传感器原理第一讲

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1、第一章：传感器综述一. 传感器原理及分类传感器（transducer / sensor)定义：根据国标( GB7665-87)能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可 用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转 换元件组成。敏感元件是指能直接感受或响应被测量。转换元件是指能将敏感元件感受或响应的被测 量 转换成适于传输或测量的电信号部分。1. 工作原理模型敏感元件转换元件测量电路电源被测量输出量转换元件(a)自源型输入输出热电偶-+(b)辅助能源型转换元件辅助电源输入输出l(C)补偿型环境影响转换元件转换元件转换电路电源输入输出环境影响转换元件转换元件转换电路电源输入输出差动补偿参比补偿2.传

2、感器的分类1）依据输入量：压力，温度，速度，电荷，角度，气味2）依据材料：半导体，陶瓷，金属，光纤，高分子3）依据工作原理：电感式，电容式，应变式，压电式4）依据基本效应：物理型，化学型，生物型 5）二.传感器的一般数学模型和特性1）静态模型 忽略迟滞和蠕变：输入量：输出量：零位输出：传感器的灵敏度 ：非线性项的待定常数迟滞：输入量正行程（增加）和反行程（减少）过程中，输出输入曲线的不重合现象蠕变：输出输入值随时间而变化的现象：当 时， ，特点：通过原点直线方程线性灵敏度 越大，越灵敏例：y10-.18 -.08 0.11.81 33x-1-.68 -.5-.10.1.51特点: 线性差不对称

3、原点附近有近似线性范围，但很窄。具有奇次项非线性列：Y-3-0.65 -0.10 00.10.653x-1-0.5-0.100.10.51特点：通过原点对称原点附近在较大范围内近似线性 “a”均不为零特点：通过原点；原点附近在一定范围内有线性近似。 y 1-.344 - .090 .111.925x -1 -.5- .010 .1.512）静态特性指标静态特性：被测量稳态下的输出输入关系线性度：校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比。a)校准曲线：即实测值。测试条件：标准大气压101.3+/-8KPa温度：20（+/-)5C相对湿度：85%无震动、无冲击、无加速度测试方法：一定等级

4、标准器给出输入量 测取相应输出量绘制成校准曲线 拟合直线：替代校准曲线的使输出输入线性化的直线 b)表示：线性度 校-拟间最大偏差无输入时的输出c)拟合方法：拟合方法不同，线性度表征值也不同理论拟合：拟合直线为理论直线（0-满量程）端基拟合：把校准曲线两端点连线作为拟合直线最佳拟合：使正负偏差相等最小二乘法：理论拟合 端点拟合 最佳拟合 （理论线性度） （端基线性度） (独立线性度）最小二乘法： 原理：使各点误差的平方和为最小设：有几个校准点 假定拟合直线为： 对应于各个校准点，拟合直线与校准点的误差 为求其最小： 可以求出：灵敏度 k(x)定义：稳态下，输出变化量与输入变化量之比。理想传感器

5、： 一般传感器：其拟合的直线斜率K 非线性误差大时：影响灵敏度的因素： 工作点 输入量 灵敏度界限：使输出变化的输入最小变化值 H:movie电影片段vite-divx-ai.cd1.mpg精确度（精度）1）影响精确度的因素：a)随机误差：同一测试者同一测量仪器 反复测量 结果分 散同一被测量表示为精密度 ，表示分散程度。b)系统误差：由于测量系统的原因使测量 结果有规律的偏离真值，表示为 正确度表示测量值与真值的符合程度。2)上述两因素之和即为精确度 精确度等级A定义：表示在规定条件下，允许的最大绝对误差值对其测量范围的百分比。：测量范围内允许的最大绝对误差： 满量程输出 A的一般标准：0.

6、001,0.005,0.02,0.051.5 ，2.5 例：满量程为1000V，A的标准为：0.05此仪表允许的最大误差为0.5V指传感器能够检测到的最小值最小检测能力主要与传感器和系统噪音有 关迟滞：对相同工作条件下，在全测量范围作正行程和反行程中输入输出曲线不重 合。重复性：输入按同一方向作全量程连续多次 变动，其曲线不一致的程度。 零点飘移：在零输入时随时间其输出的变化 。温漂：在温度变化时传感器输出值的变化。最小监测量（分辨率）3）传感器的动态特性l为什么要研究传感器的动态特性变化的输入信号对输出的影响对传感器的应用重要对理解和研制高性能传感器重要3） 传感器的动态特性：讨论动态特性的

7、方法：1建立物理模型 2建立数学模型 3求解方程假设有如下近似：1工作范围在工作点附近线性的2系统参数不随时间变化定长的（时间不变系 统）因此：根据线性时不变系统的分析方法，任何 线性系统都可以用线性常微分方程表示对于以 和 表示输出与输入LTI系 统和 表示总可以用n阶线性常微方 程相联系。动态特性定义：对于随时间变化的信号其输出的响应特性分析方法： 根据其工作机理建立数学模型得到运动方程求解运动方程得到动态响应特性直观理解：输出应准确地再现输入的状态否则得不到完整的所需信号，实际上，理想的传感器不存在，实际情况的描述与结论即动态特性。讨论方法的可信度：系统模型的近似：线性的，定常的线性的：

8、满足比例特性又同时满足叠加特性定常的：参数不随时间变化 分析的合理性：大多数传感器都工作在其工作点附近前面分析了工作点附近有线性区传感器的阶：n=0 为零阶传感器n=1 为一阶传感器n=2 为二阶传感器n=3 为高阶传感器l传递函数G(s)=L(响应函数) / L(激励函数)LY(t)=Y(t)exp(-st)dt = Y(s)LX(t)= X(t)exp(-st)dt = X(s)频率特性幅频特性：A()为传递函数的幅值，是的函数相频特性：为传递函数的 幅角()=arctanW()传递函数的分解代数方程的性质：基 本 定 理：在复数域中至少有一个根 基本定理推论： 每个n次代数方程在复数域中

9、有n个根，且只有n个根 任意实实数方程 f(x)=0 的复根只可能是成对对的共轭轭复根，个数是偶数 任意实实系数奇次方程 f(x)=0 至少有一个实实根任意实实系数偶次方程 f(x)=0 至少有一正一负负两个实实根 每个实实系数多项项式都可以分解为实为实 系数的一次因式和二次因 式之积积 l由于 是实数多项式，符合 上述条件，故有：W(s)=其中： 任意实实系数奇次方程 f(x)=0 至少有一个实实根任意实实系数偶次方程 f(x)=0 至少有一正一负负两个实实根 每个实实系数多项项式都可以分解为实为实 系数的一次因式和二次因 式之积积 l由于 是实数多项式，符合 上述条件，故有：系统由若干0阶

10、、1阶、2阶系统组成，1 阶、2阶是最基本响应W(s)=l其中系统的串联、并联设：两个系统 G(s)1,G(s)2串联：在其阻抗匹配时（互不影响工作）G(s)=G(s)1G(s)2并联联： G(s)=G(s)1+G(s)2+串联联 并联联G(s)1G(s)2G(s)2G(s)1l特点：输出幅值随输入频率提高而下降l输出相位随输入频率提高而加大Bode图：=0.05=0.1=0.4=0.7=1.0=0.1=0.5 =1.0=0.05-40db 2000-90-180/0五 传感器的阶跃响应讨论阶跃响应是因为阶跃信号是基本瞬变信号1零阶：输出输入成正比。2一阶：不同阻尼的响应曲线： =0 =0.2

11、 =0.6 =1.0 =1.5=0=0.2=0.6=1.0=1.5六 动态特性的评价：大多传感器是近似于0、1、2阶或其组合比上述分析复杂。一般是通过实验同条件指数来表示其动态特性。1与频率响应有关指数：(1)频带：增益值保持在一定值内的频率范围(2)时间常数：，越小频带越宽(3)固有频率：2与阶越响应的有关指数：(1)时间常数：近似于一阶传感器响应曲线上升至稳定值的63.2时所需时间。(2)上升时间t输出由稳定值10变化到90所需时间(3)响应时间：输出到达稳定值的95所需时间(4)超调量：输出超出稳定值的最大量(5)峰值时间：阶越响应达到第一峰值所需时间 七、传感器的理论基础引言： 一般课

12、题的研究方法与骤 1）课题来源： 用户、实际、创想 2）课题条件： 有界、半无届、无界 3）课题分析：查资料、课题难点、解决思路、方案及方案论证 4）方案设计：理论、分析、计算、设计 5）实验室样机 7）中试 8）批量生产理论基础1）定律守恒定律：能量、动量、电荷、场的定律：动力场、光场、电磁场、 、物质定律：胡克定律、热平衡现象、传输现象、量子现象、 2） 法则统计法则：热噪声电压、 3）效应光电效应电光效应 磁光效应 电磁效应 热电效应、热释电效应 热磁效应 压电效应 压阻效应 压磁效应 约瑟夫效应（Josephson)(量子干涉效应） 多普勒效应声电、声光效应 声多普勒效应 放射线效应 击波（冲击波）效应 吸附效应（表面场效应） 与化学有关效应：克顿效应（旋光性物质）中盐效应饱和效应电泳效应、第二章：应变式传感器l问题与思路l一般课题的研究方法 课题课题 ：用户户提出；实际实际 遇到，想定（发发明创创造 ） 课题课题 条件（背景）：有界：限定条件，有限创创造空间间；半无界：有限条件，较较大创创造空间间； 无界：很大创创造空间间 研究和分析课题课题 （3）动态特性l 应力在材料中传播是有速度限制的例如：在钢中 5000M/S胶层中 1000M/S 传感器结构：6.应用（1）弹性敏感元件作用：把各种物理量转换成形变例如：温度、压力、加速度要求：变形能力大基本类型：柱形：