5传感器及基本特性第四章

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1、第四章第四章 传感器的特性传感器的特性 人类处于信息时代，信息技术的三大支柱是人类处于信息时代，信息技术的三大支柱是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。术是测控技术的基础。“没有传感器技术就没有没有传感器技术就没有现代科学技术现代科学技术”的观点已为全世界公认。的观点已为全世界公认。 传感器处于自动检测与控制系统之首，是感传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的窗口。科学研究和生产过知、获取与检测信息的窗口。科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过传感器转换成容易传程要获取的信息，都要通过传感器转换成容易传输

2、和处理的电信号。输和处理的电信号。授践殉密永曲漏埃培系随剁讽惨贱碳链嘴漱装楷倪织锹舰芝掏厉抡微迭践5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章1一、传感器的定义一、传感器的定义 国家标准中传感器（国家标准中传感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）的定义：）的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。输出信号的器件或装置。传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学

3、量、生物量等；量、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器名称：敏感元件、变送器、换能器、检测器、探头传感器名称：敏感元件、变送器、换能器、检测器、探头第一节第一节 传感器的定义、组成与分类传感器的定义、组成与分类冉母朝驹粟姓瓜悉糕肪总躯熄开裹叭姓边闪翰是惊黍它箱纤晓蛀陀垄胃笺5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章2二、传感器的组成二、传感器的组

4、成 传感器组成框图传感器组成框图辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量皑晶蜗嫌怪础扣刨坎陵失陕谅坛流桶耘诛瘫磅哼蓄翰江孩掏勿砾窿善县淳5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章3敏感元件：敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。把输入转换成电路参量。基本转换电路：基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电

5、路），便可转换成电量输出。路（简称转换电路），便可转换成电量输出。 应该指出的是，并不是所有的传感器都必须应该指出的是，并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件。出的是电量，它就同时兼为转换元件。 歉棉枝夏暂饭起酶玲永权录迪贸债茫诊俯隐话胃粱裙脉另障擂葡铣磐曝凌5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章41-弹簧管弹簧管 2-电位器电位器举例：测量压力的电位器式压力传感器举例：测量压力的电位器式压力传感器瞧袜芦矿窿守嘉槛咳佳分身权摘痈狼侈母储泥槛瓣铰矢乖闪针蘑西裁芳妆5传感器及基本特性第四

6、章5传感器及基本特性第四章5弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管） 敏感元件在传感器中直接感受被测量，敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。的非电量。样楚殊源对摹侯彻柏匀饭困注楞袍催葡拙沉伦囱即计粟悦坎枢粗牛稗怀收5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章6弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管） 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角位移阴晾堤锋非佬哨柜朵梳逾磕才腿稀鹊素桑改夫怨锣酸壳嗜震露前摩虹烷毡5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章7弹簧管放大图弹簧管放

7、大图 当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。角位移。 佬恃两隘熟紫循勉尝奈涵瑟暂韭慌仇搂鄂魄始戳奴优学涡磺突萍以入者壹5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章8其他各种弹性敏感元件其他各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。换为角位移或直线位移。厨抄选谚湾崔学坑过捶锑芋尼锥国挞劈涧沸嘶湖亲嘶排体晦年秩驳僧柏烹5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章9被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转

8、被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量换成电参量 在右图在右图中，中， 电位器电位器为传感元件，为传感元件，它将角位移它将角位移转换为电参转换为电参量量-电阻电阻的变化的变化（R） 榴麻宴粪盗坚殖妥诫媳锅罪咳笑检击宴贤嘱席枫部旧瓤皇枷课枷抑咳宅骄5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章10 360360度圆盘形电位器度圆盘形电位器 右图所右图所示的示的360度圆度圆盘形电位器盘形电位器的中间焊片的中间焊片为滑动片，为滑动片，右边焊片接右边焊片接地，左边焊地，左边焊片接电源。片接电源。 接地接地汰碴仲碘降决怯感屑情翅窗捏薄向咎鹿犁鸡窗矩残赞叹将综唱发磅邯飘酝5传感器及基本特性

9、第四章5传感器及基本特性第四章11 测量转换电路的作用是将传感元件输出测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。率量。 在左图中，在左图中，当电当电位器的两端加上电源位器的两端加上电源后，电位器就组成分后，电位器就组成分压比电路，它的输出压比电路，它的输出量是与压力成一定关量是与压力成一定关系的电压系的电压Uo 。 才汛粱缮拜紫亦您型误渺拿粱饶穆抚炬糊乔浴畜妈秒杀菜韧咎懈彝袭矢赞5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章12二、传感器分类二、传感器分类 传传感感器器的的种种类类名名目目繁繁多多，分分类类不不尽尽相相

10、同。常用的分类方法有：同。常用的分类方法有： ）按按被被测测参参数数分分类类：可可分分为为位位移移、力力、力力矩矩、转转速速、振振动动、加加速速度度、温温度度、压压力力、流量、流速等传感器。流量、流速等传感器。 2）按按测测量量原原理理分分类类：可可分分为为电电阻阻、电电容容、电电感感、光光栅栅、热热电电耦耦、超超声声波波、激激光光、红红外、光导纤维等传感器。外、光导纤维等传感器。 谐肖值呻澎污光四拙文宠翁姿寞瓷弹技蚁勇辽檄歼曼疹爵纹子偿亮毕涛霜5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章13第二节第二节 传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器所测量的量传感器所测量的量( (物理量、化学

11、量及生物量等物理量、化学量及生物量等) )经常经常会发生各种各样的变化。例如，在测量某一液压系统的压会发生各种各样的变化。例如，在测量某一液压系统的压力时，压力值在一段时间内可能很稳定，而在另一段时间力时，压力值在一段时间内可能很稳定，而在另一段时间内则可能有缓慢起伏，或者呈周期性的脉动变化，甚至出内则可能有缓慢起伏，或者呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰压力。传感器主要通过其两个基本特性现突变的尖峰压力。传感器主要通过其两个基本特性静静态特性和动态特性，来反映被测量的这种变动性。态特性和动态特性，来反映被测量的这种变动性。 描述传感器输入一输出关系的方法有两种：一是传描述传感器输入一输出

12、关系的方法有两种：一是传感器的感器的数学模型数学模型；二是传感器的各种；二是传感器的各种基本特性指标基本特性指标。两。两者都可用于描述传感器的输入、输出关系及其特性。者都可用于描述传感器的输入、输出关系及其特性。 栋戒膳可楞颇刹蓑弊苇羹群恒歼马前嗅瞪真亥列炽巢邑倪窿呀漂纽馒充仲5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章14一、传感器静态特性一般知识一、传感器静态特性一般知识 传感器的静态特性是指传感器在静态工作状传感器的静态特性是指传感器在静态工作状态下的输入输出特性。所谓态下的输入输出特性。所谓静态工作状态静态工作状态是指传是指传感器的输入量恒定或缓慢变化而输出量也达到相感器的输入量恒

13、定或缓慢变化而输出量也达到相应的稳定值时的工作状态。这时输出量为输入量应的稳定值时的工作状态。这时输出量为输入量的确定函数。的确定函数。 辞汽补占笺题增法忆鹅举窖迭域涣帚畔青甚母彤谁球很颐趁瓢寡长雪晶胞5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章15对静态特性而言，传感器的输入量对静态特性而言，传感器的输入量x x与输出量与输出量y y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示：之间的关系通常可用一个如下的多项式表示： 实际使用中的大多数传感器，其用代数多项式表示实际使用中的大多数传感器，其用代数多项式表示的特性方程的次数并不高，一般不超过五次。根据传感的特性方程的次数并不高，一般不超过五次。

14、根据传感器的实际特性所呈现的特点和实际应用场合的具体需要器的实际特性所呈现的特点和实际应用场合的具体需要，其静特性方程并非一定要表示成上式所确定的完整形，其静特性方程并非一定要表示成上式所确定的完整形式。式。威登窖满扶捕猿怨谈昨嘿的骇秦采肄典抠田悸原掇场若粗楷畅汰议岛择娱5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章16 传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取的。所谓的。所谓校准试验校准试验，就是在规定的试验条件下，给传感，就是在规定的试验条件下，给传感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量。在传感器器加上标准的输入量而测出其相应的输出量。在

15、传感器的研制过程中可以通过其已知的元部件的静特性，采用的研制过程中可以通过其已知的元部件的静特性，采用图解法或解析法图解法或解析法而求出传感器可能具有的静态特性。而求出传感器可能具有的静态特性。 传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。比吵芯朋哲赚廖还裸眯茶钎肮矽摔力号揉郧踌跋妒持嗣皿械磕袒绚酚期扶5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章17二、传感器的静态特性二、传感器的静态特性指标指标 传感器的特性一般指输入、输出特性，传感器的特性一般指输入、输出特性

16、，包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定度、漂移、电磁兼容性、可靠性辨力、稳定度、漂移、电磁兼容性、可靠性等。等。 矮打途戒火奏辰返蒂男失蔫傍褒釉恨蚂浦粪是恐具戏界扒扒玻爹攘央宦焰5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章18线性度： 线性度又称非线性误差线性度又称非线性误差，是指传感器实际，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起分比。将传感器输出起始点与满量程点连接

17、起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好性度，非线性误差越小越好 。线性度。线性度的计算公的计算公式如下：式如下：涩蒂阵风捍紧恕辜技残盛惕蓖帧寂豁辰俩谰咖贾躲嗜邻伪枉揖百棵潘员硫5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章19作图法求线性度演示 （ 1 1拟合曲线拟合曲线 2 2实际特性曲线实际特性曲线 ）沼掀飘育浴珐尧篡甭弓擅株活衰硒董醇汐丧臂昏梆戴湍瑚琳湛冈恰寸溜庚5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章20 由于实际遇到的传感器大多

18、为非线性。在由于实际遇到的传感器大多为非线性。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。望得到线性关系。 因此引入各种非线性补偿环节，如采用非因此引入各种非线性补偿环节，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性，但如果传感器非线性的方次不高，线性，但如果传感器非线性的方次不高， 输入输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输线）

19、近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。线。 姚终哈坐假阳惊誓尘橡秘缝扯袍占诽泞拽詹岛运估美吠戒虱裁霉野芒履保5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章21直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合聊搅簇刘费豫抉肩宝憾去腊沛搁爽性来垣纂捐婚钟潦浴义制挫琅直忻窟乏5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章22设拟合直线方程：0yyiy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的

20、残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即i=yi-(kxi+b) 对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式四僧沾未搜振瞅泰汛喳度邻幸淀啊聚契学需草珠套以哗落疟投院闸饺产丰5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章23灵敏度 ： 灵敏度是指传感器在灵敏度是指传感器在稳态下稳态下输出变化输出变化值值（输出增量）（输出增量）与引起输出变化值的输入变与引起输出变化值的输入变化值化值（输入量增量）（输入量增量）之比之比，用，用K 来表示：来表示： 悼怀陛户逗酌舔喂攻窘鲁永子惦淋洽牵劣邯察了疤寡僻酣发求根六诽南梢5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章24 显然灵敏度表示静态特

21、性曲线上相应点的斜率。显然灵敏度表示静态特性曲线上相应点的斜率。对线性传感器，灵敏度为一个常数；对于非线性传感对线性传感器，灵敏度为一个常数；对于非线性传感器，灵敏度则为一个变量，随着输入量的变化而变化，器，灵敏度则为一个变量，随着输入量的变化而变化，她镶恋赚滓尧非赐皑怕林楞邢晨载践邢细舔嗓肠饱安危唁律旨超譬峪颠蛊5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章25迟滞迟滞: 传感器在输入量由小到大（正行程）及传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出出特性曲线不重合特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，的现象称为迟滞

22、。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 与满量程输出值之比称为迟滞误差，即与满量程输出值之比称为迟滞误差，即 壶羔绅苇列耗琶僳艇貌刁紫擂僳走匀衍熄拽魁掷兹便瞥拦甫钉耗蔗积董垫5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章26迟滞特性 迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，加轴迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，加轴承摩擦、承摩擦、间隙间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料的、螺钉松动

23、、元件腐蚀或碎裂、材料的内摩擦、积塞灰尘等。迟滞大小一般由实验确定。内摩擦、积塞灰尘等。迟滞大小一般由实验确定。 丘砌期奢市闺佑勉诚稿灭闺救导锨杨犯也掇汝日苦型们纷舆郧圭氰暖昧压5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章27重复性重复性( (repeatability or reproducibility, precision) )： 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用计算，也

24、可用正反行程中最大重复差值正反行程中最大重复差值R Rmaxmax计算，即计算，即 或或 饲溶司迫沂殆伦尊斟炊寞躁矮桥赐蓟态着荫腆巴贤唤虎限哥观脱妙茸贪计5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章28Rmax1Rmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差， Rmax2Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。碉估侵报岸弗旧娩兄忍涸报客预巩厄镀教铲恋犬廷零锭仅委岂底袭知省荫5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章29分辨力：分辨力： 指传感器能检出被测信号的指传感器能检出被测信号的最最小变化量小变化量。当被测量的变化小于分。当被测量的变化小于分辨力时，传

25、感器对输入量的变化无辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。小于仪表的最大绝对误差。 抢够哇碧斋川田株枪滞篷鞘售诛羊搐蛙程爪捌居蔓驭归喀筏棵峰戊泉蚀扫5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章30漂移：漂移： 传感器的漂移是指在传感器的漂移是指在输入量不变输入量不变的情况下，传感的情况下，传感器器输出输出量随着时间量随着时间变化变化，此现

26、象称为漂移。产生漂移，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：的原因有两个方面： 一是传感器自身结构参数；二是一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。周围环境（如温度、湿度等）。 最常见的漂移是温度最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。 温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为境温度（一般为2020）时的输出值的变化量与温度变）时的输出值的变化量与温度变化量之比

27、化量之比( () )来表示，来表示， 即即 辐鹰亿溅揉谜黔账颇蚂沟梭世阳乖骨脊拱溯捏喷茹影蒜冲植杜她骸恳翁效5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章31 可靠性可靠性 ： 可靠性是反映检测系统在规定的条件下，可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。量指标。 浴盆浴盆曲线曲线流董烙酒情糙借逸适溅玩条寓传社街猪街认窝车幼看元钱玫择葬负概婪晤5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章32稳定性：稳定性： 稳定性是指传感器在长时间工作的情况下稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间

28、工作稳定性输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。或零点漂移。 例如：测试时先将传感器输出调至零点或例如：测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔某一特定点，相隔4h4h、8h8h或一定的工作次数后，或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示误差。它可用相对误差表示, ,也可用绝对误差表也可用绝对误差表示。示。 璃嚎雨硒又何赛淄僧闲钎忽枪葬糊揣沼侯悦薪证甲闯净绑于示们辛哇舀术5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章33精确度：精确度： 精精确确度度是反映测量系统中系统误差和随机误差

29、是反映测量系统中系统误差和随机误差的综合评定指标。与精确度有关的指标有：精密度、准的综合评定指标。与精确度有关的指标有：精密度、准确度和精确度。确度和精确度。 精密度：说明测量系统指示值的分散程度。精精密度：说明测量系统指示值的分散程度。精密度反映了随机误差的大小，精密度高则随机误差小。密度反映了随机误差的大小，精密度高则随机误差小。( (思考：与重复性的关系？思考：与重复性的关系？) ) 准确度：说明测量系统的输出值偏离真值的程准确度：说明测量系统的输出值偏离真值的程度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高则系统误度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高则系统误差小。差小。 精确度：是准确度

30、与精密度两者的总和，常用精确度：是准确度与精密度两者的总和，常用仪表的基本误差表示。精确度高表示精密度和准确度都仪表的基本误差表示。精确度高表示精密度和准确度都高。高。怖欲常审蹬勋校枢拣司俊冀硅树拙期霍诈胁捉后鞍挨舞眉项加搂弊炭句禹5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章34准确度高而精密度低准确度高而精密度低准确度低而精密度高准确度低而精密度高精确度高精确度高逊绪持噎夷惭桩淮遵菱佩肩荔卜罗衷撞奸格索凛著铭搀恍剿怀邯乍么嫩蚀5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章35第三节第三节 传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时传感器测量静态信号时，由于

31、被测量不随时间变化，测量和记录的过程不受时间限制，但间变化，测量和记录的过程不受时间限制，但是实际检测中的大量被测量是随时间变化的动是实际检测中的大量被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要能精确地显示态信号，传感器的输出不仅需要能精确地显示被测量的大小，而且还能显示被测量随时间变被测量的大小，而且还能显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性来表示。态信号的能力用动态特性来表示。鲁僻摊呛较庞袜信榆誓承磊别爸炔馏厩钓山乞悔槐销十琶头兰销销膀担石5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章36一、动态参数

32、测试的特殊性一、动态参数测试的特殊性 热电偶测温过程的动态特性热电偶测温过程的动态特性策犊鹏拓搽诚付雪敷惫鲁搂缺粹会凸脂传狭绒犬盾附驼带斯芭舔藩搪违寄5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章37二、传感器的动态模型二、传感器的动态模型1 1、微分方程、微分方程 传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述：般都可以用下述的微分方程来描述： 对于常见的传感器，其动态模型通常可用零阶、一阶或二对于常见的传感器，其动态模型通常可用零阶、一阶或二阶的常微分方程来描述，分别称为零阶系统、一阶系统和二阶系阶的常微分方程来描述，分

33、别称为零阶系统、一阶系统和二阶系统。统。 在实际中，经常遇到的是在实际中，经常遇到的是阶和二阶环节的传感器。阶和二阶环节的传感器。诧弄翠硷耗删帮医抡锹巴赫粮葬煞又央锹诬疗锐棕闻衙蛊源满孔屈黍羡筏5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章38 1 1） 零阶系统零阶系统 在在方方程程式式中中的的系系数数除除了了a a0 0、b b0 0之之外外，其其它它的的系系数数均均为为零零，则则微分方程就变成简单的代数方程，微分方程就变成简单的代数方程， 即即 a0y(t)=b0x(t) 通常将该代数方程写成通常将该代数方程写成 y(t)=kx(t) 式式中中，k=b0/a0为为传传感感器器的的静静态

34、态灵灵敏敏度度或或放放大大系系数数。传传感感器器的的动动态特性用方程式态特性用方程式来描述的就称为零阶系统。来描述的就称为零阶系统。 零零阶阶系系统统具具有有理理想想的的动动态态特特性性，无无论论被被测测量量x(t)x(t)如如何何随随时时间间变变化化，零零阶阶系系统统的的输输出出都都不不会会失失真真，其其输输出出在在时时间间上上也也无无任任何滞后，何滞后， 所以零阶系统又称为比例系统。所以零阶系统又称为比例系统。 莽路盒蓬幢彤蜜肖勒路洁呆俐想肿叁墅滇在翠舀臣阜贷盾路耳隧肿迅玩矣5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章39 2 2） 一阶系统一阶系统 方方程程式式中中的的系系数数除除了

35、了a a0 0、a a1 1与与b b0 0之之外外，其其它它的的系系数数均均为为零零，则微分方程为则微分方程为 时时间间常常数数具具有有时时间间的的量量纲纲，它它反反映映传传感感器器的的惯惯性性的的大大小小， 静静态态灵灵敏敏度度则则说说明明其其静静态态特特性性。用用方方程程式式描描述述其其动动态态特特性性的的传传感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。 奇醚矛措羚靖庆吮禹煽疵雁嚎汤像赚刚屯巫楼泥星鞘拱愚诀丛脸娱函狸白5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章403 3） 二阶系统二阶系统二阶系统的微分方程为二阶系统的微分方程为 二阶系统

36、的微分方程通常改写为二阶系统的微分方程通常改写为 根据二阶微分方程特征方程根的性质不同，根据二阶微分方程特征方程根的性质不同， 二阶系统又可分为：二阶系统又可分为： 二阶惯性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根，二阶惯性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根， 它相当于两个一阶系统串联。它相当于两个一阶系统串联。 二阶振荡系统：其特点是特征方程的根为一对带负实部二阶振荡系统：其特点是特征方程的根为一对带负实部的共轭复根。的共轭复根。 畏雹炒谰阶仙粕错痴连莽班狄讫季涉实陕赖翅攻埔威赏适拆紧斥嘎釉缮祝5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章412、传递函数、传递函数 动态特性的传递函数在

37、线性或线性化定常系统中是动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为指初始条件为0 0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。当传感器的数学模型初值为氏变换之比。当传感器的数学模型初值为0 0时，对其进行时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数拉氏变换，即可得出系统的传递函数 等号右边是一个与输无关的表达式，它只与系统结等号右边是一个与输无关的表达式，它只与系统结构参数有关，因而等号右边是传感器特性的一种表达式，构参数有关，因而等号右边是传感器特性的一种表达式，它联系了输入与输出的关系，是一个描述传感器传通信它联系了输入与输出的关系，

38、是一个描述传感器传通信息特性的函数。息特性的函数。 咋瘟翔莉络邮梦窄营襟轨狸碟单接表灿轻够唆背矩踪稿羚捎倡袭升革攘砒5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章423、传感器的动态响应特性、传感器的动态响应特性 研究传感器的动态特性主要是为了分析测量时产研究传感器的动态特性主要是为了分析测量时产生动态误差的原因，传感器的生动态误差的原因，传感器的动态误差动态误差包括两部分：包括两部分：一一是输出量达到稳定状态后与理想输出量之间的差别；二是输出量达到稳定状态后与理想输出量之间的差别；二是当输入量跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之是当输入量跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态

39、中的误差间的过渡状态中的误差。研究传感器的动态响应特性，。研究传感器的动态响应特性，实际上就是分析传感器的这两种动态误差。实际上就是分析传感器的这两种动态误差。 传感器的动态特性不仅与传感器的传感器的动态特性不仅与传感器的“固有因素固有因素”有关，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，有关，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，同一个传感器在不同形式的输入信号作用下，输出量的同一个传感器在不同形式的输入信号作用下，输出量的变化是不同的，变化是不同的， 通常选用几种典型的输入信号作为标准通常选用几种典型的输入信号作为标准输入信号，研究传感器的响应特性输入信号，研究传感器的响应特性。 台窥

40、臃于朗靴另舷颓蓉友铁嗡备柴衡适喻焊殉遥摧烘田搞车旺辈救杆忿耪5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章43n 系统的动态特性取决于系统本身及输入信号的系统的动态特性取决于系统本身及输入信号的形式，工程上常用正弦函数和单位阶跃函数作为标形式，工程上常用正弦函数和单位阶跃函数作为标准的输入信号。准的输入信号。通常在时域主要分析传感器在单位通常在时域主要分析传感器在单位阶跃输入下的响应；而在频域主要分析在正弦输入阶跃输入下的响应；而在频域主要分析在正弦输入下的稳态响应，并着重从系统的幅频特性和相频特下的稳态响应，并着重从系统的幅频特性和相频特性来讨论。性来讨论。n （1）传感器阶跃响应）传感器

41、阶跃响应 n 当当传传感感器器输输入入一一个个单单位位阶阶跃跃信信号号时时，其其输输出出信信号号称为称为阶跃响应阶跃响应。樊傀振剐侨万咖刷痛甭违帚库骑迸俺谜颅藉恿伦删赴屑筒听炔檄夺欠磺鲁5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章44n常见的一阶、二阶传感器阶跃响应曲线见图，主要常见的一阶、二阶传感器阶跃响应曲线见图，主要动态指标包括：动态指标包括： 一阶传感器的阶跃响应曲线一阶传感器的阶跃响应曲线 二阶传感器阶跃响应曲线二阶传感器阶跃响应曲线烙款仍省笺硬擂枚雍绸剩墙卫诌缔抱此脏宵瞬你述毁脱访剑假呐炸埠恰愚5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章45n 时时间间常常数数 ：传传感感

42、器器输输出出 由由零零上上升升到到稳稳态态值值 的的63.2%所所需需的的时间，见图。时间，见图。n 上上升升时时间间 ：传传感感器器输输出出 由由稳稳态态值值的的10%上上升升到到90%所所需需的的时时间，见图。间，见图。n 调调节节时时间间 ：传传感感器器输输出出 由由零零上上升升达达到到并并一一直直保保持持在在允允许许误误差差范围范围 所需的时间。所需的时间。 可以是可以是2%、5%或或10%，根据实际情况确定。，根据实际情况确定。n 最最大大超超调调量量 ：输输出出最最大大值值 与与输输出出稳稳态态值值 的的相相对对误误差差，即即n 振荡次数振荡次数 ：调节时间内，输出量在稳态值附近上

43、下波动的次数。：调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。n 稳态误差稳态误差 ：无限长时间后传感器的稳态输出值：无限长时间后传感器的稳态输出值 与目标值与目标值n 之间偏差的相对值，即之间偏差的相对值，即暑产晚流泅禁踞鞍仁麻饥窝昭豌郧切癣雇砰蚊陨疗赫惫臭石奴捷苍倍虫氨5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章46 （2）频率响应特性）频率响应特性 传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。一个传感器输入端应特性，称为频率响应特性。一个传感器输入端有正弦信号作用时，其输出响应仍然是同频率的有正弦信号作用时，其输出响应仍然是同频率的正弦信号，正弦信号， 只是与输入端正弦信号的幅值和相只是与输入端正弦信号的幅值和相位不同。频率响应法是从传感器的频率特性出发位不同。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值比和两者相位差研究传感器的输出与输入的幅值比和两者相位差的变化。的变化。碱盗烈阮湿殷坡姑猛龋褪揍寿馈驮槐篮呈拎姓吼蒙和层贿挖袋硫亚损篡超5传感器及基本特性第四章5传感器及基本特性第四章47