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1、第一章第一章 检测技术的基本概念检测技术的基本概念 本章学习本章学习测量的基本概念、测量方测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处法、误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基本特性等，他们是理，以及传感器的基本特性等，他们是检测与转换技术的理论基础。检测与转换技术的理论基础。传感器检测技术第一节第一节 检测技术的基本概念及方法检测技术的基本概念及方法 静态测静态测量量 传感器检测技术 对缓慢变化的对象进对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。行测量亦属于静态测量。 最高、最低最高、最低温度计温度计传感器检测技术 动态测量动态测量 地震测量地震测量振动波形振动波形传感器检
2、测技术便携式仪表便携式仪表 可以显示波形可以显示波形的便携式仪表的便携式仪表传感器检测技术直接测量直接测量 电子卡尺电子卡尺传感器检测技术间接测量间接测量 对多个被测量进行测量，经过计算对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。 传感器检测技术接触式测量接触式测量 传感器检测技术非接触式测量非接触式测量 例：雷达测速例：雷达测速车载电子警察车载电子警察传感器检测技术离线测量离线测量 产品质量检验产品质量检验传感器检测技术在线测量在线测量 在流水线上，边加工，边在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加检验，可提高产品的一致性
3、和加工精度。工精度。传感器检测技术第二节第二节 测量误差及分类测量误差及分类 绝对误差：绝对误差： = =A Ax x0 0 某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg大大米、米、10kg苹果、苹果、1kg巧克力，发现均缺少约巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？最大，是何原因？ (1-1)传感器检测技术相对误差及精度等级相对误差及精度等级 几个重要公式：几个重要公式：传感器检测技术仪表的准确度等级和基本误差仪表的准确度等级和基本误差 例：某指针式电压表的精度为例：某指针式电压表的精度为2.52.5级，
4、用它来测量电压时可能产生级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为的满度相对误差为2.5% 2.5% 。传感器检测技术例：某指针式万用某指针式万用表的面板如图所示，表的面板如图所示，问：用它来测量问：用它来测量直直流流、交流（交流（）电电压时，可能产生的压时，可能产生的满度相对误差分别满度相对误差分别为多少？为多少？传感器检测技术例：例：用指针式万用表用指针式万用表的的10V量程测量一只量程测量一只1.5V干电池的电压，干电池的电压，示值如图所示，问：示值如图所示，问：选择该量程合理吗？选择该量程合理吗？传感器检测技术 用用2.5V量程测量程测量同一只量同一只1.5V干电干电池的电压，与上图
5、池的电压，与上图比较，问示值相对比较，问示值相对误差哪一个大？误差哪一个大？传感器检测技术 用用2.5V量程测量程测量同一只量同一只1.5V干电干电池的电压，与上图池的电压，与上图比较，问示值相对比较，问示值相对误差哪一个大？误差哪一个大？传感器检测技术1、某压力表准确度为某压力表准确度为2.5级，量程为级，量程为0-1.5MPa，求：，求：1）可能出现的最大满度相对误差）可能出现的最大满度相对误差 。2）可能出现的最大绝对误差）可能出现的最大绝对误差 为多少为多少KPa？3）测量结果显示为）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现时，可能出现的最大示值相对误差的最大示值相对误差 ?例题：例题
6、：2、现有准确度为、现有准确度为0.5级的级的0-300C的和准的和准 确确度为度为1.0级的级的0-100C的两个温度计，要测量的两个温度计，要测量80C的温度，试问采用哪一个温度计好？的温度，试问采用哪一个温度计好？传感器检测技术误差产生的因素误差产生的因素：1.1.粗大误差粗大误差 明显偏离真值的误差称为粗大误差，也明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干
7、扰等造成的误差。就数值大界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。差。当发现粗大误差时，应予以剔除。传感器检测技术 2. 2.系统误差：系统误差： 系统误差也称装置误差，它系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。变化者，均属于系统误差。 系统误差是有规律性的，因系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重正值
8、的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以新调整测量仪表的有关部件予以消除。消除。 传感器检测技术3.3.随机误差随机误差 在在同同一一条条件件下下，多多次次测测量量同同一一被被测测量量，有有时时会会发发现现测测量量值值时时大大时时小小，误误差差的的绝绝对对值值及及正正、负负以以不不可可预预见见的的方方式式变变化化，该该误误差差称称为为随随机机误误差差，也也称称偶偶然然误误差差，它它反反映映了了测测量量值值离离散散性性的的大大小小。随随机机误误差差是是测测量量过过程程中中许许多多独独立立的的、微微小小的的、偶偶然然的的因因素素引引起起的的综综合合结结果。果。 存在随机存在随机误误差的
9、差的测测量量结结果中，果中，虽虽然然单单个个测测量量值误值误差的出差的出现现是随机的，既不能用是随机的，既不能用实实验验的方法消除，也不能修正，但是就的方法消除，也不能修正，但是就误误差的差的整体而言，多数随机整体而言，多数随机误误差都服从正差都服从正态态分布分布规规律。律。 传感器检测技术随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律长度相对测量值长度相对测量值次次数数统统计计传感器检测技术随机事例的几个例子随机事例的几个例子 彩票摇奖彩票摇奖传感器检测技术第三节第三节 传感器的定义、组成和分类方法传感器的定义、组成和分类方法第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器
10、概述根据中华人民共和国国家标准（GB7665-1987），传感器的定义是：指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。换成可用输出信号的器件或装置。狭义上说：传感器就是将被测非电量转换成便于处理和传狭义上说：传感器就是将被测非电量转换成便于处理和传输的电信号的器件或装置。输的电信号的器件或装置。有时也会被称为换能器、变换器、探测器、测量头或一有时也会被称为换能器、变换器、探测器、测量头或一次仪表等。次仪表等。1 1、传感器定义、传感器定义、传感器定义、传感器定义传感器检测技术传感器由传感器由传感器由传感器由敏感元件、转换元件、转
11、换电路敏感元件、转换元件、转换电路敏感元件、转换元件、转换电路敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：三部分组成：三部分组成：三部分组成：敏感敏感敏感敏感元件元件元件元件辅助电源辅助电源辅助电源辅助电源转换转换转换转换元件元件元件元件 被测被测被测被测非电量非电量非电量非电量 有用有用有用有用非电量非电量非电量非电量有有有有 用用用用电电电电 量量量量转换转换转换转换电路电路电路电路电电电电 量量量量第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述2、传感器的组、传感器的组成成传感器检测技术三、传感器的组成三、传感器的组成 举例：测量压力的电位器式压力传感举例：测量压力
12、的电位器式压力传感器器 1-弹簧管弹簧管 2-电位器电位器传感器传感器 组成框图组成框图传感器检测技术弹性弹性敏感元件（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。传感器检测技术弹性弹性敏感元件（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在下图中，弹簧管将压力转换为角位移移传感器检测技术弹簧管放大图弹簧管放大图 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
13、齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。角位移。 传感器检测技术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。传感器检测技术压力传感器的压力传感器的外形及内部结构外形及内部结构传感器检测技术被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量参量 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） 传感器检测技术 360360度圆盘形电位器度圆盘形电位器 右图所右
14、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。 接地接地传感器检测技术 测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参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、电流或频率量。量转换成易于处理的电压、电流或频率量。 在左图中，当在左图中，当电位器的两端加上电位器的两端加上电源后，电位器就电源后，电位器就组成分压比电路，组成分压比电路，它的输出量是与压它的输出量是与压力成一定关系的电力成一定关系的电压压Uo 。 传感器检测技术分压比电路的计算公式如下分压比电路的计算公式如下： 直直滑
15、滑电电位位器器式式传传感感器器的的输输出出电电压压Uo与与滑滑动动触触点点C的位移量的位移量x成正比：成正比： 对圆盘式电位器来说，对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：与滑动臂的旋转角度成正比： 传感器检测技术敏感元件敏感元件转换元件转换元件压力传感器示例压力传感器示例传感器检测技术传感器检测技术四、传感器分类四、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，分分类类不不尽相同。常用的分尽相同。常用的分类类方法有：方法有： ）按按被被测测量量分分类类：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、流量、流速等力、流量、流速等传传
16、感器。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、激光、红外、光导纤维等传感器。激光、红外、光导纤维等传感器。 本教材采用第二种分类法。本教材采用第二种分类法。 传感器检测技术作业：作业：1、某压力表准确度为某压力表准确度为2.5级，量程为级，量程为0-1.5MPa，求：，求：1）可能出现）可能出现的最大满度相对误差的最大满度相对误差 。2）可能出现的最大绝对误差）可能出现的最大绝对误差 为多为多少少KPa？3）测量结果显示为）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值时，可能出现的最大示值相对误差相对误差
17、?传感器检测技术第三节第三节 传感器的基本特性传感器的基本特性 q 传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入输入输入输入与与与与输出输出输出输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传号，输出特性是不同的，对快变
18、信号与慢变信号，由于受传号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。反应大不相同。反应大不相同。反应大不相同。 快变快变快变快变 信号考虑输出的信号考虑输出的信号考虑输出的信号考虑输出的动态特性动态特性动态特性动态特性即随时间变化的特性；即随时间变化的特性；即随时间变化的特性；即随时间变化的特性； 慢变慢变慢变慢变 信号研究信号研究信号研究信号研究静态特性静态
19、特性静态特性静态特性，即不随时间变化的特性。，即不随时间变化的特性。，即不随时间变化的特性。，即不随时间变化的特性。第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术2.32.3传感器静态特性传感器静态特性 当输入量（当输入量（当输入量（当输入量（X X X X）为静态（常量）或变化缓慢的信）为静态（常量）或变化缓慢的信）为静态（常量）或变化缓慢的信）为静态（常量）或变化缓慢的信 号时号时号时号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关（如温度、压力
20、），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。系称静态特性。系称静态特性。系称静态特性。一般情况下，输入与输出特性不完全符合要求的线性关系一般情况下，输入与输出特性不完全符合要求的线性关系一般情况下，输入与输出特性不完全符合要求的线性关系一般情况下，输入与输出特性不完全符合要求的线性关系或某种特定的函数关系。或某种特定的函数关系。或某种特定的函数关系。或某种特定的函数关系。 静态特性可以用函数式表示为静态特性可以用函数式表示为静态特性可以用函数式表示为静态特性可以用函数式表示为 静态特性包括：静态特性包括：静态特性包括：静态特性包括： 线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性等线性度、迟滞、重
21、复性、灵敏度、稳定性等线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性等线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性等 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术（1 1）线性度）线性度v 传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：其中：其中：其中：其中： X X X X 输入量，输入量，输入量，输入量， Y Y Y Y 输出量；输出量；输出量；输出量； a a a a0 0 0 0 x = 0 x = 0 x = 0 x = 0
22、 时的输出值时的输出值时的输出值时的输出值 a a a a1 1 1 1 理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度 a a a a2, 2, 2, 2, a a a a3.3.3.3.a a a an n n n 非线性项系数非线性项系数非线性项系数非线性项系数 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术v 传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差 表示：表示：表示：表示： 最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对
23、误差最大非线性绝对误差 满量程输出满量程输出满量程输出满量程输出 线性度线性度线性度线性度YXYiXiLmaxY=kx+b第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术各种直线拟合方法各种直线拟合方法第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术（2 2）灵敏度）灵敏度vv在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线
24、性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S = Y/X S = Y/X S = Y/X S = Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量： S = dy/dx S = dy/dx S = dy/dx S = dy/dx第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术（3 3）迟滞）迟滞vv 传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟
25、滞。传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术v 迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示： 例：一电子秤例：一电子秤例：一电子秤例：一电子秤 增加砝码增加砝码增加砝码增加砝码 10g 50g 100g 200g 10g 50g 100g 200g 10g 50g 100g 200g 10g 50g 100g 200g 电桥输出电桥输出电桥输出电桥输出 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 0.
26、5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 减砝码输出减砝码输出减砝码输出减砝码输出 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv 为正、反为正、反 行程输出值间的最大差值行程输出值间的最大差值产生原因：由于传感器敏感元件材料的物理改制和机械另部件的缺陷所造成的，产生原因：由于传感器敏感元件材料的物理改制和机械另部件的缺陷所造成的，产生原因：由于传感器敏感元件材料的物理改制和机械另部件的缺陷所造
27、成的，产生原因：由于传感器敏感元件材料的物理改制和机械另部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术（4 4）重复性）重复性vv 传感器输入量按同一方向作多次测量时，传感器输入量按同一方向作多次测量时，传感器输入量按同一方向作多次测量时，传感器输入量按同一方
28、向作多次测量时， 输出特性不一致的程度。输出特性不一致的程度。输出特性不一致的程度。输出特性不一致的程度。 vv 属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示： 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术（5 5）稳定性）稳定性vv 包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持
29、其示所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力。值不变的能力。值不变的能力。值不变的能力。闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器8 8 8 8小时长期稳定性测量散点图小时长期稳定性测量散点图小时长期稳定性测量散点图小时长期稳定性测量散点图第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比表示。稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比表示。稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比表示
30、。稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比表示。例：某仪表输出电压值在例：某仪表输出电压值在例：某仪表输出电压值在例：某仪表输出电压值在8h8h8h8h内的最大变化量为内的最大变化量为内的最大变化量为内的最大变化量为1.2mV1.2mV1.2mV1.2mV，则表示为，则表示为，则表示为，则表示为1.2mV/(8h)1.2mV/(8h)1.2mV/(8h)1.2mV/(8h) 环境影响量指由外界坏境变化而引起的示值变化量。由两个因素构成，一环境影响量指由外界坏境变化而引起的示值变化量。由两个因素构成，一环境影响量指由外界坏境变化而引起的示值变化量。由两个因素构成，一环境影响量指由外界坏境变化
31、而引起的示值变化量。由两个因素构成，一个是零漂、二是灵敏度漂移。表示环境影响量时，必须同时写出示值偏差个是零漂、二是灵敏度漂移。表示环境影响量时，必须同时写出示值偏差个是零漂、二是灵敏度漂移。表示环境影响量时，必须同时写出示值偏差个是零漂、二是灵敏度漂移。表示环境影响量时，必须同时写出示值偏差及造成这一偏差的影响因素。及造成这一偏差的影响因素。及造成这一偏差的影响因素。及造成这一偏差的影响因素。例：例：例：例： 表示电源电压变化表示电源电压变化表示电源电压变化表示电源电压变化5%5%5%5%时，将引起示值变化时，将引起示值变化时，将引起示值变化时，将引起示值变化0.1uA.0.1uA.0.1u
32、A.0.1uA.例：某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数例：某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数例：某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数例：某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数字面板表，它的量程为字面板表，它的量程为字面板表，它的量程为字面板表，它的量程为0-10m0-10m0-10m0-10m（从面板表上可以看到，（从面板表上可以看到，（从面板表上可以看到，（从面板表上可以看到，事实上只能显示事实上只能显示事实上只能显示事实上只能显示9.99m,9.99m,9.99m,9.99m,属于属于属于属于3 3 3 3位表），非线性训差为位表），非线性训差为位表），非线性训差
33、为位表），非线性训差为1.5%1.5%1.5%1.5%，使用环境温度为，使用环境温度为，使用环境温度为，使用环境温度为0-300-300-300-30度，温漂为度，温漂为度，温漂为度，温漂为0.001m/0.001m/0.001m/0.001m/度，请度，请度，请度，请确定该产品是否能满足满度相对误差不大于确定该产品是否能满足满度相对误差不大于确定该产品是否能满足满度相对误差不大于确定该产品是否能满足满度相对误差不大于2.0%2.0%2.0%2.0%的要的要的要的要求。求。求。求。传感器检测技术（6 6）分辨力和分辨率）分辨力和分辨率vv 分辨力分辨力分辨力分辨力 传感器能够检测信号的最小变化
34、量，是有量纲的传感器能够检测信号的最小变化量，是有量纲的传感器能够检测信号的最小变化量，是有量纲的传感器能够检测信号的最小变化量，是有量纲的数。数。数。数。vv对数字仪表而言，一般可以认为最后一位表示的数值就是它的对数字仪表而言，一般可以认为最后一位表示的数值就是它的对数字仪表而言，一般可以认为最后一位表示的数值就是它的对数字仪表而言，一般可以认为最后一位表示的数值就是它的分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对
35、误差。误差。误差。误差。vv分辨率分辨率分辨率分辨率将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率。常将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率。常将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率。常将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率。常以百分比或几分之一表示。以百分比或几分之一表示。以百分比或几分之一表示。以百分比或几分之一表示。 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术2.42.4传感器动态特性传感器动态特性 当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时, , , ,如如如如 : : : :加速度、振动等，加速度、振动
36、等，加速度、振动等，加速度、振动等， 讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。 这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。 用时域法表示成：用时域法表示成：用时域法表示成：用时域法表示成： 用频域法表示为：用频域法表示为：用频域法表示为：用频域法表示为： 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术 动态特性是动态特性是动态特性是动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的指传感器输出对时间
37、变化的输入量的指传感器输出对时间变化的输入量的指传感器输出对时间变化的输入量的 响应特性：响应特性：响应特性：响应特性： 除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差；出之间的差异就是动态误差；出之间的差异就是动
38、态误差；出之间的差异就是动态误差； 传感器输出传感器输出传感器输出传感器输出对时间变化的输入量对时间变化的输入量对时间变化的输入量对时间变化的输入量的响应既反映了传感器的的响应既反映了传感器的的响应既反映了传感器的的响应既反映了传感器的动态特性。动态特性。动态特性。动态特性。 一般用传感器对于一般用传感器对于一般用传感器对于一般用传感器对于标准动态输入信号标准动态输入信号标准动态输入信号标准动态输入信号的响应来衡量传感器的响应来衡量传感器的响应来衡量传感器的响应来衡量传感器的动态特性。标准动信号为的动态特性。标准动信号为的动态特性。标准动信号为的动态特性。标准动信号为正弦信号、阶跃信号正弦信号
39、、阶跃信号正弦信号、阶跃信号正弦信号、阶跃信号和单位脉冲和单位脉冲和单位脉冲和单位脉冲信号。信号。信号。信号。第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术例：动态测温例：动态测温例：动态测温例：动态测温 设环境温度为设环境温度为设环境温度为设环境温度为T T T T0 0 0 0 , , , ,水槽中水的温度为水槽中水的温度为水槽中水的温度为水槽中水的温度为T,T,T,T,而且而且而且而且 T T T T T T T T0 0 0 0 传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中； 用热电偶测温
40、用热电偶测温用热电偶测温用热电偶测温, , , ,理想情况测试曲线理想情况测试曲线理想情况测试曲线理想情况测试曲线T T T T是阶跃变化的；是阶跃变化的；是阶跃变化的；是阶跃变化的； 实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程水温水温T热电偶热电偶环境温度To To T T ToTo第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术（1 1） 传递函数传递函数 传感器系统传感器系统输入激励输入激励输入激励输入激励 X X X
41、 X（t)t)t)t)输出响应输出响应输出响应输出响应 Y Y Y Y（t)t)t)t) 当输入量随时间变化时，略去影响小的因素，假设传感当输入量随时间变化时，略去影响小的因素，假设传感当输入量随时间变化时，略去影响小的因素，假设传感当输入量随时间变化时，略去影响小的因素，假设传感器输入、输出在线性范围变化，它们的关系可用高阶常系数器输入、输出在线性范围变化，它们的关系可用高阶常系数器输入、输出在线性范围变化，它们的关系可用高阶常系数器输入、输出在线性范围变化，它们的关系可用高阶常系数线性微分方程表示：线性微分方程表示：线性微分方程表示：线性微分方程表示： 式中：式中：式中：式中： Y Y Y
42、 Y输出；输出；输出；输出；XXXX输入；输入；输入；输入；a a a ai i i i 、b b b bi i i i 为为常数常数常数常数第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术时时第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述拉氏变换的性质：拉氏变换的性质：1、线性组合定理线性组合定理 L af1(t) bf2(t)=a L f1(t) b L f2(t) 2、微分定理微分定理传感器检测技术对微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到对微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到对微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到对微分方
43、程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数复变函数复变函数复变函数 传感器检测技术传感器检测技术传感器的传递函数：传感器的传递函数：传感器的传递函数：传感器的传递函数： 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传递函数的特点是：传递函数的特点是：传递函数的特点是：传递函数的特点是：（1 1 1 1）H H H H（S S S S）与输入无关，不因）与输入无关，不因）与输入无关，不因）与输入无关，不因x(t)x(t)x(t)x(t)而异，只反应系统的特性。而异，只反应系统的特性。而异，只反应系统的特性。而异，只反应系统的特性。（2 2 2 2）H H H H（S S
44、 S S）只反应系统的响应特性，而与具体的物理结构无关。）只反应系统的响应特性，而与具体的物理结构无关。）只反应系统的响应特性，而与具体的物理结构无关。）只反应系统的响应特性，而与具体的物理结构无关。（3 3 3 3）S S S S的幂次的幂次的幂次的幂次n n n n表示系统的阶次，如表示系统的阶次，如表示系统的阶次，如表示系统的阶次，如n=1n=1n=1n=1或或或或n=2n=2n=2n=2，分别称为一阶系统或二，分别称为一阶系统或二，分别称为一阶系统或二，分别称为一阶系统或二阶系统。阶系统。阶系统。阶系统。传感器检测技术（2 2）一阶系统的动态响应（惯性系统）一阶系统的动态响应（惯性系统
45、） v 一阶系统传递函一阶系统传递函数数静态灵敏度静态灵敏度静态灵敏度静态灵敏度 时间常数时间常数时间常数时间常数传递函数可简化为：传递函数可简化为：传递函数可简化为：传递函数可简化为： 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述如：热电偶测温系统、如：热电偶测温系统、如：热电偶测温系统、如：热电偶测温系统、RCRCRCRC电路均为一阶系统。电路均为一阶系统。电路均为一阶系统。电路均为一阶系统。传感器检测技术v 一阶传感器的阶跃响应（瞬态响应） 由拉氏变换得到单位阶跃响应信号为：由拉氏变换得到单位阶跃响应信号为： 一阶系统一阶系统第第第第2 2 2 2章章章章 传
46、感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术讨论：讨论： 瞬态响应是指数函数，输出曲线逐渐达到稳定；瞬态响应是指数函数，输出曲线逐渐达到稳定； 理论上理论上tt时才能达到稳定，当时才能达到稳定，当t=t=时即达到时即达到 稳定值的稳定值的63.2%63.2%，可见时间常数，可见时间常数越小越好，是越小越好，是 反映一阶传感器的重要参数；反映一阶传感器的重要参数； 实际运用时实际运用时t = 4t = 4时工程上认为已达到稳定；时工程上认为已达到稳定； 由曲线看出它与动态测温相似，所以动态测温由曲线看出它与动态测温相似，所以动态测温 是典型的一阶系统是典型的一阶系统 。第第第第2 2 2
47、 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术v 一阶传感器的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术 输入正弦信号输入正弦信号 拉氏变换后拉氏变换后 一阶系统一阶系统一阶系统一阶系统第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述v 一阶传感器的频率响应（频率响应特性）传感器检测技术反变换后得出输出的振幅和频率变化特性反变换后得出输出的振幅和频率变化特性输出输出y(t)y(t)有个两部分，瞬态响应成分、稳态响应成有个两部分，瞬态响应成分、稳态响应成分，瞬态响应随时间分，瞬态
48、响应随时间t t逐渐消失。逐渐消失。第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术忽略瞬态响应，稳态响应整理后为：忽略瞬态响应，稳态响应整理后为：幅幅频特性：频特性：相相频特性：频特性：第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术讨论：讨论：讨论：讨论： 一阶系统在时间常数一阶系统在时间常数 1 1才近似零阶系统特性，才近似零阶系统特性， A A（）k,k,（）0; 0; 输出输出y(t)y(t)反映输入反映输入x(t); x(t); 当当= 1 = 1 时，传感器灵敏度下降了时，传感器灵敏度下降了3dB3dB，
49、如果灵敏度，如果灵敏度 下降到下降到3db3db时的频率为工作频率上限，则：上限频率时的频率为工作频率上限，则：上限频率 为为W WH H=1/=1/，所以时间常数，所以时间常数越小，越小，W WH H越高工作频率越高工作频率 越宽，响应越好；越宽，响应越好； 另外，另外， 1 1 时，输入输出关系接近线性，输出时，输入输出关系接近线性，输出 较真实反映输入变化。较真实反映输入变化。第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术（2 2）二阶系统的动态响应（振动系统）二阶系统的动态响应（振动系统） v 二阶系统传递函数二阶系统传递函数无阻尼固有频率无阻尼
50、固有频率静态灵敏度静态灵敏度阻尼比阻尼比第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术v 二阶传感器的阶跃响应二阶传感器的阶跃响应输入阶跃信号时拉氏变换为输入阶跃信号时拉氏变换为输入阶跃信号时拉氏变换为输入阶跃信号时拉氏变换为输出拉氏变换输出拉氏变换输出拉氏变换输出拉氏变换二价系统二价系统二价系统二价系统第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术v 二阶传感器的阶跃响应反变换为：反变换为：反变换为：反变换为：式中：式中：第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术用用用
51、用 y(t) y(t) y(t) y(t)作图，不同阻尼比作图，不同阻尼比作图，不同阻尼比作图，不同阻尼比值曲线形式不同值曲线形式不同值曲线形式不同值曲线形式不同第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术讨论讨论讨论讨论： 根据阻尼比根据阻尼比大小可分四种情况：大小可分四种情况： 1.=01.=0，零阻尼等幅振荡，产生自激永远达不到，零阻尼等幅振荡，产生自激永远达不到 稳定；稳定； 2.12.14.1过阻尼，稳定时间较长。过阻尼，稳定时间较长。 实际取值稍有一点欠阻尼调整实际取值稍有一点欠阻尼调整,取取0.60.8 0.60.8 过冲量不太大，稳定时
52、间不太长。过冲量不太大，稳定时间不太长。第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术一阶、二阶两条典型的阶跃响应曲线一阶、二阶两条典型的阶跃响应曲线一阶、二阶两条典型的阶跃响应曲线一阶、二阶两条典型的阶跃响应曲线 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术v 二阶传感器的频率响应 一个起始静止的二阶系统一个起始静止的二阶系统, ,输入正弦信号输入正弦信号, ,频率为频率为时输出拉氏变换为：时输出拉氏变换为：第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术v 二阶传感器的频
53、率响应幅幅频特性频特性相相频频特性特性第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术幅幅频特性频特性幅幅频频特性特性传感器检测技术传感器检测技术讨论：讨论：讨论：讨论： 当当当当1(1(1(1(或或或或0.707),0.707),0.707),时，时，时，时， 幅值幅值幅值幅值A() 1A() 1A() 1A() 1，（） 0 0 0 0； 当当当当1, 1, 1, 1, 且且且且/n n n n=1=1=1=1时，在时，在时，在时，在/n n n n=1=1=1=1附附附附 近有个峰值，会产生共振，相位差近有个峰值，会产生共振，相位差近有个峰值，会产生
54、共振，相位差近有个峰值，会产生共振，相位差909090900 0 0 0-180-180-180-1800 0 0 0； 传感器固有频率传感器固有频率传感器固有频率传感器固有频率n n n n至少应大于被测信号频率至少应大于被测信号频率至少应大于被测信号频率至少应大于被测信号频率 的的的的35353535倍倍倍倍n n n n（3 3 3 35 5 5 5），保证增益避免共，保证增益避免共，保证增益避免共，保证增益避免共 振。振。振。振。 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术本章小结：本章小结：1.1.1.1.传感器的静态特性指标包括：线性度、
55、迟滞、传感器的静态特性指标包括：线性度、迟滞、传感器的静态特性指标包括：线性度、迟滞、传感器的静态特性指标包括：线性度、迟滞、 重复性、灵敏度、稳定性。重复性、灵敏度、稳定性。重复性、灵敏度、稳定性。重复性、灵敏度、稳定性。 2.2.2.2.传感器的动态特性参数有：瞬态响应特性，频传感器的动态特性参数有：瞬态响应特性，频传感器的动态特性参数有：瞬态响应特性，频传感器的动态特性参数有：瞬态响应特性，频 率响应特性。率响应特性。率响应特性。率响应特性。 3.3.3.3.分别讨论一阶传感器、二阶传感器的传递函数、分别讨论一阶传感器、二阶传感器的传递函数、分别讨论一阶传感器、二阶传感器的传递函数、分别讨论一阶传感器、二阶传感器的传递函数、 传感器幅频特性、相频特性。传感器幅频特性、相频特性。传感器幅频特性、相频特性。传感器幅频特性、相频特性。 第第第第2 2 2 2章章章章 传感器概述传感器概述传感器概述传感器概述传感器检测技术
