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1、智能仪器设计根底二_第二讲智能仪器的输入2.1传感器的分类物理物理物理传传传感器感器感器p物性型传感器p利用功能资料本身所特有的特性及效应把被丈量转换为电量。p构外型传感器p以构造外形、尺寸为根底，利用某些物理规律实现把被测信息转换为电量。化学化学化学传传传感器感器感器p利用电化学反响原理，把无机、有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器p中心是离子选择性敏感膜生物生物生物传传传感器感器感器p利用生物活性物质选择性识别和测定生物化学物质的传感器p两大部分构成：p功能识别物质酶，抗原，微生物，细胞等p电光信号转换安装生物化学反响转换为电信号或光信号_2134567891011121314物
2、性型：光敏特性光电效应、光纤传感器压敏特性压电效应、压阻效应、压磁效应热敏特性热电效应、热敏电阻湿敏特性水分子亲和力型、非水分子亲和力型磁敏特性霍尔效应、磁阻效应、磁敏管色敏特性光谱型气敏特性半导体气敏第二讲智能仪器的输入1物理传感器_第二讲智能仪器的输入外光电效应在光的照射下，使电子逸出物体外表而产生光电子发射的景象称为外光电效应。n爱因斯坦光电效应方程:n入射光子能量=逸出功+光电子初动能n红限频率(截止频率)n产生光电效应的条件：n红限频率与资料有关，而与光强无关普朗克常数：光子频率：n电子一旦吸收了一个光子的能量，就可以立刻从金属外表逸出，n所以无须时间累积，呼应时间不超越1ns_第二
3、讲智能仪器的输入内光电效应1光照射在半导体资料上，资料中处于价带的电子吸收光子能量，经过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体资料产生电效应。内光电效应按其任务原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。n纯真半导体光子能量必需大于资料的禁带宽度Eg才干产生n内光电效应，能使价电子跃迁到导带的光谱的最大波长称n为截止波长，01240/Eg(nm)。n掺杂型半导体光子能量只需大于施主能级与导带底或者受n主能级与价带顶能级差，截止波长01240/Ei(nm)n光电导效应半导体遭到光照时会产生光生电子空穴对(electron-holepairs)，使导电
4、性能加强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的景象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置任务的光敏二极管与三极管。光敏电阻光敏二极管光敏三极管_第二讲智能仪器的输入n光生伏特效应光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内依然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区。当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一景象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光
5、电池。内光电效应2短路电流开路电压N区流向P区光生电流正向二极管电流PN结反相饱和电流PN结正向偏压波尔兹曼常数K=1.380650510-23J/KPN结常数，12之间绝对温度电子电量1.610-19短路电流开路电压_第二讲智能仪器的输入n硅光电池的特性内光电效应3硅光电池的光照特性曲线硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的光谱特性曲线_第二讲智能仪器的输入n侧向光生伏特效应Dember效应n当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度而产生光电势的效应。n光电磁效应PEM效应n半导体遭到强光照射，并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端间产生电势的景象称为光电磁效应，
6、它可以看成是光分散电流的霍尔效应。n贝克勒耳效应Becquerel效应n贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样的电极中的任一个电极时，两个电极间将产生电势的景象称为贝克勒耳效应。内光电效应4_第二讲智能仪器的输入光纤传感器1n根本原理：光纤传感器是一种与以电为根底的传感器迥然不同的传感器，它以光学丈量为根底，是一种把被丈量的形状转变为可测光信号的安装。它由光发送器、敏感元件光纤或者非光纤的、光接纳器、信号处置系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经过源光纤导引到敏感元件，在这里光的某一性质遭到被丈量的调制，已调光经接纳光纤耦合到光接纳器，使光信号变成电信号，最后经信号
7、处置系统处置。n光纤传感器普通可分为两大类：一类是功能型传感器(FunctionFiberOpticSensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被丈量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。n优点：电绝缘，抗电磁干扰，对被测场不产生干扰，高灵敏度，容易实现对被测信号的远间隔监控，几何外形有多方面的顺应性，传输频带宽30MHz10GHz，电气无源
8、系统无可动部分，无电源,万能传感器：电流、磁场、电压、电场、温度、速度、位移、加速度、压力、流量、浓度、pH值、振动、音响、射线、图像等。n光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2的整数倍时，将构成驻波。构成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模；而纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF)光纤传感器。_第二讲智能仪器的输入光纤传感器2光线由折射率为n
9、0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为:数值孔径石英光纤的NA=0.20.4光信号在光纤中传播时，其功率随间隔L的添加呈指数衰减，可以经过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性规范单模光纤(SMF)在1550nm的损耗系数为0.2dB/km色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决呵斥困难，色散用色散系数衡量带宽间隔积，D为色散系数，规范单模光纤在1550nm处色散系数为17ps/kmnm例子：思索一个任务在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，运用规范单模光纤D = 17 ps/kmnm，那么系统带宽和间隔乘积： BL
10、 nb，当A和B金属接触在一同，A金属中自在电子向B金属中分散，这时A金属由于失去电子而具正电位，B金属由于得到电子而带负电。这种分散不断到动态平衡为止，而得到一个稳定的接触电势。该电势除了与资料有关，也与温度有关。单一导体的温差电势：对一根均质的金属导体，假设两端温度不同，分别T和T0TT0，那么在两端也会产生电动势，这个电势叫做汤姆逊电势。热电效应7电阻的电阻率普通都与温度相关，故可用于丈量温度。热敏电阻是用一种半导体资料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，并能直接将温度的变化转换为电量的变化。热敏电阻8由于水分子有较大的偶极矩，故其易于吸附在固体外表并浸透入固体内部。水分子
11、这种吸附和浸透特性称水分子亲和力。水分子吸附在物体外表或渗入物体内部后，物体的电气物理性能发生变化，利用这种变化可构成多种水分子亲和力型湿敏传感器。例如金属氧化物陶瓷吸收水分子后发生长度、电阻、电容等性能发生变化可构成湿敏传感器。水分子亲和型湿敏特性_第二讲智能仪器的输入91微波湿敏传感器：微波在含水蒸气的空气中传播时，由于水蒸汽吸收微波产生一定的损耗，损耗大小随波长而异，在22.235GHz时，微波损耗量最大。利用这种特性可以构成微波湿敏传感器。2红外湿敏传感器：水蒸汽能吸收特定波长的红外线，利用这种景象可构成红外湿敏传感器。非水分子亲和型湿敏特性10金属或半导体薄片放在磁场中，磁场垂直于薄
12、片，当薄片通以电流时，在薄片的两侧会出现电势差，这个电势差就称为霍尔电压，这样的效应称为霍尔效应。霍尔电压可以用运动载流子在磁场中遭到洛仑兹力发生偏转来加以解释。霍尔效应11一个长方形半导体资料常用InSb锑化铟)沿长度方向有电流经过时，假设在垂直于电流片的宽度方向上施加一个磁场，半导体片长度方向上就会发生电阻率增大的景象，这种景象就称为磁阻效应。磁敏电阻便是利用半导体磁阻效应制造的。磁阻效应12磁敏二极管：当磁敏二极管外加正偏压流过电流时，随着所受磁场的变化，流过二极管的电流也发生变化，其本质与载流子在磁场中遭到洛仑兹力有关。磁敏三级管：磁敏三级管的基极电流和电流放大系数均具有磁灵敏度。磁敏
13、管_第二讲智能仪器的输入13判别颜色的传感器，任何物体的颜色都可以分成红、绿和蓝三种基色，光谱型色敏传感器采用衍射光栅和棱镜等分光器，对光进展分光，测定每种基色波长的强度来判别颜色。光谱型色敏14半导体气敏传感器是利用氧化物半导体资料为气体敏感元件所制成的一种传感器安装，由于半导体资料的特殊性质，气体在半导体资料颗粒外表的吸附可以导致资料载流子浓度相应发生变化，从而改动半导体元件的电导率。半导体气敏构外型：利用某些物理规律，但是必需依托严密设计的构造来保证电容式传感器压力、加速度、位移、分量、形变和液位等电感式传感器位移、差压变压器式传感器位移光栅传感器精细的直线位移和角位移_第二讲智能仪器的
14、输入2化学传感器化学化学化学传传传感器感器感器化学传感器是利用电化学反响，把有机和无机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子选择性电极，利用这种电极来丈量溶液中的pH值或某些离子的活度，如K、Na、Ca等。电极的丈量对象虽然不同，但其丈量原理却大同小异，主要是利用电极界面固相和被测溶液液相间的电化学反响，也就是利用电极对溶液中离子的选择性呼应而产生电位差。电位差是和被测离子活度的对数成线型关系的，所以测出其反响过程中的电位差或其影响的电流值，即被测离子的活度。化学传感器的中心部分是离子选择性敏感膜，可分为固体膜和液体膜。活度：电解质溶液中参与电化学反响的离子的有效浓度，与溶
15、液的浓度存在定量关系。不同种类离子选择电极的问世，为选择性测定离子活度提供了方便。根据能斯特方程，离子活度与电极电位成正比，因此可对溶液建立起电极电位与活度的关系曲线，此时测定了电位，即可确定离子活度。电化学反响：电池铅蓄电池、固体电池、燃料电池等、电解向电解质或熔融电解质通电在电极引起的氧化复原反响、电镀技术、电泳技术溶液中带电粒子离子在电场中挪动的景象，利用带电粒子在电场中挪动速度不同而到达分别的技术称为电泳技术。_生物传感器是利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为功能识别才干，利用这种单一的识别才干来判别某种物质能否存在，
16、其浓度是多少，进而利用电化学方法进展电信号的转换。第二讲智能仪器的输入3生物传感器生物生物生物传传传感器感器感器生物传感器主要由两大部分组成，其一为功能识别物质，其作用是对被测物质进展特定识别。这些功能识别物有酶、抗原、抗体、微生物及细胞等。用特殊方法把这些识别物固化在特制的有机膜上，从而构成具有对特定的从低分子到高分子化合物进展识别功能的功能膜；其二是电、光信号转换安装，此安装的作用是把在功能膜上进展的识别被测物所产生的化学反响转换成便于传输的电信号或光信号，其中最常用的是电极，如氧电极和过氧化氢电极。假设采用光学方法来识别在功能膜上的识别反响，那么要靠光强的变化来丈量被测物质，如荧光生物传
17、感器。_第二讲智能仪器的输入2.2 传感器的构成方法1根本型根本型根本型根本型是一种只用敏感元件构成的传感器。包括：能量变换根本型、辅助能源变换根本型和能源控制根本型3种。所谓传感器的构成方法，就是用敏感元件、转换元件、转换电路之间的不同组合方法，去到达检测各种参数的目的。根据传感器的各种组成，其构成方法框图如图2.1所示，可将传感器分成如下几类：图图2.1 2.1 能量变换根本型能量变换根本型(a)能量变换根本型_第二讲智能仪器的输入2.2 传感器的构成方法2特点特点特点1 11 传感器从被测对象本身获得能量，不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件， 故也称为无源传感器；特点特点特点2 22
18、 它是利用热电平或传输景象中的一次效应构成的。由于一次效应存在逆效应，因此输出对输入被测对象有负荷效应；特点特点特点3 33输出端所输出的能量不能够大于被测对象的能量。基于光生伏特效应的光电池；基于热电效应的热电偶；基于压电效应的压电式力传感器典型例子典型例子_第二讲智能仪器的输入2.2 传感器的构成方法3 硅光电池例 当入射光照射P型区时，假设光子能量hv大于半导体资料的禁带宽度，那么每个光子会激发出一个电子空穴对，越接近P型区外表，电子空穴对浓度越高，那么在P型区由表及里产生电子空穴浓度差。入射光所产生的空穴浓度比原有热生空穴要低得多，而入射光所产生的电子那么向内部分散。假设在其复合之前到
19、达P-N结过浓区，那么在结电场的作用下正好将电子推向N型区。这样光照所产生的电子空穴对就被结电场别分开来，从而使P型区带阳电，N型区带阴电，构成光生电动势。图图2 2 光伏特电池的构造表示图光伏特电池的构造表示图_第二讲智能仪器的输入2.2 传感器的构成方法4(b)辅助能源根本型图图3 3 辅助能源根本型辅助能源根本型特点特点特点为了加强传感器的抗干扰才干，提高稳定性，以及获得电信号而采用了电源，或因任务原理需求而运用固定磁场，但输出的能量仍是从被测对象上获得的。光电管；光敏二极管；磁电感应式传感器和霍尔传感器等。典型例子典型例子_第二讲智能仪器的输入2.2 传感器的构成方法5霍尔传感器例霍尔
20、传感器的任务原理金属或半岛体薄片放在磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流Ic时，在薄片的两侧面出现电势差，称其为霍尔电压势，这样的效应就称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件或霍尔传感器。RH霍尔系数，由薄片资料决议的常数；B磁感应强度，d元件厚度；Ic经过薄片的电流，称为鼓励电流。图图 4 4 霍尔效应原理图霍尔效应原理图霍尔电压用下式表示：_第二讲智能仪器的输入图图5 5 霍尔元件根本构造表示图霍尔元件根本构造表示图在用某种半导体制成的基片侧面上各装一对电极A,B,C和D，A和B电极接鼓励电压，以便在霍尔半导体元件中产生鼓励电流，此电极称为鼓励电极；C和D用于丈量霍尔电压，称为
21、霍尔电极。2.2 传感器的构成方法6假设令，且思索到当磁感应强度B和元件平面法线方面成一角度时，作用在元件上的有效磁场是法线的分量，即Bcos那么b-1式可写为：(2-1) 从2-1可知，当KH知，IC恒定时，B的丈量转换为U的丈量；当磁场方向和大小固定时又能将电流I的丈量转换为U的丈量。霍尔传感器的根本构造_第二讲智能仪器的输入2.2 传感器的构成方法7(c)能源控制根本型图图6 6 能源控制根本型能源控制根本型特点特点特点也只由敏感元件构成，但需用外加电源才干将被测非电量转化成电压等电量输出。从而其输出能量可大于被测对象所输入的能量。变压器式位移传感器；感应同步器；声外表波传感器；电化学电
22、解电池传感器等典型例子典型例子_第二讲智能仪器的输入2.2 传感器的构成方法8变压器式传感器例图图7 7 变压器式传感器任务原理图变压器式传感器任务原理图在次级线圈中产生的互感电势E 表达式：(2-2)设， 那么，故(2-3)由于，其中为鼓励电压，r1为一次侧线圈的有效电阻，L1为初级电感，那么二次侧线圈开路输出电压为：(2-4)有效值为：(2-5)可见，输出电压信号将随互感变化而变化。_2.2 传感器的构成方法9电电电路路路路路路参数型参数型参数型参数型参数型参数型电路参数型是由敏感元件，以及包含敏感元件在内的转换电路和电源组成的传感器。利用热平衡或传输景象中的二次效应的传感器均属此类。图图
23、8 8 电路参数型电路参数型特点特点特点1.敏感元件对输入非电信号进展阻抗变换；电感位移式；电涡流位移式；电阻应变式；电容位移式以及气湿、光、热敏电阻等传感器；典型例子2.电源向包含有敏感元件的转换电路提供能量，属于能量控制型。第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法10电感位移式传感器例电感式传感器是用自感又称电感的原理，首先把被丈量的变化转换为自感L的变化，自感L接入一定的转换电路，便可以转换成电信号输出。(a) (a) 气隙型气隙型(b)(b)截面型截面型图图9 9 电感式传感器原理图电感式传感器原理图第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法11图d所示是电感式传感器的原理图
24、。虽然在铁芯和衔铁之间有一空气隙，但值不大，所以磁路图中点划线是封锁的。那么线圈自感为：(2-6)式中，N线圈匝数；R磁路总磁阻。 对图d-1，因气隙厚度较小，可以以为气隙磁场是均匀的，假设忽略磁路铁损，那么总磁阻为：(2-7)将RM代入式2-5可得：(2-8) 当铁芯的构造和资料确定之后，式2-7分母的第一项为常数，此时自感L是气隙厚度和气隙截面积S的函数，即L=f，S。假设S 坚持不变，可构成变气隙型传感器；假设S随位移而变，那么可构成变截面积型传感器。第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法12多多多多多多级级级变换变换变换型型型型型型就是利用敏感元件把被测非电量转换成某种可利用的
25、中间变换物理量，再经过转换元件，有时还用到转换电路，转换成便于丈量的电量输出。特点特点特点被丈量：被丈量： 力、压力、热、加速度、扭矩、温度、流速、湿度力、压力、热、加速度、扭矩、温度、流速、湿度等等中间变换量：中间变换量： 位移位移转换元件：转换元件： 应变片、电感、电容、霍尔等应变片、电感、电容、霍尔等 图图10 10 多级变换型多级变换型第二讲智能仪器的输入_典型例子2.2 传感器的构成方法13能量变换型：压电式加速度传感器； 能量控制型：应变式力传感器等。应变管筒式压力传感器例(a) (a) 筒式薄壁筒式薄壁(b) (b) 带温度平衡器的筒式带温度平衡器的筒式图图11 11 筒式压力传
26、感器弹性元件筒式压力传感器弹性元件第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法14应变管式压力传感器的弹性元件如e图所示。其一端带有法兰与被测系统衔接。当没有压力作用时，贴在筒壁上的4个应变片组成的全桥是平衡的；当压力作用在其内腔时，应变圆变成“腰鼓形，使电桥失去平衡。当应变管内腔与被测压力相通时，圆筒部分外外表周向应变为：(2-9)式中，p被测压力；泊松比；E弹性模量；n筒的外径与内径之比D/d)。对于薄筒壁可用下式计算：(2-10)式中，d筒的内径；b外径与内径之差。根据薄壁筒应力的计算公式有：(2-11)式中，应力；p被测压力；d圆筒内径cm;h壁厚cm。 当压力p和根据运用条件确定了
27、应变管内孔直径后，管后壁h就可求出。第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法15参比参比参比参比参比参比补偿补偿补偿型型型型型型就是采用两个性能完全一样的敏感元件，一个感受被丈量和环境条件量，另一个只感受环境条件量而作为补偿用，以到达消除或减少环境干扰的影响的组合方式。图图12 12 参比补偿型参比补偿型特点特点特点当被测压力变化与环境温度变化接近时压电式压力传感器；例1可以对温度、电源电压等变化的影响起到补偿或消除作用，有利于提高丈量精度。用电阻应变式传感器构成参比补偿型时，只需将两个或以上敏感元件一为任务片，一为补偿片同时接入电桥电路的相邻两壁即可。例2第二讲智能仪器的输入_2.2
28、传感器的构成方法16关于光纤磁传感器的磁致伸缩效应实验例光纤是介质，它不像金属传输线那样干扰电磁场分布。另外，光纤线径极细，并有弹性，故它是测定电磁场的理想资料。光纤磁传感器有两种类型：一是利用磁光效应直接进展磁-光转换，二是借助力等物理量间接进展磁-光转换。实践上，前者是，利用法拉第效应，后者是利用磁致伸缩效应。当给磁体加磁场时，磁体产生伸缩，这种景象称磁致伸缩效应。如图13所示，假设在光纤上涂覆磁性膜，那么外加磁场光阴纤沿轴向伸缩，故光纤中传输的光发生相位变化，从而使光和参考光干涉，光检测器的输出与磁场成正比。图图13 13 用磁致伸缩效应的光纤磁传感器构造原理图用磁致伸缩效应的光纤磁传感
29、器构造原理图第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法17差差差动动动构外型构外型构外型就是利用两个完全一样的敏感元件同时感受一样的环境量和相反的被丈量，以提高传感器的灵敏的和线性度，并减小或消除环境等要素的影响。图图14 14 差动构外型差动构外型第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法18典型例子能量控制型：差动电阻应变式、差动电容式、差动电感式； 能量变换型：当用压电元件丈量压力时，假设其加速度效应的影响 不可忽略，那么需采用两个压电元件反极性安装构成差动型。差动式电容压力传感器例图图15 构造表示图构造表示图如图g-1，g-2所示，差动式电容压力传感器构造简单，灵敏度高，相应
30、速度快约100ms，能测小差压00.75Pa。它由两个玻璃圆盘和一个金属不锈钢膜片组成。两玻璃圆盘上的凹面深约25m，其上个镀金作为传感器的两个固定电极，而夹在两凹面盘中的膜片那么为传感器的可动电极。第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法19 当两边压力p1和p2相等时，膜片处在中间位置与左、右固定电极间距相等，即Cab=Cdb。经转换电路图g-b，输出U0=0。当p1p2或p2 p1时，膜片弯向p2或p1,CabCdb),U0输出与|p1-p2|成比例的信号。这种差压式传感器不仅用来丈量p1与p2的压差，也可以用来丈量真空或微小绝对压力，此时只需把膜片的一侧密封并被抽到高真空10-5
31、Pa即可。图图16 转换电路转换电路第二讲智能仪器的输入_2.2 传感器的构成方法20反响型反响型反响型这是一种闭环系统，即传感器的敏感元件或转换元件同时兼作反响元件，使传感器输入处于平衡形状，因此亦称为平衡式传感器。图图17 17 反响型反响型特特特点点点构造复杂，运用于特殊场所，如高精度微差压的丈量，以及高速流的丈量等。典型例子力反响型包括位移反响型：如差动电容力平衡加速度传感器； 霍尔电流传感器。第二讲智能仪器的输入_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性1传感器的任务特性就是传感器表达被测变量的准确程度、运用的稳定性、可靠性和运用寿命，以及任务条件的顺应性等方面的性质和目的。2.
32、3.12.3.12.3.1静静静态态态特性特性特性通常，静态特性表示传感器在被测变量处于稳定形状时的输入输出特性。衡量传感器的输入输出特性的重要目的是：线性度特定函数的应为一致性、滞后、反复性、灵敏度和稳定性。1.1.1.线线线性度性度性度校准曲线与规定直线的吻合程度称为线性度。影响传感器线性度的要素有敏感元件和变换元件的机械特性及电气特性。假设传感器没有滞后和蠕变随时间变化特性效应，那么其输入量为x、输出量为y的静态特性就可表示为：_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性2 式中， 0 零位输出；1传感器的灵敏度(常数K表示)； 2， 3， n非线性项的系数。 这种多项式代数方程能够有
33、以下3种情况，如下图。(a) (a) (c) (c) (b) (b) 图图18 18 传感器的特性曲线传感器的特性曲线2-12，_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性3理想线性如图18a所示。这种情况下，0=2=3=n=0因此得到y=1x由于直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为：在原点附近相当范围内输入-输出特性根本呈线性，如图18b所示。此时只存在奇次项，即 对应的对称曲线为 yx=-yx。 普通情况。表达式就是式2-12，对应的特性曲线如图18c所示。_第二讲智能仪器的输入2.2.2.一致性一致性一致性就是校准曲线与规定曲线直线、对数曲线、抛物线等的吻合程度。通常运用的传
34、感器大都为线性传感器，但在有的系统中，为了特殊的需求，也采用正弦、余弦、对数、指数等函数传感器。这类特性的传感器常以丈量得到的校准曲线相对于某一给定曲线的一致性来衡量，并用校准曲线与给定曲线之间的最大偏向来表示一致性误差。3.3.3.滞滞滞环环环又称滞后，式传感器在正反行程期间输入-输出曲线不重合的程度，或对应与同一大小的输入量的差值。 它反映了传感器元件的摩擦、间隙和吸收释放能量的不一致性等缺陷。滞环的大小普通由实验确定，其值以丈量上限值输出的百分数表示2.3 传感器的任务特性5_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性6(2-13)式中，H滞环的相对误差；max同一次丈量中，反行程校准
35、曲线与正行程校准曲线偏向的最大值在多次丈量时也可用反行程平均校准曲线与正行程平均校准曲线的最大值。滞环特性如图19所示。图图19 19 滞环特性滞环特性_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性74.4.4.反复性反复性反复性在同一任务条件下，对同一输入值按同一方向延续多次丈量，得到的输出值的相互一致程度。5.5.5.灵敏度灵敏度灵敏度仪表或安装在到达稳态后，输出增量与输入增量之比即为灵敏度。线性传感器静态灵敏度K的计算公式为：函数传感器静态灵敏度K可用dy/dx来表示，但它是任务点的函数。_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性82.3.22.3.22.3.2动态动态动态特性特性特
36、性动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的呼应特性。动态特性好的传感器，其输出量的曲线与输入量的曲线一致或相近。动态特性的好坏往往以输出滞后、幅值变化和波形失真来表征。产生这些景象的缘由是包括传感器的丈量系统中存在着惯性和阻尼。普通用传感器对于规范动态输入信号的呼应来衡量传感器的动态特性。规范动态信号分为正弦信号、阶跃信号和单位脉冲信号，如图20所示。图图20 20 规范动态信号规范动态信号a a 正弦信号正弦信号b b 阶跃信号阶跃信号c c 脉冲信号脉冲信号_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性9传感器系统总是一个稳定的系统，其动态特性可以经过将被丈量按照规范动态信号方式输入系统，
37、经过丈量其动态呼应来获得对系统动态性能的认识。传感器的动态呼应决议了可以检测的被丈量的最高频率限制。传感器系统的动态特性测试及其数学模型描画不同频率的正弦稳态输入幅频特性，相频特性阶跃信号输入时域呼应，上升时间，调理时间，超调量冲击信号输入冲击呼应，反映了系统的固有特性时域数学模型微分方程，反映了变化的输入信号经过传感器后产生的呼应信号的变化，冲击呼应那么反映了系统的固有特性频域数学模型传送函数，反映了输入信号的不同频率分量经过系统后的幅值变化及相移_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性10线型系统与非线型系统线性系统数学特征1叠加原理2比例特性3微分特性4积分特性5频率坚持特性系统的
38、动态特性与静态特性之间的关系微分方程系数为定常数1非线性系统的时变和非时变特征2静态传送关系是微分方程中输入x(t)和输出y(t)不随时间变化的稳态关系3时不变的非线性系统可以进展部分线性化，建立稳态任务点附近的线性方程4时变的非线性系统，其微分方程系数是时变的5静态特性为线性的传感器，其对时变输入信号的呼应并不能经过线性映射得到6信号不失真的条件：理想的线性相位系统增益全频率一样，相位线性变化7任何实践的物理系统均不能完全实现信号的不失真，有限频宽是对输入信号的要求_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性11线性传感器系统的呼应求解频率上，测试系统的输入、输出与传送函数之间的关系：时域
39、上，测试系统的输入、输出与冲击呼应的关系： 1求解传感器系统对输入信号的呼应取决于准确的线性系统动态特性建模2经过输出呼应和传感器的静态线性特性来描画输入信号存在系统误差3传感器的频带宽度远远大于信号的有效分量的频带宽度是传感器标定的前提研讨阶跃输入信号的呼应是获得传感器动态特性的现实方法1单位阶跃信号的时域定义2频域表示_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性12传感器的一阶系统近似1一阶系统对阶跃信号的时域呼应2一阶系统的频域模型传感器的二阶系统近似1二阶系统的频域模型及其对单位阶跃信号的时域呼应阻尼系数无阻尼振荡圆频率自然频率特征根_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性13
40、欠阻尼系统，稳定的传感器系统，极点为：临界阻尼系统，稳定的传感器系统，极点为：零阻尼系统，非稳定的传感器系统，极点为：过阻尼系统，稳定的传感器系统，极点为：_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性14微分方程的特征根与运动的模态1在数学上，线性微分方程的解由特解和齐次微分方程的通解组成，通解由微分方程的特征根决议，它代表自在运动；2假设n阶微分方程的特征根是1，2，n且无重根，那么把函数：称为该微分方程所描画运动的模态，也叫振态；3每一种模态代表一种类型的运动形状，齐次微分方程的通解那么是它们的线性组合；4假设特征根中有多重根，那么模态的函数形如5假设特征根中有共轭复根，那么其共轭模态可
41、写成实函数：特征方程:特征根:实根特 征 根通 解_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性15传送函数的极点和零点对输出的影响1传送函数的极点是微分方程的特征根，故它们决议了所描画系统自在运动的模态；2传送函数的极点可以受输入函数的激发，在输出呼应中构成自在运动的模态；3传送函数的零点并不构成自在运动的模态，但它们却影响各模态在呼应中所占的比重，因此也影响呼应曲线的外形;4在系统的零极点图上，假设零点间隔某个极点的间隔较远，那么该极点所决议的模态在呼应中所占比重较大；而零点间隔某个极点较近，那么减弱该零点的比重。部分分式法计算呼应举例：_第二讲智能仪器的输入2.3 传感器的任务特性16最
42、小相位系统1一个稳定系统没有右半s平面的极点，假设其传送函数没有右半s平面的零点，那么称为最小相位系统；2在具有一样幅频特性的系统中,最小相位系统的相角范围最小,或冲击呼应延时最小；3最小相位系统的幅频特性和相频特性直接关联，也即一个幅频特性只能有一个相频率特性与之对应；反之亦然；故对于最小相位系统，只需根据对数幅频特性就能写成系统的传送函数；4只包含比例、积分、微分、惯性、振荡、一阶微分和二阶微分的系一致定是最小相位系统；包含延时环节和不稳定环节的系统为非最小相位系统。比例环节：惯性环节：积分环节：微分环节：振荡环节：一阶微分环节：二阶微分环节：不稳定惯性环节：延时环节：_第二讲智能仪器的输
43、入2.4 传感器的输出信号一个有较高串联内阻抗的电压源一个有较高并联内阻抗的电流源电压信号电流信号电荷信号一个直流内阻无穷大的电压源电路参数：R、L、C可变的电路参数频率信号可变的频率参数_l习题1l一个电量传感器，它对单位幅值输入的阶跃呼应为u=101-e-5tV，问：当它用于对一个单位幅值1Hz正弦输入进展丈量时，输出信号的幅值和相移是多少？l习题2l试求如下图RC网络的传送函数运放均为理想运放l习题3l假设温度计可用传送函数描画其特性,，如今用温度计丈量盛在容器内的水温。发现需求时间才干指示出实践水温的98%的数值，试问该温度计指示出实践水温从10%变化到90%所需的时间是多少?_l习题4l系统在静止平衡形状下，参与输入信号，测得呼应为:l试求系统的传送函数。l习题5l某惯性环节在单位阶跃作用下各时辰的输出值如下表所示。试求环节的传送函数。_
