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1、第第6章章 非电量测试技术的基础知识非电量测试技术的基础知识6.1 传感器概述传感器概述l6.1.1 传感器的定义传感器的定义传感器是一种以一定精确度把被测量（传感器是一种以一定精确度把被测量（非电非电量量）转换为与之有确定关系、便于应用的某）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（种物理量（电量电量）的测量装置。含义：）的测量装置。含义：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；它的输入量是某一被测量，如物理量、化学量、它的输入量是某一被测量，如物理量、化学量、生物量等；生物量等；它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、
2、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。但主要是电量。输出与输入间有对应关系，且有一定的精确度。输出与输入间有对应关系，且有一定的精确度。6.1.2 传感器的组成传感器的组成l敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。测量成确定关系的某一物理量的元件。l转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。把输入转换成电路参数。l转换电路：将上述电路参数接入转换电路，并转换电路：将上述电路参数接入转换电路，并转换
3、成电量输出。转换成电量输出。传感器组成框图传感器组成框图 6.1.3 传感器分类传感器分类l广泛采用的分类方法有以下几种广泛采用的分类方法有以下几种 :按工作机理，分为物理型、化学型、生物型等。按工作机理，分为物理型、化学型、生物型等。按构成原理，分为结构型、物性型两大类。按构成原理，分为结构型、物性型两大类。结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器的特点是传感器的性能与它的结构材料没有多大关系，的特点是传感器的性能与它的结构材料没有多大关系，如差动变
4、压器。如差动变压器。物性型传感器是利用物质定律构成的，如欧姆定律等。物性型传感器是利用物质定律构成的，如欧姆定律等。物性型传感器的性能随材料的不同而异，如光电管、物性型传感器的性能随材料的不同而异，如光电管、半导体传感器等。半导体传感器等。传感器分类传感器分类按能量转换情况按能量转换情况，分为能量控制型、能量转换型。，分为能量控制型、能量转换型。能量控制型传感器在信息变换过程中，其能量控制型传感器在信息变换过程中，其能量需外电源供给能量需外电源供给。如电阻、电感、电容等电路参量传感器。如电阻、电感、电容等电路参量传感器。能量转换型传感器，主要是由能量变换元件构成，它能量转换型传感器，主要是由能
5、量变换元件构成，它不需要不需要外电源外电源。如基于压电效应、热电效应、光电效应等原理构成。如基于压电效应、热电效应、光电效应等原理构成的传感器。的传感器。按物理原理按物理原理，可分为电参量式传感器（包括电阻式、，可分为电参量式传感器（包括电阻式、电感式、电容式等基本型式）、磁电式传感器（包电感式、电容式等基本型式）、磁电式传感器（包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式传感括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、波式传感器器、光电式传感器、气电式传感器、波式传感器（包括超声波式、微波式等）射线式传感器、半导（包括超声波式、微波式等）射线式传感器、半导体式传
6、感器、其它原理的传感器（如振弦式和振筒体式传感器、其它原理的传感器（如振弦式和振筒式传感器等）。式传感器等）。按照使用来分类按照使用来分类，可分为位移传感器、压力传感器、，可分为位移传感器、压力传感器、振动传感器，温度传感器等。振动传感器，温度传感器等。 6.2 传感器的特性传感器的特性l6.2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性1. 线性度线性度2.灵敏度灵敏度3. 迟滞迟滞4. 重复性重复性5. 零点漂移零点漂移7. 温漂温漂8静态标定静态标定l6.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性1. 瞬态响应特性瞬态响应特性2. 频率响应特性频率响应特性1. 线性度线性度l感器的输出感器的输出
7、-输入特性一般可用下列多项式表输入特性一般可用下列多项式表示示 实际特性曲线与拟合直线间偏实际特性曲线与拟合直线间偏差称传感器非线性误差。取最大值差称传感器非线性误差。取最大值与输出满度值之比作为评价指标与输出满度值之比作为评价指标 : :式中：式中：x被测量，被测量，y输出；输出；a0为零位输出，为零位输出，a1为传感器灵敏度；为传感器灵敏度；a2.an为非线性项系数。为非线性项系数。2. 灵敏度灵敏度l灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量y与引与引起此变化的输入变化量起此变化的输入变化量x之比之比,用用k表示，即表示，即: (a) 线性传感器 (b) 非线性
8、传感器 表征传感器输入量变化的反应能力，一般希望传感器表征传感器输入量变化的反应能力，一般希望传感器灵敏度高，在量程范围内恒定，输入、输出特性为直线。灵敏度高，在量程范围内恒定，输入、输出特性为直线。3. 迟滞迟滞实验方法确定，用最大输出差值实验方法确定，用最大输出差值Hmax对满量程输出对满量程输出YFS的百分比表示，的百分比表示，即即 l传感器在正、反行程（上升、下降）期间，其传感器在正、反行程（上升、下降）期间，其输入输入-输出特性曲线不重合的现象称迟滞（滞输出特性曲线不重合的现象称迟滞（滞环）。环）。l原因：储能（弹性元件）、运动器件摩擦等。原因：储能（弹性元件）、运动器件摩擦等。死区
9、死区l死区：死区：死区效应，例如传动机构死区效应，例如传动机构的摩擦和间隙的摩擦和间隙实际上升曲线和实际实际上升曲线和实际下降曲线不重合下降曲线不重合仪表输入小到一定范围后仪表输入小到一定范围后不足以引起输出的任何变不足以引起输出的任何变化化死区效应分析死区效应分析4. 重复性重复性l指在同一工作条件下，输入量按同一方向做全指在同一工作条件下，输入量按同一方向做全量程多次变化，所得特性的不一致。量程多次变化，所得特性的不一致。l属于随机误差，常用标准偏差表示，也用正、属于随机误差，常用标准偏差表示，也用正、反行程中的最大偏差表示反行程中的最大偏差表示:或：或：5. 零点漂移零点漂移l传感器无输
10、入时，每隔一段时间进行读传感器无输入时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移。数，其输出偏离零值，即为零点漂移。零漂零漂 6. 温漂温漂l温漂表示温度变化时，传感器输出值的温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化偏离程度。一般以温度变化1，输出最，输出最大偏差与满量程的百分比大偏差与满量程的百分比 :温漂温漂 7. 静态标定静态标定l标定概念：利用标准设备产生的已知非电量作标定概念：利用标准设备产生的已知非电量作为传感器输入，测量传感器输出，然后与标准为传感器输入，测量传感器输出，然后与标准量比较而获得系列实验数据或曲线的过程。量比较而获得系列实验数据或曲线的过
11、程。l在静态标准条件下进行，无加速度、振动、冲在静态标准条件下进行，无加速度、振动、冲击，环境温度、湿度、大气压一般要求。击，环境温度、湿度、大气压一般要求。l标定的基准仪器要至少比被标定传感器精度高标定的基准仪器要至少比被标定传感器精度高一个等级。一个等级。静态标定步骤静态标定步骤l将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；l根据传感器量程分点情况，由小到大输入标准量值，根据传感器量程分点情况，由小到大输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；并记录下与各输入值相对应的输出值；l将输入值由大到小地减少，记录下与各输入值相对应将输入值由大到小
12、地减少，记录下与各输入值相对应的输出值；的输出值；l按按、所述过程，对传感器进行正、反行程多次测所述过程，对传感器进行正、反行程多次测试，一般是试，一般是3次，将得到的输出输入数据用表格或曲次，将得到的输出输入数据用表格或曲线表示出来；线表示出来；l对这些数据进行，就可以确定传感器的线性度、灵敏对这些数据进行，就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。度、滞后和重复性等静态特性指标。6.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性l指在测量随时间变化的动态非电量时传指在测量随时间变化的动态非电量时传感器输出与输入之间的关系，即传感器感器输出与输入之间的关系，即传感器的输出对随时
13、间变化的输入量的反应能的输出对随时间变化的输入量的反应能力。力。l在研究传感器的动态特性时，将大多数在研究传感器的动态特性时，将大多数传感器简化为一阶或二阶系统；同时，传感器简化为一阶或二阶系统；同时，可以从时域和频域两个方面来进行分析。可以从时域和频域两个方面来进行分析。1. 瞬态响应特性瞬态响应特性l一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应l二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应l瞬态响应特性指标瞬态响应特性指标一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应l设设x ( t )和和y ( t ) 分别为传感器的输入量和输出量，均分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函
14、数，则一阶传感器的传递函数为是时间的函数，则一阶传感器的传递函数为当输入为单位阶跃信号时，当输入为单位阶跃信号时，X(s)=1/s,传感器输出的拉氏变换为传感器输出的拉氏变换为则一阶传感器的单位阶跃响应为则一阶传感器的单位阶跃响应为积分环节积分环节一阶传感器单位阶跃响应一阶传感器单位阶跃响应 传感器存在惯性，初始上升斜率传感器存在惯性，初始上升斜率1/，响应速，响应速率随时间增加而减慢，当率随时间增加而减慢，当t=4时，输出接近稳态。时，输出接近稳态。 越小，响应曲线越接近输入阶跃曲线。越小，响应曲线越接近输入阶跃曲线。二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的传递函数为二阶
15、传感器的传递函数为在单位阶跃信号作用下，传感器输出的拉氏变换为在单位阶跃信号作用下，传感器输出的拉氏变换为 化简为：化简为：l，无阻尼，超调量为，无阻尼，超调量为100%，产生等幅振荡，达不到，产生等幅振荡，达不到稳态。稳态。l1，为过阻尼，无超调也无，为过阻尼，无超调也无振荡，但反应迟钝、动作缓慢，振荡，但反应迟钝、动作缓慢，达到稳态所需时间较长。达到稳态所需时间较长。l1，为欠阻尼，衰减振荡，为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态值所需时间随达到稳态值所需时间随的减小的减小而加长。而加长。l，临界阻尼，时响应时间最短。在实际使用中，临界阻尼，时响应时间最短。在实际使用中，为了兼顾有短的上升时间和小的
16、超调量，一般传感器都设为了兼顾有短的上升时间和小的超调量，一般传感器都设计成欠阻尼式的，阻尼比计成欠阻尼式的，阻尼比一般取在一般取在0.60.8之间。之间。 临界阻尼临界阻尼瞬态响应瞬态响应特性指标特性指标l一阶传感器的性能一阶传感器的性能指标是时间常数指标是时间常数，越小，响应速度越越小，响应速度越快。快。l二阶传感器的性能二阶传感器的性能指标如图表示，各指标如图表示，各指标定义如下：指标定义如下： 上升时间上升时间tr 输出由稳态值的输出由稳态值的10%变变化到稳态值的化到稳态值的90%所用的时间。所用的时间。 调整时间调整时间ts 系统从阶跃输入开始到系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值
17、所规定的范围内所需输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。要的时间。 峰值时间峰值时间tp 阶跃响应曲线达到第一阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。个峰值所需时间。 超调量超调量 传感器输出超过稳态值的传感器输出超过稳态值的最大值最大值A，常用相对于稳态值的百分，常用相对于稳态值的百分比比表示。表示。稳态稳态2. 频率响应特性频率响应特性l一阶传感器的频率特性一阶传感器的频率特性:将一阶传感器的传递函数中的将一阶传感器的传递函数中的s用用j代替，即可得到频代替，即可得到频率特性表达式率特性表达式幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性l二阶传感器的频率特
18、性表达式、幅频特性、相二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为频特性分别为:频率响应特性指标频率响应特性指标l工作频带工作频带 l 传感器增益保持在一定值内的频率范围，传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所时所对应的频率范围，称为传感器的工作频对应的频率范围，称为传感器的工作频带，对应有上、下截止频率。带，对应有上、下截止频率。3. 动态标定动态标定l输入：阶跃变化信号和正弦变化信号。输入：阶跃变化信号和正弦变化信号。l阶跃变化信号：即以一个已知的阶跃信阶跃变化信号：即以一个已知的阶跃信号激励传感器，使传感器按自身的固
19、有号激励传感器，使传感器按自身的固有频率振动，并记录下运动状态，从而确频率振动，并记录下运动状态，从而确定其动态特性。定其动态特性。l正弦变化信号：以一个振幅和频率均为正弦变化信号：以一个振幅和频率均为已知、可调的正弦信号激励传感器，根已知、可调的正弦信号激励传感器，根据记录的运动状态，确定传感器的动态据记录的运动状态，确定传感器的动态特性。特性。一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应函数为一阶传感器的单位阶跃响应函数为令令 ，则上式可变为，则上式可变为 可以根据测得可以根据测得y(t)值作值作z-t曲线，曲线，从从t / z，获得时间常数，获得时间常数。一阶
20、传感器时间常数的求法一阶传感器时间常数的求法 为便于分析响应结果，得到可靠时间常数为便于分析响应结果，得到可靠时间常数二阶传感器（二阶传感器（1）的阶跃响应）的阶跃响应二阶传感器（二阶传感器（1）的单位阶跃响应为）的单位阶跃响应为或或二阶传感器（二阶传感器（11）的阶跃响应）的阶跃响应 测得测得M后，可后，可求得阻尼比。求得阻尼比。阻尼比阻尼比 其中其中当当0.1时，可以用时，可以用1代替代替 则可用此式计算：则可用此式计算： 如果测得阶跃响应有较长瞬变过程，可用任意两个冲如果测得阶跃响应有较长瞬变过程，可用任意两个冲量量Mi与与Mi+n按下式求阻尼比：按下式求阻尼比： 根据响应曲线，可测出振动周期根据响应曲线，可测出振动周期Td ，于是有阻尼的，于是有阻尼的固有频率固有频率d为：为：则无阻尼固有频率则无阻尼固有频率n为为思考题思考题l6-2l6-3
