1、第第1 1章章 傳感器概述傳感器概述第第1 1節(jié)節(jié) 傳感器的地位和作用傳感器的地位和作用第第2 2節(jié)節(jié) 傳感器的定義傳感器的定義第第3 3節(jié)節(jié) 傳感器的組成傳感器的組成第第4 4節(jié)節(jié) 傳感器的分類傳感器的分類第第5 5節(jié)節(jié) 傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢第第6 6節(jié)節(jié) 傳感器的特性傳感器的特性 第第7 7節(jié)節(jié) 傳感器的選用原則傳感器的選用原則 檢測技術作為信息科學的一個重要分支，與檢測技術作為信息科學的一個重要分支，與計算機計算機技術、自動控制技術和通信技術等一起構成了信息技術技術、自動控制技術和通信技術等一起構成了信息技術的完整學科。的完整學科。在人類進入信息時代的今天，人們的一切在人類進

2、入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉換為中心，社會活動都是以信息獲取與信息轉換為中心，傳感器作傳感器作為信息獲取與信息轉換的重要手段，是信息科學最前端為信息獲取與信息轉換的重要手段，是信息科學最前端的一個陣地，是實現(xiàn)信息化的基礎技術之一。的一個陣地，是實現(xiàn)信息化的基礎技術之一。第第1 1章章 傳感器概述傳感器概述 “沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為全世的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，樣，源源不斷地向人類提供

3、宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有利工具。成為人們認識自然、改造自然的有利工具。第1節(jié) 傳感器的地位和作用傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎。 傳感器是邊緣學科開發(fā)的先驅。傳感器是邊緣學科開發(fā)的先驅。 可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步等方面起可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步等方面起著重要作用。著重要作用。 傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、傳感器已滲透到諸如工業(yè)

4、生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。各樣的傳感器。第2節(jié) 傳感器的定義 國家標準（國家標準（GB7665-87GB7665-87）中傳感器（）中傳感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）的定義：的定義： 能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用

5、輸能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。出信號的器件或裝置。傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；光、電物理量，主要是電物理量；輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。 傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭。傳感器名

6、稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭。 傳感器功用：一感二傳傳感器功用：一感二傳, ,即感受被測信息即感受被測信息, ,并傳送出去。并傳送出去。第3節(jié) 傳感器的組成 輔助電源輔助電源敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件轉換電路轉換電路被測量被測量電量電量 敏感元件：敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。確定關系的某一物理量的元件。 轉換元件轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參量。入轉換成電路參量。 轉換電路轉換電路：將轉換元件輸出的電量變成便于顯示、記：將轉換元件輸出的

7、電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號。電路類型視轉換元件而定。錄、控制和處理的有用電信號。電路類型視轉換元件而定。 實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數(shù)實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數(shù)是是開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)。 最簡單的傳感器由一個敏感元件最簡單的傳感器由一個敏感元件( (兼轉換元件兼轉換元件) )組成，組成，它感受被測量時直接輸出電量，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。如熱電偶。 有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路，電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)

8、量塊如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m m是敏感元件，是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。壓電片（塊）是轉換元件。 有些傳感器，轉換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉有些傳感器，轉換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉換。換。第第3 3節(jié)節(jié) 傳感器的組成傳感器的組成第第4 4節(jié)節(jié) 傳感器的分類傳感器的分類 1 1、按傳感器的工作機理，分為物理型、化學型、生物型等、按傳感器的工作機理，分為物理型、化學型、生物型等 2 2、按構成原理，結構型與物性型兩大類、按構成原理，結構型與物性型兩大類 3 3、根據(jù)傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能量、根據(jù)傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能量 轉

9、換型傳感器轉換型傳感器4 4、按照物理原理分類：十種、按照物理原理分類：十種 5 5、按照傳感器的用途分類、按照傳感器的用途分類 ：位移、壓力、振動、溫度傳感器：位移、壓力、振動、溫度傳感器7 7、根據(jù)傳感器輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號、根據(jù)傳感器輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號 6 6、根據(jù)轉換過程可逆與否、根據(jù)轉換過程可逆與否 ：單向和雙向：單向和雙向8 8、根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器、根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器 1 1、結構型傳感器、結構型傳感器 是利用物理學中是利用物理學中場的定律場的定律構成的，包括動力場的運動定律，電磁構成的，包括動力場的運動定律

10、，電磁場的電磁定律等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感場的電磁定律等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數(shù)學模型。器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數(shù)學模型。 這類傳感器的特點：這類傳感器的特點：傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。 2 2、物性型傳感器、物性型傳感器 是利用是利用物質(zhì)定律物質(zhì)定律構成的構成的, ,如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示

11、物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳物性型傳感器的性能隨材料的不同而異感器的性能隨材料的不同而異。如，光電管，它利用了物質(zhì)法則中的外。如，光電管，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關系。又如，光電效應。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關系。又如，所有半導體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導體、所有半導體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境

12、變化而引起的金屬、半導體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。 結構型傳感器、物性型傳感器結構型傳感器、物性型傳感器1 1、能量控制型傳感器能量控制型傳感器 傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號。 這類傳感器必須由外部提供激勵源。如電阻、電感、電容等這類傳感器必須由外部提供激勵源。如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器。基于應變電阻效應、磁阻電路參量傳

13、感器都屬于這一類傳感器?；趹冸娮栊?、磁阻效應、熱阻效應、光電效應、霍爾效應等的傳感器也屬于此類傳效應、熱阻效應、光電效應、霍爾效應等的傳感器也屬于此類傳感器。感器。 2 2、能量轉換型傳感器、能量轉換型傳感器 又稱有源型或發(fā)生器型，又稱有源型或發(fā)生器型，傳感器將從被測對象獲取的信息能傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉換成輸出信號能量量直接轉換成輸出信號能量。 主要由能量變換元件構成，它不需要外電源。主要由能量變換元件構成，它不需要外電源。如基于壓電效如基于壓電效應、熱電效應、光電動勢效應等的傳感器都屬于此類傳感器。應、熱電效應、光電動勢效應等的傳感器都屬于此類傳感器。 能量控制型傳感

14、器、能量轉換型傳感器能量控制型傳感器、能量轉換型傳感器電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等； 磁電式傳感器：磁電感應式、霍爾式、磁柵式等；磁電式傳感器：磁電感應式、霍爾式、磁柵式等； 壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器；壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器； 光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光光 導纖維式、紅外式、攝像式等；導纖維式、紅外式、攝像式等；氣電式傳感器：電位器式、應變式；氣電式傳感器：電位器式、應變式； 熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；熱電式傳感器：熱電偶、

15、熱電阻； 波式傳感器：超聲波式、微波式等；波式傳感器：超聲波式、微波式等；射線式傳感器：熱輻射式、射線式傳感器：熱輻射式、射線式射線式；半導體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；半導體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。 有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復合形式有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復合形式, ,如不少如不少半導體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。半導體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。 按照物理原理分類1 1差動技術差動技術 差動技術是傳感器中普遍采用的技術。它的應差動技術是傳感器中普遍采用的技術。它的

16、應用可顯著地減小用可顯著地減小溫度變化溫度變化、電源波動電源波動、外界干擾外界干擾等等對傳感器精度的影響，抵消了對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差共模誤差，減小，減小非線非線性誤差性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術，還可等。不少傳感器由于采用了差動技術，還可使使靈敏度增大靈敏度增大。一、改善傳感器的性能的技術途徑一、改善傳感器的性能的技術途徑 2 2平均技術平均技術 在傳感器中普遍采用平均技術可產(chǎn)生平均效應，在傳感器中普遍采用平均技術可產(chǎn)生平均效應，其其原理是原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶出則

17、是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為差理論，總的誤差將減小為= =/n/n式中式中 nn傳感單元數(shù)。傳感單元數(shù)。 可見，在傳感器中利用平均技術不僅可使傳感器誤差可見，在傳感器中利用平均技術不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。一、改善傳感器的性能的技術途徑一、改善傳感器的性能的技術途徑3 3補償與修正技術補償與修正技術 對于對于傳感器特性傳感器特性，找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大，找出誤差的變化規(guī)律，或者測出

18、其大小和方向，采用適當?shù)姆椒右匝a償或修正。小和方向，采用適當?shù)姆椒右匝a償或修正。 針對針對傳感器工作條件或外界環(huán)境傳感器工作條件或外界環(huán)境進行誤差補償，也是提高進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度傳感器精度的有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應找出溫度對傳感器內(nèi)引入溫度誤差補

19、償又常常是可行的。這時應找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補償措施。測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補償措施。 補償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以補償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以采用微型計算機通過軟件來實現(xiàn)。采用微型計算機通過軟件來實現(xiàn)。一、改善傳感器的性能的技術途徑一、改善傳感器的性能的技術途徑4 4屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽、隔離與干擾抑制 傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預料的，傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關性能。有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器

20、的精度與各有關性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界因素為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法有：對傳感器的影響。其方法有：u 減小傳感器對影響因素的靈敏度減小傳感器對影響因素的靈敏度u 降低外界因素對傳感器實際作用的程度降低外界因素對傳感器實際作用的程度 對于電磁干擾，可以采用對于電磁干擾，可以采用屏蔽、隔離屏蔽、隔離措施，也可用措施，也可用濾波濾波等方法抑等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔

21、振等，或者在變換成為電可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，減小其影響。量后對干擾信號進行分離或抑制，減小其影響。 一、改善傳感器的性能的技術途徑一、改善傳感器的性能的技術途徑 5 5穩(wěn)定性處理穩(wěn)定性處理 在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調(diào)整在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關鍵元器件進行老化處理。元件、后續(xù)電路的關鍵元器件進行老化處理。 提高穩(wěn)定性措施：提高穩(wěn)定性措施：對材料、元器件或傳感器整體進行必要的對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時間老化、溫

22、度老化、機械老化及交流如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。 不穩(wěn)定的原因是：不穩(wěn)定的原因是：隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構成隨著時間的推移和環(huán)境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。 傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場合。合。一、改善傳感器的性能的技術途徑一、改

23、善傳感器的性能的技術途徑 傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發(fā)人們進一步傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發(fā)人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。重要途徑。 結構型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結構型傳感器發(fā)展得較早，目前日趨成熟。結構型傳感器結構型傳感器，一般，一般說它的說它的結構復雜，體積偏大，價格偏高。結構復雜，體積偏大，價格偏高。物性型傳感器大致

24、與之相反，物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。具有不少誘人的優(yōu)點，加之過去發(fā)展也不夠。世界各國都在物性型傳世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。的發(fā)展動向。 1 1開發(fā)新型傳感器開發(fā)新型傳感器 新型傳感器包括：新型傳感器包括：采用新原理；采用新原理；填補傳感器空白；填補傳感器空白；仿生傳仿生傳感器等方面。它們之間是互相聯(lián)系的。感器等方面。它們之間是互相聯(lián)系的。二、傳感器的發(fā)展動向 傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，由于材料科學的進步，傳感器材料是傳感器

25、技術的重要基礎，由于材料科學的進步，人們在制造時，可任意控制它們的成分，從而設計制造出用于各種人們在制造時，可任意控制它們的成分，從而設計制造出用于各種傳感器的功能材料。傳感器的功能材料。用復雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今用復雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。后的發(fā)展方向之一。2 2開發(fā)新材料開發(fā)新材料（1 1）半導體敏感材料）半導體敏感材料（2 2）陶瓷材料）陶瓷材料 （3 3）磁性材料）磁性材料 （4 4）智能材料）智能材料 如：半導體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工如：半導體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠高于半導體，光導纖維的應

26、用是傳感器材料的重大突破，作溫度遠高于半導體，光導纖維的應用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點。有機材料作為傳感用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國內(nèi)外學者的極大興趣。器材料的研究，引起國內(nèi)外學者的極大興趣。二、傳感器的發(fā)展動向 在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細加工技術微細加工技術。該技術又稱微機械加工技術，是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，該技術

27、又稱微機械加工技術，是近年來隨著集成電路工藝發(fā)展起來的，它是它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學刻蝕等離子束、電子束、分子束、激光束和化學刻蝕等用于微電子加工用于微電子加工的技術，目前已越來越多地用于傳感器領域。的技術，目前已越來越多地用于傳感器領域。 3 3新工藝的采用新工藝的采用 例如：例如：利用半導體技術制造出壓阻式傳感器利用半導體技術制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造利用薄膜工藝制造出快速響應的氣敏、濕敏傳感器出快速響應的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術進行高精度三維加工，在硅片上構成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，術進行高精度三維加工

28、，在硅片上構成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。制作出全硅諧振式壓力傳感器。二、傳感器的發(fā)展動向 4 4集成化、多功能化集成化、多功能化 同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個傳感元件用同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，集成工藝在同一平面上排列起來，如如CCDCCD圖像傳感器。圖像傳感器。 多功能一體化，多功能一體化，即將傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)即將傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。一體化，組裝成一個器件。 把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進行多種參把多個功能不同的傳感元

29、件集成在一起，除可同時進行多種參數(shù)的測量外，數(shù)的測量外，還可對這些參數(shù)的測量結果進行綜合處理和評價，可還可對這些參數(shù)的測量結果進行綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。 為同時測量幾種不同被測參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復合為同時測量幾種不同被測參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復合在一起，作成集成塊。在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。研制成功。二、傳感器的發(fā)展動向5 5智能化智能化 對外界信息具有對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和和自適應自適應能

30、能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機互相對話的功力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機互相對話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進行分割處理，能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進行分割處理，實現(xiàn)遠距離、高速度、高精度傳輸?shù)取崿F(xiàn)遠距離、高速度、高精度傳輸?shù)取?智能傳感器是傳感器技術與大規(guī)模集成電路技術相結合的產(chǎn)物，智能傳感器是傳感器技術與大規(guī)模集成電路技術相結合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)取決于傳感技術與半導體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這它的實現(xiàn)取決于傳感技術與半導體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用

31、方便類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。等優(yōu)點，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。 如，如，DS18B20DS18B20、傳感器測量系統(tǒng)、傳感器測量系統(tǒng)二、傳感器的發(fā)展動向傳感器特性傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關系。主要是指輸出與輸入之間的關系。 第第6 6節(jié)節(jié) 傳感器的特性傳感器的特性 傳感器輸出與輸入關系可用傳感器輸出與輸入關系可用微分方程來描述。微分方程來描述。理論理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即上，將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，即得到靜態(tài)特性。得到靜態(tài)特性。因此，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性因此

32、，傳感器的靜態(tài)特性只是動態(tài)特性的一個特例。的一個特例。 當輸入量隨時間較快地變化時，當輸入量隨時間較快地變化時，這一關系稱為動態(tài)這一關系稱為動態(tài)特性。特性。 當輸入量為常量，或變化極慢時，當輸入量為常量，或變化極慢時，這一關系稱為這一關系稱為靜態(tài)特性；靜態(tài)特性；思考題思考題1 1、傳感器是由哪幾部分組成的？、傳感器是由哪幾部分組成的？2 2、傳感器技術的發(fā)展趨勢有哪些？、傳感器技術的發(fā)展趨勢有哪些？3 3、改善傳感器性能的技術途徑有哪些、改善傳感器性能的技術途徑有哪些? ?4 4、什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能、什么是傳感器的靜態(tài)特性？它有哪些性能 指標？分別說明這些性能指標的含義？指標

33、？分別說明這些性能指標的含義？ 傳感器特性傳感器特性-主要是指輸出與輸入之間的關系。有主要是指輸出與輸入之間的關系。有靜態(tài)特性靜態(tài)特性和和動態(tài)特性動態(tài)特性 傳感器的輸出與輸入具有確定的對應關系最好傳感器的輸出與輸入具有確定的對應關系最好呈線性關系。呈線性關系。但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關系，同時由于但一般情況下，輸出輸入不會符合所要求的線性關系，同時由于存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的存在遲滯、蠕變、摩擦、間隙和松動等各種因素以及外界條件的影響，使輸出輸入對應關系的唯一確定性也不能實現(xiàn)?？紤]了這影響，使輸出輸入對應關系的唯一確定性也不能實現(xiàn)。考慮了這些情

34、況之后，些情況之后，傳感器的輸出輸入作用圖大致如圖所示。傳感器的輸出輸入作用圖大致如圖所示。 傳感器除了描述輸出輸入關系的特性之外，還有與傳感器除了描述輸出輸入關系的特性之外，還有與使用條件、使用條件、使用環(huán)境、使用要求等使用環(huán)境、使用要求等有關的特性。有關的特性。第第6 6節(jié)節(jié) 傳感器的特性傳感器的特性 穩(wěn)定性穩(wěn)定性(零漂零漂)傳感器傳感器溫度溫度供電供電各種干擾穩(wěn)定性各種干擾穩(wěn)定性溫漂溫漂分辨力分辨力沖擊與振動沖擊與振動電磁場電磁場線性線性滯后滯后重復性重復性靈敏度靈敏度輸入輸入誤差因素誤差因素外界影響外界影響 傳感器輸入輸出作用圖傳感器輸入輸出作用圖輸出輸出取決于傳感器本身，可通過傳感器

35、本身的改善來加以抑取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。制，有時也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特衡量傳感器特性的主要技術性的主要技術指標指標一、靜態(tài)特性技術指標一、靜態(tài)特性技術指標 傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程表示：方程表示： 式中：式中：yy輸出量；輸出量； xx輸入量；輸入量； a0a0零點輸出；零點輸出； a1a1理論靈敏度；理論靈敏度；

36、 a2a2、a3a3、 an an非線性項系數(shù)。非線性項系數(shù)。 y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。 靜態(tài)特性曲線可實際測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說問靜態(tài)特性曲線可實際測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說問題已經(jīng)得到解決。但是題已經(jīng)得到解決。但是為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關希望得到線性關系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行線性化系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行線性化處理。處理。1 1線性度線性度 一般來說，這些辦法都比較

37、復雜。所以在非線性誤差不太大的情一般來說，這些辦法都比較復雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是況下，總是采用直線擬合的辦法采用直線擬合的辦法來線性化。來線性化。 定定 義；義；在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬在采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，合直線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度。就稱為非線性誤差或線性度。通常用相對誤差通常用相對誤差L L表示：表示： LmaxLmax一最大非線性誤差；一最大非線性誤差； y yFSFS量程輸出。量程輸出。L=(Lmax/yFS)100% 非線性誤差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來非線性

38、誤差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用主要出發(fā)點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。是否方便，計算是否簡便。理論擬合；理論擬合； 端點連線平移擬合；端點連線平移擬合；端點連線擬合；端點連線擬合； 過零旋轉擬合；過零旋轉擬合；最小二乘擬合；最小二乘擬合； 最小包容擬合最小包容擬合1 1線性度（線性度（擬合直線的選擇擬合直線的選擇）1 1線性度（擬合直線的選擇）線性度（擬合直線的選擇）a)a

39、)理論擬合理論擬合 校準曲線與擬合直線間偏差大（最大偏差校準曲線與擬合直線間偏差大（最大偏差 ）maxl1 1線性度（擬合直線的選擇）線性度（擬合直線的選擇）b)b)過零旋轉擬合過零旋轉擬合 常用于校正曲線過零的傳感器，誤差比前一種小。擬合時：常用于校正曲線過零的傳感器，誤差比前一種小。擬合時：max12lllc)c)端點連線擬合端點連線擬合1 1線性度（擬合直線的選擇）線性度（擬合直線的選擇） 這種方法簡單直觀，但是未考慮所有校準點數(shù)據(jù)的分布，這種方法簡單直觀，但是未考慮所有校準點數(shù)據(jù)的分布，擬合精度低，一般用在特性曲線非線性度較小的情況。擬合精度低，一般用在特性曲線非線性度較小的情況。1

40、1線性度（擬合直線的選擇）線性度（擬合直線的選擇）d)d)端點連線平移擬合端點連線平移擬合max312llll擬合時：擬合時：1 1線性度（擬合直線的選擇）線性度（擬合直線的選擇）e e）最小二乘法擬合）最小二乘法擬合 設擬合直線方程：設擬合直線方程： y=kx+by=kx+b0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘擬合法 若實際校準測試點有若實際校準測試點有n n個，則第個，則第i i個校準數(shù)據(jù)與擬合直線上個校準數(shù)據(jù)與擬合直線上響應值之間的殘差為：響應值之間的殘差為：1 1線性度（擬合直線的選擇）線性度（擬合直線的選擇） 最小二乘法擬合直線的原則：最小二乘法擬合直線的原則：就是使就是

41、使 為最為最小值，小值，即：即：2ii=yi-(kxi+b)min2112niiiniibkxy 對對k k和和b b一階偏導數(shù)等于零，求出一階偏導數(shù)等于零，求出b b和和k k的表達式的表達式2i即得到即得到k k和和b b的表達式的表達式022iiiixbkxyk0122bkxybiii22iiiiiixxnyxyxnk 222iiiiiiixxnyxxyxb 將將k k和和b b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值最大值L Lmaxmax即為非線性誤差。即為非線性誤差。最小二乘法原則擬合精度最高。最小二乘法原則擬合精度

42、最高。1 1線性度（擬合直線的選擇）線性度（擬合直線的選擇）2遲滯 傳感器在正傳感器在正( (輸入量增大輸入量增大) )反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭矗ㄝ斎肓繙p?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，線不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，0yxHmaxyFS遲滯特性遲滯特性%100/maxFSHHy 式中式中 HmaxHmax正反行程間輸出的最大差值。正反行程間輸出的最大差值。 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差。回程誤差常用絕對誤差表遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對誤差表示。示。 產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于傳感器敏感元

43、件材料的物理性質(zhì)和機械零部件的缺陷造成的。機械零部件的缺陷造成的。 它一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百它一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示分數(shù)表示, ,即即2 2遲滯遲滯3 3重復性重復性 定定 義：義：重復性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時重復性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。所得特性曲線不一致的程度。y y0 0Rmax2Rmax2Rmax1Rmax1x x3 3重復性重復性%100/maxFSRRy 重復性誤差可用重復性誤差可用正反行程的最大偏差正反行程的最大偏差表示，即：表示，即： 重復性誤差也常用絕對

44、誤差表示。檢測時也可選取幾個測試重復性誤差也常用絕對誤差表示。檢測時也可選取幾個測試點，對應每一點多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列點，對應每一點多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列y yi1i1，y yi2i2，y yi3i3，y yinin ，算出最大值與最小值之差或，算出最大值與最小值之差或33作為重復性偏差作為重復性偏差RiRi，在幾個，在幾個RiRi中取出最大值中取出最大值RmaxRmax 作為重復性誤差。作為重復性誤差。Rmax1Rmax1正行程的最大重復性偏差。正行程的最大重復性偏差。Rmax2Rmax2反行程的最大重復性偏差。反行程的最大重復性偏差。%100/)32(FSRy4

45、4靈敏度與靈敏度誤差靈敏度與靈敏度誤差s=(s/s)100% 由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤靈敏度誤差用相對誤差表示，即差用相對誤差表示，即 可見，傳感器輸出曲線的可見，傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。對線性特性的傳感就是其靈敏度。對線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度S S是一常數(shù)，與輸入量大小無是一常數(shù)，與輸入量大小無關。關。S=y/x 定定 義：義：傳感器輸出的變化量傳感器輸出的變化量 y y與引起該變化量的輸入變化量與引起該變化量的輸入變化量 x x之比即為

46、其靜態(tài)靈敏度。之比即為其靜態(tài)靈敏度。 其表達式為：其表達式為：5 5分辨力與閾值分辨力與閾值 分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。有。有些傳感器些傳感器, ,當輸入量連續(xù)變化時當輸入量連續(xù)變化時, ,輸出量只作階梯變化輸出量只作階梯變化, ,則則分辨力就是輸出量的每個分辨力就是輸出量的每個“階梯階梯”所代表的輸入量的大所代表的輸入量的大小。小。 分辨力用絕對值表示分辨力用絕對值表示, ,用與滿量程的百分數(shù)表示時用與滿量程的百分數(shù)表示時稱為稱為分辨率。分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。閾值。 6 6穩(wěn)定性穩(wěn)

47、定性 測試時測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔點，相隔4h4h、8h8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤差表示差表示, ,也可用絕對誤差表示。也可用絕對誤差表示。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。漂移。 測試時先將傳感器置于一定溫度測試時先將傳感器置于一定溫度( (如如20),20),

48、將其輸出將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)( (如如55或或10),10),再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。為溫度穩(wěn)定性誤差。7 7溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性 定定 義義溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。 10020tyyyFSt溫漂 8 8抗干擾穩(wěn)定性抗干擾穩(wěn)定性l指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場

49、干擾的能振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。力等。l評價這些能力比較復雜，一般也不易給出數(shù)量概評價這些能力比較復雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。念，需要具體問題具體分析。與精確度有關指標：與精確度有關指標：精密度、準確度和精確度精密度、準確度和精確度( (精度精度) )9 9、精確度、精確度 準確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度準確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如。如, ,某流量傳感某流量傳感器的準確度為器的準確度為0.3m0.3m3 3/s/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m0.3m3 3/s/s。準確度是系統(tǒng)

50、誤差大小的標志，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。準確度是系統(tǒng)誤差大小的標志，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，同樣，準確度高不一定精密度高。準確度高不一定精密度高。 精密度：精密度：說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當短的時間內(nèi)連續(xù)測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當短的時間內(nèi)連續(xù)重復測量多次，重復測量多次，其測量結果的分散程度其測量結果的分散程度。例如，某測溫傳感器的精。例如，某測溫傳感器的精密度為密度為0.50.5。精密度是隨即誤差大小的標志，。精密度是隨即誤差大小的標志，精密度高，意味著精

51、密度高，意味著隨機誤差小。注意：精密度高不一定準確度高。隨機誤差小。注意：精密度高不一定準確度高。 精確度精確度：是精密度與準確度兩者的總和，精確度高表示精密度和：是精密度與準確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機器的常準確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機器的常以測量誤差的相對值表示。以測量誤差的相對值表示。 （a a）準確度高而精密度低）準確度高而精密度低 （b b）準確度低而精密度高）準確度低而精密度高 （c c）精確度高）精確度高 在測量中我們希望得到精確度高的結果在測量中我們希望得到精確度高的結果。 9 9、精確度、

52、精確度 被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。通常研究動態(tài)特性時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。通常研究動態(tài)特性是根據(jù)標準輸入特性來考慮傳感器的響應特性。是根據(jù)標準輸入特性來考慮傳感器的響應特性。二、傳感器的動態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性定定 義義動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。標準輸入有三種：標準輸入有三種：經(jīng)常使用的是前兩種經(jīng)常使用的是前兩種。u正弦變化的輸入正弦變化的輸入u階躍變化的輸入階躍變化的輸入u線性輸入線性輸

53、入1 1數(shù)學模型與傳遞函數(shù)數(shù)學模型與傳遞函數(shù) 分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學模型。線性系統(tǒng)的數(shù)學模型為分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學模型。線性系統(tǒng)的數(shù)學模型為一常系數(shù)線性微分方程。對線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學一常系數(shù)線性微分方程。對線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學模型的輸入量模型的輸入量x x與輸出量與輸出量y y之間的關系，通過對微分方程求解，得出動態(tài)之間的關系，通過對微分方程求解，得出動態(tài)性能指標。性能指標。 對于線性定常（時間不變）系統(tǒng)，其對于線性定常（時間不變）系統(tǒng)，其數(shù)學模型數(shù)學模型為高階常系數(shù)線性為高階常系數(shù)線性微分方程，即微分方程，即xbdtdxbdtxdb

54、yadtdyadtydammmnnn0101/ yy輸出量；輸出量； xx輸入量；輸入量； tt時間時間 a a0 0， a a1 1， ，a an n 常數(shù)；常數(shù)； b b0 0， b b1 1， ，b bm m 常數(shù)常數(shù) 輸出量對時間輸出量對時間t t的的n n階導數(shù)；階導數(shù)； 輸入量對時間輸入量對時間t t的的m m階導數(shù)階導數(shù)nndtyd/mmdtxd/ 動態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中動態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為是指初始條件為0 0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。 當傳感器的數(shù)學模型

55、初值為當傳感器的數(shù)學模型初值為0 0時，對其進行拉氏變換，即可得出時，對其進行拉氏變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：0101)()()(asasabsbsbsWsXsYnnmmY(s)Y(s)傳感器輸出量的拉氏變換式；傳感器輸出量的拉氏變換式；X(sX(s)傳感器輸入量的拉氏變換式傳感器輸入量的拉氏變換式 上式分母是傳感器的特征多項式，決定系統(tǒng)的上式分母是傳感器的特征多項式，決定系統(tǒng)的“階階”數(shù)?？梢?，數(shù)?？梢?，對一定常系統(tǒng)，當系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中各階導數(shù)用相對一定常系統(tǒng)，當系統(tǒng)微分方程已知，只要把方程式中各階導數(shù)用相應的應的s s變量替換，即求出傳感器的傳遞函數(shù)。變量

56、替換，即求出傳感器的傳遞函數(shù)。1 1數(shù)學模型與傳遞函數(shù)數(shù)學模型與傳遞函數(shù) 正弦輸入下傳感器的動態(tài)特性（即頻率特性）由傳遞函數(shù)導出正弦輸入下傳感器的動態(tài)特性（即頻率特性）由傳遞函數(shù)導出0101)()()()()()()(ajajabjbjbjWjXjYnnmm)(jW為一復數(shù)，它可用代數(shù)形式及為一復數(shù)，它可用代數(shù)形式及指數(shù)形式表示，指數(shù)形式表示，即：即： )(jWjkejkk21= 式中式中 分別為分別為 的實部和虛部；的實部和虛部； 分別為分別為 的幅值和相角的幅值和相角 ；)(jW、k21kk 、)(jW2221kkK=12/tankk 可見，可見，K K值表示了輸出量幅值與輸入量幅值之比，

57、即值表示了輸出量幅值與輸入量幅值之比，即動態(tài)靈敏度動態(tài)靈敏度，K K值是值是的函數(shù)，稱為的函數(shù)，稱為幅頻特性幅頻特性，以，以K K( () )表示。表示。1 1數(shù)學模型與傳遞函數(shù)數(shù)學模型與傳遞函數(shù)2 2動態(tài)響應（正弦和階躍）動態(tài)響應（正弦和階躍）（1 1）正弦輸入時的頻率響應）正弦輸入時的頻率響應零階傳感器零階傳感器在零階傳感器中，只有在零階傳感器中，只有a a0 0與與b b0 0兩個系數(shù)，兩個系數(shù)，微分方程微分方程為為: :a0y= b0 xKxxaby)/(00KK靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度 零階輸入系統(tǒng)的輸入量無論隨時間如何變化，其輸出量總是與輸零階輸入系統(tǒng)的輸入量無論隨時間如何變化，其輸出

58、量總是與輸入量成確定的比例關系。在時間上也不滯后，幅角等于零。如電位器入量成確定的比例關系。在時間上也不滯后，幅角等于零。如電位器傳感器。在實際應用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時，都傳感器。在實際應用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時，都可以近似地當作零階系統(tǒng)處理?？梢越频禺斪髁汶A系統(tǒng)處理。一階傳感器一階傳感器微分方程微分方程除系數(shù)除系數(shù)a a1 1， a a0 0 ，b b0 0外其他系數(shù)均為外其他系數(shù)均為0 0，則：，則：a1(dy/dt)+a0y= b0 xxabydtdyaa0001Kxydtdy時間常數(shù)時間常數(shù)( = a( = a1 1/a/a0 0) )；KK靜態(tài)靈敏

59、度靜態(tài)靈敏度( K= b( K= b0 0/a/a0 0) )sKsW1)(傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：頻率特性：頻率特性：jKjW1)(2)(1)(KjW幅頻特性幅頻特性：相頻特性：相頻特性：)arctan()(負號表示相位滯后負號表示相位滯后時間常數(shù)時間常數(shù) 越小，越小，系統(tǒng)的頻率特性越好系統(tǒng)的頻率特性越好2 2動態(tài)響應（正弦和階躍）動態(tài)響應（正弦和階躍）二階傳感器二階傳感器 很多傳感器，如振動傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，很多傳感器，如振動傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：其微分方程為：xbyadtdyadtyda001222/kXYss1222時間常數(shù)，時間常數(shù)， ； 0

60、 0自振角頻率自振角頻率,0 0=1/ =1/ 阻尼比，阻尼比， ； k k 靜態(tài)靈敏度，靜態(tài)靈敏度，k k= =b b0 0/ /a a02/ aa2012/aaa2 2動態(tài)響應（正弦和階躍）動態(tài)響應（正弦和階躍）jkjW21/222222)2()1 (/)( kk)1/(2arctan)(22 不同阻尼比情況下相對幅頻特性即動態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的不同阻尼比情況下相對幅頻特性即動態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線如圖。曲線如圖。傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性頻率特性頻率特性12/2sskjW2 2動態(tài)響應（正弦和階躍）動態(tài)響應（正弦和階躍）幅頻特性幅頻特性2.42.22.01