1、第四章、傳感器及其一般特性第四章、傳感器及其一般特性 傳感器的作用和重要性傳感器的作用和重要性 傳感器的定義和組成傳感器的定義和組成 傳感器的分類及工作原理傳感器的分類及工作原理 傳感器的基本特性和表征傳感器的基本特性和表征 傳感器標定傳感器標定 人體與智能機器的對應關系人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經過人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經過大腦的思維（信息處理），作出相應的動作。大腦的思維（信息處理），作出相應的動作。而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電子計算機相當于人的大腦，而傳感器則相當于

2、人的五官部分子計算機相當于人的大腦，而傳感器則相當于人的五官部分（“電五官電五官” ” ）。）。 傳感器實際上是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉換成電信號。 傳感器所探測的對象近來顯著地增加，因而其品種也極其繁多。為了對各種各樣的信號進行檢測、控制，就必須獲得盡量簡單易于處理的信號，這樣的要求只有電信號能夠滿足。電信號能較容易地進行放大、反饋、濾波、微分、存貯、遠距離操作等。4.1傳感器的作用和重要傳感器的作用和重要性性 作為人腦的一種模擬的電子計算機的發展極為迅速，可是起五種感覺模擬作用的傳感器卻發展很慢，因而如果不進行傳感器的開發，現在的電子計算機將不能適應實際需要?，F代社會要求

3、傳感器、電子計算機和執行器三者都能相互協調才行。 這樣，傳感器就成了現代科學的耳目，它日益受到人們的普遍重視，這已成為現代傳感器技術的必然趨勢。4.1傳感器的作用和重要傳感器的作用和重要性性 傳感器的發展促使科學研究不斷得以深入，科學技術的進步也在不斷帶動傳感器技術的更新換代。 傳感器技術在工業自動化、軍事國防和以宇宙開發、海洋開發為代表的尖端科學與工程等重要領域有廣泛應用。 同時，它正以自己的巨大潛力，向著與人們生活密切相關的方面滲透；生物工程、醫療衛生、環境保護、安全防范、家用電器、網絡家居等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發展。4.1傳感器的作用和重要傳感器的作用和重要性性 社會需

4、求是傳感器技術發展的強大動力。隨著現代科學技術，特別是微電子技術和信息產業的飛速發展，以及“電腦”的普及，傳感器在新的技術革命中的地位和作用將更為突出，一股競相開發和應用傳感器的熱潮已在世界范圍內掀起。4.1傳感器的作用和重要傳感器的作用和重要性性“電五官電五官”落后于落后于“電腦電腦”的現狀，已成為微型的現狀，已成為微型計算機進一步開發和應用的一大障礙計算機進一步開發和應用的一大障礙許多有競爭力的新產品開發和卓有成效的技術改許多有競爭力的新產品開發和卓有成效的技術改造，都離不開傳感器造，都離不開傳感器傳感器的應用直接帶來了明顯的經濟效益和社會傳感器的應用直接帶來了明顯的經濟效益和社會效益效益

5、集傳感、執行等多種功能于一身的器件正在興起集傳感、執行等多種功能于一身的器件正在興起4.1傳感器的作用和重要傳感器的作用和重要性性傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。包含一下幾個方面的內涵：傳感器是測量裝置，能完成檢測任務它的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，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電、聲，但主要是電量輸入輸出有對應關系，且應有一定的精確度。4.2傳感器的定義和組成傳感器的定義和組成電路電路被測量被測量 敏感元件敏感元件轉化元件轉化元件轉換電路轉換電路4.2傳

6、感器的定義和組成傳感器的定義和組成傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成： 敏感元件（敏感元件（Sensitive elementSensitive element）：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。轉換元件（轉換元件（Transduction elementTransduction element）：）：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉換成電路參數。轉換電路（轉換電路（Transduction circuitTransduction circuit）：）：將轉換電路參數接入轉換電路，便可轉換成電量輸出。傳感器種類繁多，目前常

7、用的分類有兩種：傳感器種類繁多，目前常用的分類有兩種：根據被測量的特征進行分類根據被測量的特征進行分類根據傳感器的工作原理進行分類根據傳感器的工作原理進行分類4.3 傳感器的分類及工作原理傳感器的分類及工作原理被測量類別被測量類別被 測 量流動與熱力學量流動與熱力學量 溫度、壓力、真空度、流量、流速、湍流度、導熱系數、擴散系數、粘度、密度機械量機械量 位移（線位移、角位移），尺寸、形狀；力、力矩、應力；重量、質量；轉速、線速度；振動幅度、頻率、加速度、噪聲 按被測量進行分類按被測量進行分類4.3 傳感器的分類及工作原理傳感器的分類及工作原理被測量類別被 測 量物性和成分量 氣體化學成分、液體化

8、學成分；酸堿度（PH值）、鹽度、濃度其它狀態量 顏色、透明度、磨損量、材料內部裂縫或缺陷、氣體泄漏、表面質量 4.3 傳感器的分類及工作原理傳感器的分類及工作原理 電阻式、光電式、電感式、諧振式、電容式、霍爾式、阻抗式、超聲式、磁電式、同位素式、熱電式、電化學式、壓電式、微波式等。 按輸出量的變換原理進行分類按輸出量的變換原理進行分類4.3 傳感器的分類及工作原理傳感器的分類及工作原理機械式傳感器原理：在測試技術中，以彈性體作為傳感器的敏感元件，對力、壓力、溫度等物理量進行測量，而輸出彈性元件本身的彈性變形，經放大后成為儀表指針的偏轉，借助刻度指示出被測量的大小。 典型應用：用于測力或稱重的環

9、性測力計、彈簧稱等；用于測量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測量的雙金屬片等 4.3 傳感器的分類及工作原理傳感器的分類及工作原理優點：結構簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數直觀等 缺點：彈性變形不宜過大，以減小線形誤差。 此外，由于放大和指針環節多為機械傳動，不僅受間隙的影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測緩變或靜態被測量。 機械式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種把被測量轉化為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和應變片式兩類。 1、變阻器式傳感器 原理：它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉換為電阻的變化。AlR 電阻率 l 電阻絲長度 A 電阻絲截面積

10、 變阻器式傳感器的優點是結構簡單，性能穩定，使用方便。缺點是分辨力不高。 電阻式傳感器電阻式傳感器2、電阻應變式傳感器 優點：體積小、動態響應快測量精度高、使用簡便 （1）金屬電阻應變片 把應變片用特制膠水粘固在彈性元件或需要測量變形的物體表面上。在外力作用下，電阻絲隨該物體一起變形，其電阻值發生相應變化。由此，將被測量轉化為電阻變化。 （2）半導體應變片 半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。所謂壓阻效應是指單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的現象。 )2(2232drdrldlRdrldrrldlrdRdrdrldlRdR2ldlrdr)21 (2EER

11、dR2、電阻應變式傳感器 尺寸變化影響金屬電阻應變片ERdR半導體應變片電阻變化可簡化為 E項是由電阻率變化引起的。對半導體而言，后者遠遠大于前者。AlR這樣，半導體應變片的靈敏度ERdRSg/這一數值比金屬絲電阻應變片大5070倍 。金屬絲電阻應變片與半導體應變片的主要區別在于：前者利用導體形變引起的電阻的變化，后者利用半導體電阻率變化引起的電阻的變化。 優點是靈敏度高，缺點是溫度穩定性差、靈敏度分散度大以及在較大應變作用下，非線形誤差大。 （2）半導體應變片 （3）電阻應變片式傳感器應用方式1）直接用來測定結構的應變或應力2）將應變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數

12、的傳感器。在這種情況下，彈性元件得到與被測量成正比的應變，在由應變片轉換為電阻的變化。 電感式傳感器電感式傳感器 將被測參數轉換為線圈自感量或互感量變化的裝置。電感式傳感器可分為自感型和互感型兩大類 1、自感型 （1） 可變磁阻式傳感器 變磁阻式傳感器的原理圖。 自感量可用下式表示 式中 N線圈匝數 磁路總電阻 mRNL2mR由于兩側氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵磁阻之和：)(222110AlAlA20 .2ANL所以式中 空氣磁導率 A鐵芯截面積 氣隙長度 0線圈的自感量L與鐵芯截面積A成正比，而與氣隙長度成反比。（2） 渦電流式 渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應。動畫

13、是一個高頻反射式渦電流傳感器的工作原理。 1、自感型 金屬板置于一只線圈附近，相互間距為。當線圈中有一高頻交變電流I通過時，便產生磁通 。此交變磁通通過鄰近的金屬板，金屬板上便產生感應電流 i 1。這種電流在金屬體內是閉合的，稱之為渦電流或渦流。這種渦電流也將產生交變磁通 1 。根據楞次定律，渦電流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反， 1總是抵抗的變化。由于渦流磁場的作用，使原線圈的等效阻抗Z發生變化，變化程度與距離有關。 渦電流式傳感器的測量電路一般有阻抗分壓式調幅電路及調頻電路 。（2） 渦電流式 應用舉例渦流傳感器測量鋼板厚度動畫 測量轉速動畫當線圈 輸入交流電流 時，線圈 產生感應電動

14、勢 ，其大小與電流 的變換率成正比，即1W1i2W12e1i（右圖）小位移測量的差動相敏檢波電路工作原理。在沒有輸入信號時，鐵心處于中間位置，調節電阻R，使零點殘余電壓減小；當有輸入信號時，鐵心移上或移下，輸出電壓經過交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出，由表頭指示輸入位移量大小和方向。 電感式傳感器電感式傳感器2、互感型差動變壓器式傳感器 dtdiMe112電容式傳感器電容式傳感器 1、電容式傳感器工作原理設平板電容器兩極板間距離為，有效覆蓋面積為A，極板間介質的相對介電系數，真空介電常數 ，則電容器的電容量為 0AC0 如果在、A、三個參數中保持其中的兩個不變，而只改變一個參數，則電容器

15、的電容量將隨之發生變化。所以電容式傳感器可以分成三種類型：極距變化型（變）、面積變化型（變A）和介質變化型（變）。 1）極距變化型 當極距有微小變化d時，引起電容變化量dC為dAdC201傳感器靈敏度為201AddCS優點：可進行動態非接觸式測量 電容式傳感器2 2）面積變化型）面積變化型 保持電容器極板距離、介質不變，僅改變極板間的相對覆蓋面積。則此中傳感器靈敏度為常數常數00dAdCS通常電容傳感器的覆蓋面積與線形位移間有良好的線性關系，故面積變化型傳感器有著良好的線性關系。 3）介質變化型 利用介質介電常數的變化將被測量轉換為電量的傳感器。常用于液位測量，或某些材料的厚度、溫度、濕度等參

16、數的變化測量 電容式傳感器1.電橋型電路2.直流極化電路3.諧振電路4.調頻電路5.運算放大器電路 2、測量電路 應用：測量轉速電容式傳感器壓電式傳感器是利用某些物質的壓電效應將被測量轉換為電量的一種傳感器。 1、壓電效應 某些物質如石英，當受到外力時，不僅幾何尺寸發生變化，而且內部極化，表面上有電荷出現，形成電場；當外力消失時，材料又重新回復到原來狀態，這種現象稱為壓電效應。 相反，如果這些物質置于電場中，其幾何尺寸也發生變化，這種現象稱為逆壓電效應。 （傳感和執行）壓電式傳感器2、壓電材料 常用的壓電材料大致分為三類：壓電單晶（機械強度好）、壓電陶瓷（壓電常數大）和有機壓電薄膜（可大量生產

17、）。 3、壓電傳感器及其等效電路 1）壓電傳感器可看作是電荷發生器，它又是一個電容器。壓電式傳感器 壓電傳感器可以等效成與一個電容器并聯的電荷源，也可以等效為一個電壓源，如圖所示。 2）等效電路壓電式傳感器4、測量電路 1.電壓放大器電路 2.電荷放大器電路 5、壓電式傳感器的特點及應用 特點：1.剛性好，固有頻率高 2.靈敏度高且穩定 3.較好的線性，通常無滯后 4.系統使用和調整方便 應用： 壓電式力傳感器 壓電式加速度計 壓電式傳感器把被測量轉換成感應電動勢的傳感器稱為電磁感應式傳感器把被測量轉換成感應電動勢的傳感器稱為電磁感應式傳感器 原理：基于電磁感應定律：感應電動勢取決于匝數W和磁

18、通變化率d/dt，即 dtdWe1、動圈式 當線圈在磁場運動時所產生的感應電動勢為 （線速度型） （角速度型） sinWBle kWBAe 2、磁阻式物體運動磁路磁阻改變磁通變化產生感應電動勢 磁電式傳感器半導體有一個重要的特性是對光、熱、力、磁、氣體、溫度等理化量的敏感性。利用半導體材料的這些特性，作為非電量電測的轉換元件，是近代半導體技術應用的一個重要的方面。 半導體的特點半導體的特點是他們是一些物性型傳感器，通?？梢宰鞒山Y構簡單、體積小、重量輕的器件，他們的功耗低、安全可靠、壽命長；他們對被測量敏感，響應速度快；易于實現集成化。半導體傳感器半導體傳感器種類：半導體傳感器種類：光敏傳感器、

19、固態圖象傳感器、熱敏電阻、氣敏傳感器、濕敏傳感器、集成傳感器等等。 1、分類 按照調制方式光纖傳感器可以分為強度調制、頻率調制、相位調制和偏振調制四類。2、光纖傳感器原理 當光由大折射率的介質射入小折射率的介質，當入射角大于臨界角時將出現全反射現象。光波以全反射方式沿光纖傳播。 光纖傳感器3、傳感器的特點1）不受電磁干擾，電氣絕緣性能好，可在強電磁干擾下完成傳統的傳感器難以完成的某些參量的測量。2）光波傳輸無電能和電火花，不會引起被測介質的燃燒和爆炸。而且耐高壓耐腐蝕。3）重量輕、體積小、可撓性好，可在狹小的空間使用4）具有良好的幾何形狀適應性5）頻帶寬，動態范圍大，對被測對象不產生影響，利于

20、提高精度6）利用現有的光通訊技術，易于實現遠距離測控 根據測試目的和實際條件，合理的選用傳感器4.4 傳感器的基本特性及表征傳感器的基本特性及表征足夠的容量足夠的容量傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定的過載能力。靈敏度高，精度適當靈敏度高，精度適當即要求其輸出信號與被測信號成確定的關系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態響應與動態響應的準確度能滿足要求。響應速度快，工作穩定，可靠性好。使用性和適應性強使用性和適應性強體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態影響小；內部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標準形式，以便與系統對接。使用經濟使用經濟成本低，壽命長，且便于

21、使用、維修和校準。傳感器的基本特性 傳感器的輸出-輸入關系特性是傳感器的基本特性，從誤差角度去分析輸出-輸入特性是測量技術所要研究的主要內容之一。輸出-輸入特性雖是傳感器的外部特性，但與其內部參數有密切關系。 傳感器特性分為靜態特性和動態特性。 衡量傳感器的特性又有靜態性能指標和動態性能指標之分。 4.4.1靜態特性 傳感器在穩態信號作用下，其輸出-輸入的關系稱為靜態特性。衡量傳感器靜態特性的重要指標是線性度、靈敏度、重復性、遲滯、零點漂移和溫度漂移等技術指標，傳感器本身的特點、被測量及外界條件都可能影響這些技術指標。 1. 線性度 所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離

22、直線的程度。又稱為非線性誤差。max100%LFSLYLmax輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大 偏差； YFS輸出滿量程值。 實際上許多傳感器的輸出-輸入特性是非線性的，如果不考慮遲滯和蠕變效應一般可用下列多項式表示輸出y與輸入x特性。其表達式如下： ya0a1 x a2 x 2an x n a0零位輸出； a1傳感器線性靈敏度； a2，a3，an待定常數。 1. 線性度 對于上式對應三種特殊情況：（1）理想的線性特性 如圖（a）所示的直線 ，表達式變為 y = a1 x a1 為常數，即為傳感器的靈敏度 。（2）僅有偶次非線性項 如圖（b）所示。其輸出-輸入特性方程為 y= a0+

23、 a2 x2 +a4 x4 + 其線性范圍較窄，一般傳感器設計很少采用這種特性 。（3）僅有奇次非線性項 如圖（c）所示，其輸出輸入特性方程式為： y= a1x +a3x3 + a5x5+ 具有這種特性的傳感器，一般在輸入量x相當大的范圍內具有較寬的準線性。這是比較接近于理想直線的非線性特性。 在使用非線性特性的傳感器時，如果非線性項的方次不高，在輸入量變化范圍不大的條件下，可以用切線或割線等直線來近似地代表實際曲線的一段，如圖虛線所示。這種方法稱為傳感器非線性特性的“線性化”，所采用的直線稱為擬合直線。實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差，如圖中所示的Lmax值，取其中最大

24、值與輸出滿度值之比作為評價非線性誤差（或線性度）的指標。 輸出輸入特性的非線性YFSyyyYFSYFSxmxmxmxxxLmaxLmaxLmaxmax100%LFSLY2. 靈敏度 （a）傳感器的靈敏度是指穩態時，輸出增量y與輸入增量x的比值，對于線性傳感器，其靈敏度就是靜態特性的斜率，如圖（a）所示，即： 而非線性傳感器的靈敏度是一個變量，如圖（b）所示，即用dy/dx表示傳感器在某一工作點的靈敏度。0nyySxy0 xyy0(a)x0(b)xyyK=y/x靈敏度定義0yyKx0yyKx3. 遲滯（回差滯環）現象 遲滯特性能表明傳感器在正向（輸入量增大）行程和反向（輸入量減小）行程期間，輸出

25、-輸入特性曲線不重合程度。 YFSyxXFSHmax遲滯現象0 對于同一大小的輸入信號x，在x連續增大的行程中，對應某一輸出量為yi，在x連續減小過程中，對應于輸出量為yd之間的差值叫滯環誤差，這就是遲滯現象，該誤差用H表示為： H|yi-yd| 在整個測量范圍內的最大滯環誤差用Hmax表示，它與滿量程輸出值YFS的比值稱為最大滯環率H，即： max100%HFSHY4. 重復性 重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致的程度y重復性0Rm1Rm2yFSxFSx不重復性誤差屬隨機誤差性質，重復性誤差為 ：其中為標準偏差，如果誤差服從高斯分布，標準偏差可以按貝塞爾

26、公式計算： yi某次測量值； 各次測量值的平均值， ； n測量次數。(2 3)100%RFSY 21()1niiyyny1niiyyn00100%tFSYyYt 00100%TFSYyYT 5. 零點漂移 傳感器無輸入信號時，定時進行讀數，其輸出偏離零值，即為零點漂移，其值為：Y0為最大零點偏差，t為零點漂移的時間。 6. 溫度漂移 溫度漂移表示溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1，輸出最大偏差與滿量程的百分比表示，即： Y0輸出最大偏差，YFS滿量程輸出，T溫度變化范圍。 測量范圍：測量范圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。 靈敏閥：靈敏閥：又稱為死區

27、，用來衡量測量起始點不靈敏的程度。(如壓力傳感器） 分辨率：分辨率：指能引起輸出量發生變化時輸入量的最小變化量，表明測試裝置分辨輸入量微小變化的能力。如：A/D轉換 穩定性：穩定性：是指在一定工作條件下，當輸入量不變時，輸出量隨時間變化的程度。 可靠性：可靠性：是與測試裝置無故障工作時間長短有關的一種描述。 7 靜態響應特性的其他描述靜態響應特性的其他描述 傳感器的動態特性：輸入量隨時間變化時傳感器傳感器的動態特性：輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性。的響應特性。 動態誤差：實際的傳感器，輸出信號將不會與輸動態誤差：實際的傳感器，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數入信號具有相同的時間函

28、數, , 輸出與輸入間有差異。輸出與輸入間有差異。 t /t1t0o0/s動 態 誤 差誤差原因：溫度誤差原因：溫度傳感器的熱慣性傳感器的熱慣性（比熱容、質量）（比熱容、質量）和傳熱熱阻和傳熱熱阻動動態態測測溫溫 4.4.2 動態特性 傳感器的種類和形式很多，但它們的動態特性一般都可傳感器的種類和形式很多，但它們的動態特性一般都可以用下述的以用下述的n n階微分方程來描述階微分方程來描述： xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111式中，式中，a0、a1、, an, b0、b1、., bm是與傳感器的結構是與傳感器的結構特性

29、有關的常系數。特性有關的常系數。1、傳感器的基本動態特性方程、傳感器的基本動態特性方程a0y(t)=b0 x(t) 通常將該代數方程寫成 y(t)=kx(t) k=b0/a0為傳感器的靜態靈敏度或放大系數 1 ）、零階系統）、零階系統 一階系統微分方程一階系統微分方程 )()()(001txbtyadttdya上式通常改寫成為上式通常改寫成為 )()()(tkxtydttdy式中：式中：傳感器的時間常數，傳感器的時間常數，=a1/a0 k傳感器的靜態靈敏度或放大系數，傳感器的靜態靈敏度或放大系數，k=b0/a0 2 2）、）、 一階系統一階系統 )()()()(001222txbtyadttd

30、yadttyda二階系統的微分方程通常改寫為二階系統的微分方程通常改寫為 )()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn式中：式中：k傳感器的靜態靈敏度或放大系數，傳感器的靜態靈敏度或放大系數，k=b0/a0； 傳感器的阻尼系數，傳感器的阻尼系數， n傳感器的固有頻率，傳感器的固有頻率， )2/(201aaa 20/ aan 3 3）、二階系統）、二階系統a0-a2-m 動態特性的傳遞函數動態特性的傳遞函數: :在線性系統中初始條件為在線性系統中初始條件為0 0時，系統輸時，系統輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。單位階躍響應單位階躍響

31、應標準輸入信號標準輸入信號: :階躍信號和脈沖信號。階躍信號和脈沖信號。2 2、 瞬態響應特性瞬態響應特性: :時域分析法時域分析法)()()(tkxtydttdy11)()()(ssXsYsH10)(txt0 t0 k=1ssX1)(sssXsHsY111)()()(tety1)(一階傳感器微分方程為：一階傳感器微分方程為：當當單位階單位階躍輸入躍輸入輸入拉輸入拉氏變換氏變換則輸出拉氏變換：則輸出拉氏變換：拉氏反變換：拉氏反變換： （1 1）、）、 一階傳感器的單位階躍響應一階傳感器的單位階躍響應圖圖 : 一階傳感器單位階躍響應一階傳感器單位階躍響應 02345tx(t)y(t)y(t)x(

32、t)10.6320.8650.9500.9820.9931、一階傳感器具有慣性、一階傳感器具有慣性2、t=4,認為達到穩態認為達到穩態3、越小，動態誤差小越小，動態誤差小tety1)(由由圖圖 （1 1）、一階傳感器的單位階躍響應（續）、一階傳感器的單位階躍響應（續）微分方程為微分方程為 )()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn 設傳感器的靜態靈敏度設傳感器的靜態靈敏度k=1，其二階傳感器的傳遞函數為，其二階傳感器的傳遞函數為 2222)(nnnsssH 傳感器輸出的拉氏變換為傳感器輸出的拉氏變換為 )2()()()(222nnnssssXsHsY （2 2）、二階傳感器

33、的單位階躍響應）、二階傳感器的單位階躍響應y(t)2100.712 00.10.30.5nt （2）、二階傳感器的單位階躍響應（續） 1為臨界阻尼，響應時間最短； 1為過阻尼，無超調也無振蕩，但反應遲鈍，動作緩慢，達到穩態所需的時間較長； 1為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩態所需的時間隨著減少而加長。 0，零阻尼，超調量為100，產生等幅振蕩，達不到穩態。)()()()(001222txbtyadttdyadttyda)2/(201aaa 20/ aan )()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn頻率響應法測量系統特性頻率響應法測量系統特性 優點：優點：簡單，信號發生器，簡單，信

34、號發生器，雙蹤示波器就可以雙蹤示波器就可以缺點：缺點：效率低效率低 3、 頻率響應特性頻率響應特性頻率響應特性頻率響應特性: :傳感器對不同頻率正弦輸入信號的響應特性。傳感器對不同頻率正弦輸入信號的響應特性。 頻率響應法：幅值比和相位差。頻率響應法：幅值比和相位差。 加速度加速度( (壓電壓電) ) 步進電機步進電機 步進電機阻尼環步進電機阻尼環 ( 1 ) ( 1 ) 一階傳感器的頻率響應一階傳感器的頻率響應 圖圖 : : 一階傳感器頻率響應特性一階傳感器頻率響應特性 21.00.70.50.40.30.20.10.1 0.20.5 1.02510A ()0.50.20.11.0251002

35、0406080()(a)(b)一階系統是低通環節一階系統是低通環節, ,只只 1/1/ 時，幅頻響應才接近于時，幅頻響應才接近于1 1 截止頻率：幅值比下降到零頻率下截止頻率：幅值比下降到零頻率下 倍時對應的頻率倍時對應的頻率2/ 1幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性隨頻率增加誤差變大隨頻率增加誤差變大由由圖圖10750.10.20.51.025104321.00.70.50.30.20.070.050.030.020.10.01 0.10.20.40.60.81.0nA()(a )0 40 80 120 160()0.10.20.510521.0n(b ) 0.10.20.40.60.81.0

36、幅頻特性相頻特性 （2 2） 二階傳感器的頻率響應曲線二階傳感器的頻率響應曲線 設計傳感器時，應使設計傳感器時，應使11，固有頻率，固有頻率n n大于被測大于被測信號頻率的（信號頻率的（3 35 5）倍）倍 利用標準設備產生已知的非電量（標準量），或用基準量來確定傳感器電輸出量與非電輸入量之間關系的過程，稱為傳感器標定。 1傳感器標定、校準與檢定概念 傳感器或儀器在制造、裝配完畢后必須對設計指標進行一系列試驗，進行全面檢測，確定其實際性能，這個稱之為標定過程。 4.5 傳感器標定傳感器標定4.5.1 傳感器標定方法和內容傳感器標定方法和內容 經使用一段時間 （中國計量法規定一般為一年）或修理后

37、，必須對其主要技術指標再次進行檢測試驗，即校準試驗，以確保其性能指標達到要求。 檢定必須嚴格按照檢定規程運作，對所檢儀器給出具有法律效應合格或不合格的結論。 2傳感器標定的方法與特點 標定的基本方法是將已知的被測量（亦即標準量）輸入給待標定的傳感器，同時得到傳感器的輸出量；對所獲得的傳感器輸入量和輸出量進行處理和比較，從而得到一系列表征兩者對應關系的標定曲線，進而得到傳感器性能指標的實測結果。 標定系統分為絕對法標定系統和比較法標定系統。傳感器的標定有靜態標定和動態標定兩種。 3. 靜態標定 確定傳感器靜態指標，主要是線性度、靈敏度、遲滯和重復性。傳感器的靜態特性是在靜態標準條件下進行標定的，

38、主要用于檢驗、測試其靜態特性指標。靜態標準條件主要包括沒有加速度、振動、沖擊（除參數本身是被測量）及環境溫度（一般為室溫205）、相對濕度不大于85、氣壓為（1017）kPa等條件。 一般的靜態標定包括如下步驟： （1）將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點。 （2）根據傳感器量程分點情況，由小到大、逐點遞增輸入標準量值，并記錄與各點輸入值相對應的輸出值。 （3）將輸入量值由大到小、逐點遞減，同時記錄下與各點輸入值相對應的輸出值。 （4）按上述步驟（2）、（3）所述過程，對傳感器進行正、反行程往復循環多次（一般為310次）測試，將得到的輸出-輸入測試數據用表格列出或畫成曲線。 （5）對測試

39、數據進行必要處理。輸入已知標準非電量，測出傳感器的輸出，給出標定曲線、標定方程和標定常數，計算靈敏度、線性度、滯差、重復性等靜態特性指標。 4. 動態標定 傳感器的動態標定就是通過實驗得到傳感器動態性能指標，確定方法常常因傳感器的形式（如電的、機械的、氣動的等）不同而不完全一樣，但從原理上一般可分為階躍信號響應法、正弦信號響應法、隨機信號響應法和脈沖信號響應法等。1靜態標定設備 傳感器靜態標定設備分類：力標定設備（如測力砝碼、拉壓式測力計）、壓力標定設備（如活塞式壓力計、水銀壓力計、麥氏真空計）、位移標定設備（如量塊、直尺等）、溫度標定設備（如鉑電阻溫度計、鉑銠鉑熱電偶、基準光電高溫比較儀）等

40、。（1 1）力標定設備）力標定設備 1）測力砝碼 我國基準測力裝置是固定式裝基準測力機，下圖采用杠桿式砝碼標定裝置。 4.5.2 常用傳感器標定設備傳感器標定設備12341-支架 2-傳感器 3-杠桿 4-砝碼 21341傳感器 2工作活塞，3液壓缸 4液體5砝碼 6加力活塞 7測力液壓缸 8導管5678杠桿式砝碼標定裝置杠桿式砝碼標定裝置液壓式測力機工作原理液壓式測力機工作原理 2）拉壓式（環形）測力計 環形測力計是一種標準推力標定裝置，它由液壓缸產生測力，測出測力環變形量作為標準輸入。可以用杠桿放大機構和百分表結構來讀測力環變形量，也可用光學顯微鏡讀取。若用光學干涉法讀取，則精度更高（2 2）壓力標定設備）壓力標定設備 1）活塞式壓力計 利用上圖的液壓式測力機原理和不同的結構形式，再將傳感器受力由點改成面接觸結構，就形成了活塞式壓力計，如下圖所示。其中，砝碼1經油路產生的壓力作為標準壓力作用在待