1、非電量測試技術的基礎知識第1頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四6.1 傳感器概述6.1.1 傳感器的定義傳感器是一種以一定精確度把被測量（非電量）轉換為與之有確定關系、便于應用的某種物理量（電量）的測量裝置。含義：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，如物理量、化學量、生物量等；它的輸出是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量。輸出與輸入間有對應關系，且有一定的精確度。第2頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四6.1.2 傳感器的組成敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關

2、系的某一物理量的元件。轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參數。轉換電路：將上述電路參數接入轉換電路，并轉換成電量輸出。傳感器組成框圖 第3頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四6.1.3 傳感器分類廣泛采用的分類方法有以下幾種 :按工作機理，分為物理型、化學型、生物型等。按構成原理，分為結構型、物性型兩大類。結構型傳感器是利用物理學中場的定律構成的，包括力場的運動定律，電磁場的電磁定律等。這類傳感器的特點是傳感器的性能與它的結構材料沒有多大關系，如差動變壓器。物性型傳感器是利用物質定律構成的，如歐姆定律等。物性型傳感器的性能隨材料的不同而異，如光電管、半

3、導體傳感器等。第4頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四傳感器分類按能量轉換情況，分為能量控制型、能量轉換型。能量控制型傳感器在信息變換過程中，其能量需外電源供給。如電阻、電感、電容等電路參量傳感器。能量轉換型傳感器，主要是由能量變換元件構成，它不需要外電源。如基于壓電效應、熱電效應、光電效應等原理構成的傳感器。按物理原理，可分為電參量式傳感器（包括電阻式、電感式、電容式等基本型式）、磁電式傳感器（包括磁電感應式、霍爾式、磁柵式等）、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、波式傳感器（包括超聲波式、微波式等）射線式傳感器、半導體式傳感器、其它原理的傳感器（如振弦式和振筒式傳

4、感器等）。按照使用來分類，可分為位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器，溫度傳感器等。 第5頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四6.2 傳感器的特性6.2.1 傳感器的靜態特性1. 線性度2.靈敏度3. 遲滯4. 重復性5. 零點漂移7. 溫漂8靜態標定6.2.2 傳感器的動態特性1. 瞬態響應特性2. 頻率響應特性第6頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四1. 線性度感器的輸出-輸入特性一般可用下列多項式表示 實際特性曲線與擬合直線間偏差稱傳感器非線性誤差。取最大值與輸出滿度值之比作為評價指標 :式中：x被測量，y輸出；a0為零位輸出，a1為傳感器靈敏度；a

5、2.an為非線性項系數。第7頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四2. 靈敏度靈敏度是指傳感器在穩態下輸出變化量y與引起此變化的輸入變化量x之比,用k表示，即: (a) 線性傳感器 (b) 非線性傳感器 表征傳感器輸入量變化的反應能力，一般希望傳感器靈敏度高，在量程范圍內恒定，輸入、輸出特性為直線。第8頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四3. 遲滯實驗方法確定，用最大輸出差值Hmax對滿量程輸出YFS的百分比表示，即 傳感器在正、反行程（上升、下降）期間，其輸入-輸出特性曲線不重合的現象稱遲滯（滯環）。原因：儲能（彈性元件）、運動器件摩擦等。第9頁，共30

6、頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四死區死區：死區效應，例如傳動機構的摩擦和間隙實際上升曲線和實際下降曲線不重合儀表輸入小到一定范圍后不足以引起輸出的任何變化死區效應分析第10頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四4. 重復性指在同一工作條件下，輸入量按同一方向做全量程多次變化，所得特性的不一致。屬于隨機誤差，常用標準偏差表示，也用正、反行程中的最大偏差表示:或：第11頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四5. 零點漂移傳感器無輸入時，每隔一段時間進行讀數，其輸出偏離零值，即為零點漂移。零漂 第12頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，

7、星期四6. 溫漂溫漂表示溫度變化時，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 :溫漂 第13頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四7. 靜態標定標定概念：利用標準設備產生的已知非電量作為傳感器輸入，測量傳感器輸出，然后與標準量比較而獲得系列實驗數據或曲線的過程。在靜態標準條件下進行，無加速度、振動、沖擊，環境溫度、濕度、大氣壓一般要求。標定的基準儀器要至少比被標定傳感器精度高一個等級。第14頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四靜態標定步驟將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點；根據傳感器量程分點情況，由小到大輸入標準量值，

8、并記錄下與各輸入值相對應的輸出值；將輸入值由大到小地減少，記錄下與各輸入值相對應的輸出值；按、所述過程，對傳感器進行正、反行程多次測試，一般是3次，將得到的輸出輸入數據用表格或曲線表示出來；對這些數據進行，就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態特性指標。第15頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四6.2.2 傳感器的動態特性指在測量隨時間變化的動態非電量時傳感器輸出與輸入之間的關系，即傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的反應能力。在研究傳感器的動態特性時，將大多數傳感器簡化為一階或二階系統；同時，可以從時域和頻域兩個方面來進行分析。第16頁，共30頁，2022年，

9、5月20日，3點31分，星期四1. 瞬態響應特性一階傳感器的單位階躍響應二階傳感器的單位階躍響應瞬態響應特性指標第17頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四一階傳感器的單位階躍響應設x ( t )和y ( t ) 分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數，則一階傳感器的傳遞函數為當輸入為單位階躍信號時，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為則一階傳感器的單位階躍響應為積分環節第18頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四一階傳感器單位階躍響應 傳感器存在慣性，初始上升斜率1/，響應速率隨時間增加而減慢，當t=4時，輸出接近穩態。 越小，響應曲線越接近輸入

10、階躍曲線。第19頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四二階傳感器的單位階躍響應二階傳感器的傳遞函數為在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為 化簡為：第20頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四，無阻尼，超調量為100%，產生等幅振蕩，達不到穩態。1，為過阻尼，無超調也無振蕩，但反應遲鈍、動作緩慢，達到穩態所需時間較長。1，為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩態值所需時間隨的減小而加長。，臨界阻尼，時響應時間最短。在實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調量，一般傳感器都設計成欠阻尼式的，阻尼比一般取在0.60.8之間。 臨界阻尼第21頁，共30頁，2022年

11、，5月20日，3點31分，星期四瞬態響應特性指標一階傳感器的性能指標是時間常數，越小，響應速度越快。二階傳感器的性能指標如圖表示，各指標定義如下： 上升時間tr 輸出由穩態值的10%變化到穩態值的90%所用的時間。 調整時間ts 系統從階躍輸入開始到輸出值進入穩態值所規定的范圍內所需要的時間。 峰值時間tp 階躍響應曲線達到第一個峰值所需時間。 超調量 傳感器輸出超過穩態值的最大值A，常用相對于穩態值的百分比表示。穩態第22頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四2. 頻率響應特性一階傳感器的頻率特性:將一階傳感器的傳遞函數中的s用j代替，即可得到頻率特性表達式幅頻特性 相頻特

12、性 第23頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四二階傳感器的頻率特性二階傳感器的頻率特性表達式、幅頻特性、相頻特性分別為:第24頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四頻率響應特性指標工作頻帶 傳感器增益保持在一定值內的頻率范圍，即對數幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應的頻率范圍，稱為傳感器的工作頻帶，對應有上、下截止頻率。第25頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四3. 動態標定輸入：階躍變化信號和正弦變化信號。階躍變化信號：即以一個已知的階躍信號激勵傳感器，使傳感器按自身的固有頻率振動，并記錄下運動狀態，從而確定其動態特性。正弦變化信號：以一個振幅和頻率均為已知、可調的正弦信號激勵傳感器，根據記錄的運動狀態，確定傳感器的動態特性。第26頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四一階傳感器的單位階躍響應一階傳感器的單位階躍響應函數為令 ，則上式可變為 可以根據測得y(t)值作z-t曲線，從t / z，獲得時間常數。一階傳感器時間常數的求法 為便于分析響應結果，得到可靠時間常數第27頁，共30頁，2022年，5月20日，3點31分，星期四二階傳感器（1）的階躍響應二階傳感器（1）的單位階躍響應為或二階傳感器（1）的階躍響應 測得M后，可求得阻尼比。第28頁，共30