳感器的

28、標(biāo)定傳感器的標(biāo)定 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，其輸出與輸入的關(guān)系并傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，其輸出與輸入的關(guān)系并不知道，只有通過標(biāo)定才能獲得。不知道，只有通過標(biāo)定才能獲得。利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量（標(biāo)準(zhǔn)），或利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量（標(biāo)準(zhǔn)），或用基準(zhǔn)量來確定傳感器電輸出與非電量輸入關(guān)系的用基準(zhǔn)量來確定傳感器電輸出與非電量輸入關(guān)系的過程，稱為標(biāo)定。過程，稱為標(biāo)定。（1 1）標(biāo)定設(shè)備）標(biāo)定設(shè)備 標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、輸出信號測試儀器。標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、輸出信號測試儀器。1/16/202430（2）靜態(tài)標(biāo)定）靜態(tài)標(biāo)定 輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測出傳感器的輸出，給出輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測出傳感器的輸出，給出標(biāo)定曲線、標(biāo)

29、定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算出傳感器標(biāo)定曲線、標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算出傳感器（系統(tǒng)）的靜態(tài)特性。（系統(tǒng)）的靜態(tài)特性。（3 3）動態(tài)標(biāo)定）動態(tài)標(biāo)定 用于確定傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。用于確定傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)。2.2.傳感器的校準(zhǔn)傳感器的校準(zhǔn) 傳感器需要定期檢測其基本性能參數(shù)，以判定傳感器需要定期檢測其基本性能參數(shù)，以判定其是否可以繼續(xù)使用。若能繼續(xù)使用，則應(yīng)對其變其是否可以繼續(xù)使用。若能繼續(xù)使用，則應(yīng)對其變化的主要指標(biāo)進(jìn)行修正。確定傳感器的測量精度的化的主要指標(biāo)進(jìn)行修正。確定傳感器的測量精度的過程，稱之為傳感器的校準(zhǔn)。過程，稱之為傳感器的校準(zhǔn)。1/16/202431 六、改善傳感器性能的主要技術(shù)途徑

30、六、改善傳感器性能的主要技術(shù)途徑 傳感器性能指標(biāo)多方面，企圖要求各指標(biāo)都傳感器性能指標(biāo)多方面，企圖要求各指標(biāo)都很高，不論是設(shè)計(jì)或是制造都很困難，實(shí)際也沒很高，不論是設(shè)計(jì)或是制造都很困難，實(shí)際也沒有必要。在應(yīng)用時(shí)，可以確保主要性能指標(biāo)，放有必要。在應(yīng)用時(shí)，可以確保主要性能指標(biāo)，放寬次要性能指標(biāo)，以提高傳感器的性價(jià)比。同時(shí)，寬次要性能指標(biāo)，以提高傳感器的性價(jià)比。同時(shí)，在設(shè)計(jì)和使用傳感器時(shí)，還可以采取一些技術(shù)措在設(shè)計(jì)和使用傳感器時(shí)，還可以采取一些技術(shù)措施改善傳感器的性能。主要有：施改善傳感器的性能。主要有：1.1.差動技術(shù)差動技術(shù) 設(shè)有一傳感器，其靜態(tài)數(shù)學(xué)模型為設(shè)有一傳感器，其靜態(tài)數(shù)學(xué)模型為用另一相

31、同的傳感器，但使其輸入量符號相反，則用另一相同的傳感器，但使其輸入量符號相反，則1/16/202432它的輸出為它的輸出為二者相減得二者相減得于是，有于是，有 消除了零位輸出；消除了零位輸出；消除了偶次非線性項(xiàng)，得到對稱于原點(diǎn)的相當(dāng)寬消除了偶次非線性項(xiàng)，得到對稱于原點(diǎn)的相當(dāng)寬的近似線性范圍，減小了非線性；的近似線性范圍，減小了非線性；靈敏度提高了一倍；靈敏度提高了一倍；抵消了共模誤差。抵消了共模誤差。以上即為差動技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于電阻式、電以上即為差動技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于電阻式、電感式、電容式傳感器中。感式、電容式傳感器中。1/16/2024332.2.平均技術(shù)平均技術(shù) 常用的平均技術(shù)主要有

32、誤差平均效應(yīng)和數(shù)據(jù)平常用的平均技術(shù)主要有誤差平均效應(yīng)和數(shù)據(jù)平均處理。均處理。誤差平均效應(yīng)原理誤差平均效應(yīng)原理：利用：利用n傳感器單元同時(shí)感傳感器單元同時(shí)感受被測量，因而其輸出將是這些單元輸出的總和。受被測量，因而其輸出將是這些單元輸出的總和。假設(shè)每個(gè)單元帶來的隨機(jī)誤差為假設(shè)每個(gè)單元帶來的隨機(jī)誤差為0，根據(jù)誤差理論，根據(jù)誤差理論，總的誤差將為總的誤差將為 誤差平均效應(yīng)在柵狀傳感器（光柵、感應(yīng)同步誤差平均效應(yīng)在柵狀傳感器（光柵、感應(yīng)同步器、磁柵、容柵）得到廣泛應(yīng)用。器、磁柵、容柵）得到廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)平均處理數(shù)據(jù)平均處理：在相同的條件下進(jìn)行：在相同的條件下進(jìn)行n次重復(fù)次重復(fù)測量或測量或n次采樣，然后

33、進(jìn)行數(shù)據(jù)平均處理，隨機(jī)誤次采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均處理，隨機(jī)誤差也將減小為差也將減小為1/16/2024343.穩(wěn)定性技術(shù)穩(wěn)定性技術(shù) 4.屏蔽、隔離與干擾抑制技術(shù)屏蔽、隔離與干擾抑制技術(shù)5.補(bǔ)償校正技術(shù)補(bǔ)償校正技術(shù)6.集成化與智能化技術(shù)集成化與智能化技術(shù)7.合理選擇傳感器合理選擇傳感器七、傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢七、傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢1.開發(fā)新型傳感器開發(fā)新型傳感器2.傳感器的集成化傳感器的集成化3.傳感器的多功能化傳感器的多功能化4.傳感器的智能化傳感器的智能化5.開發(fā)仿生傳感器開發(fā)仿生傳感器6.開發(fā)網(wǎng)絡(luò)傳感器開發(fā)網(wǎng)絡(luò)傳感器1/16/202435八、非電量的電測系統(tǒng)八、非電量的電測系統(tǒng) 一般說來，非

34、電量檢測系統(tǒng)由傳感器、中間變一般說來，非電量檢測系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。傳感器：傳感器：中間轉(zhuǎn)換裝置：信號放大、調(diào)制與解調(diào)、濾波等中間轉(zhuǎn)換裝置：信號放大、調(diào)制與解調(diào)、濾波等顯示記錄等：顯示記錄等：1/16/202436思考題思考題1.1.列出你身邊傳感器的例子。列出你身邊傳感器的例子。2.2.查資料（圖書或網(wǎng)上），給出一個(gè)傳感器靜態(tài)標(biāo)定查資料（圖書或網(wǎng)上），給出一個(gè)傳感器靜態(tài)標(biāo)定的例子。的例子。3.3.查資料（圖書或網(wǎng)上），找出一些符合傳感器發(fā)展查資料（圖書或網(wǎng)上），找出一些符合傳感器發(fā)展趨勢的傳感器例子。趨勢的傳感器例子。1/16/202437