传感器技术基础重点PPT学习教案

1、会计学1传感器技术基础重点传感器技术基础重点2021-10-92第1页/共99页2021-10-93第2页/共99页2021-10-945、分辨力与阈值、分辨力与阈值 6、稳定性与漂移、稳定性与漂移7、误差表达、误差表达（一（一 ）、传感器的静态特性）、传感器的静态特性（二）、传感器的动态特性（二）、传感器的动态特性(二二)、动态模型、动态模型(一一)、静态模型、静态模型新课1、微分方程、微分方程 2、传递函数、传递函数1、频率响应特性、频率响应特性 2、阶跃响应特性、阶跃响应特性3、典型环节的动态响应、典型环节的动态响应8、精确度等级、精确度等级1、线性度、线性度 2、回差（滞后或迟滞）、回

2、差（滞后或迟滞）3、重复性、重复性4、灵敏度、灵敏度第一节第一节 传感器的一般数学模型传感器的一般数学模型第二节第二节 传感器的特性与指标传感器的特性与指标代数方程代数方程 第3页/共99页2021-10-95第4页/共99页2021-10-96nnxaxaxaay2210输入量对时间输入量对时间t t的各阶导数为零的各阶导数为零第5页/共99页2021-10-97表示表示输出量输出量与与输入量输入量之间的关系曲线称为之间的关系曲线称为特性曲线特性曲线。理想情况下，传感器数学模型为：理想情况下，传感器数学模型为：xay1第6页/共99页2021-10-98xbdtxdbdtxdbyadtyda

3、dtydammmmmmnnnnnn01110111第7页/共99页2021-10-99第8页/共99页2021-10-910n：0101)()()(aSaSabSbSbSxSySHnnmmxy0101aSaSabSbSbnnmmS=+jw，称为拉氏变换的自变量。第9页/共99页2021-10-911H1(S)H2(S）转换电路X(S)Y(S)H1(S)H2(S）转换电路X(S)Y(S) niiSHSH1)(niiSHSH1)(第10页/共99页2021-10-912第11页/共99页2021-10-913一、传感器的静态特性一、传感器的静态特性第二节 传感器的特性与指标第12页/共99页202

4、1-10-914%100.maxSFLYL第13页/共99页2021-10-915第14页/共99页2021-10-916a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合第15页/共99页2021-10-9170yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法min2112niiiniibkxyE E、最小二乘法拟合最小二乘法拟合（重点）（重点）y=kx+b最小二乘法拟合直线的最小二乘法拟合直线的原理原理就是就是使使 为最小值为最小值，即，即i=yi-(kxi+b)2i第16页/共99页2021-10-918得到得到k和和b的表达式的表达式22iiiiiixxnyxyxnk 222

5、iiiiiiixxnyxxyxb第17页/共99页2021-10-919第18页/共99页2021-10-920第19页/共99页2021-10-921%100.maxSFHyH第20页/共99页2021-10-922y0 xHmaxyFS迟滞特性迟滞特性第21页/共99页2021-10-923%100.maxSFRyR第22页/共99页2021-10-924yx0Rmax2Rmax1 Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。第23页/共99页2021-10-925xyK%100kkk第24页/共99页2021-10-926第25页/共99页2021-10-927

6、第26页/共99页2021-10-928n绝对误差只能评估绝对误差只能评估同一同一被测值被测值的测量精度。的测量精度。QX 被测参量的测量值 被测参量的真值 第27页/共99页2021-10-929n相对误差可用来评价相对误差可用来评价不不同被测值同被测值的精度。的精度。%100%100XQ第28页/共99页2021-10-930器本身的精度器本身的精度，而不是测，而不是测量的精度。量的精度。%100FSmy第29页/共99页2021-10-931例例2、某电压表刻度为、某电压表刻度为010V，在，在5V处计量定处计量定值为值为4.995V，求在，求在5V处的绝对误差处的绝对误差，相对误差，相

7、对误差 ，引用误差引用误差m 。)(005. 0|995. 45|V%1 . 0%1005005. 0%100 xQ%05. 0%10010005. 0%10010m第30页/共99页2021-10-932%1 . 010%100AyAAFSmAmAAA81001. 0%1 . 01010精确度等级A：其数值是传感器和测量仪表在规定条件下，允许的最大绝对误差值相对于测量范围的百分数，即故，合理故，合理第31页/共99页2021-10-933有三种形式：有三种形式：时域中的微分方程时域中的微分方程复频域中的传递函数复频域中的传递函数H(S)频率域中的频率特性频率域中的频率特性H(j)第32页/共

8、99页2021-10-934第33页/共99页2021-10-935wtXxsin)sin(wtYy第34页/共99页2021-10-93601110111)()()()()()()()(ajwajwajwabjwbjwbjwbjwXjwYnnnnmmmmjjwtwtjeXYXeYejwXjwY )()()(第35页/共99页2021-10-937XYjwxjwywA)()()(模模频率特性的相位角：频率特性的相位角：ReIm)(arctgw (w)(w)代表输出量超前于输入的角度，代表输出量超前于输入的角度，表示表示 随随w w而变，称之为而变，称之为相频特性相频特性。 通通常为常为负值负值

9、，即输出，即输出滞后滞后于输入。于输入。第36页/共99页2021-10-9380100)(tttu衡量阶跃响应的指标参见教材衡量阶跃响应的指标参见教材P17P17图图1-71-7第37页/共99页2021-10-9391 1零阶环节：零阶环节：微分方程：微分方程：传递函数：传递函数： txKtxabty000000)()(KabSxSy第38页/共99页2021-10-9401)()(0SKSXSY1)()(0jwKjwXjwY2 2一阶环节：一阶环节：a1(dy/dt)+a0y(t)= b0 x(t) txabtydtdyaa0001 txKtydtdy0时间常数 越小，系统的频率特性越好

10、幅频特性：幅频特性：1)(/)(20wKwA相频特性：相频特性：)()(warctgw负号表示相位滞后第39页/共99页2021-10-941dtdTCRTTqi00式中，R-介质的热阻； C-热偶的比热。若令=RC，上式可写为： iKTTdtdT00TiT0q热流第40页/共99页2021-10-942例4，弹簧-阻尼器组成的机械系统如图，也属于一阶传感器系统。其微分方程为 式中，c-阻尼系数； k-弹簧刚度。 上式可写为： txbtkydttdyc0 txKtydttdy0kcy(t)F=b0 x(t)第41页/共99页2021-10-943xbyadtdyadtyda001222xKys

11、snn022) 121(12)()()(220ssKsXsYsHnn3 3二阶环节：二阶环节：第42页/共99页2021-10-944nnjKjwXjwY21)()(2022021 )(nnKwA212)(nnarctgw第43页/共99页2021-10-945例5，质量-弹簧-阻尼器组成的机械系统如图，属于二阶传感器系统。其微分方程为 式中，m-运动质量；c-阻尼系数；k-弹簧刚度；F(t)-作用力；可改写为一般通式： tFtkydttdycdttydm22 tKFtydttdydttydnn21222式中，y(t)-位移；n-系统固有频率；-系统阻尼比；K-静态灵敏度。kcy(t)F(t)

12、m第44页/共99页2021-10-946为理解二阶系统幅值误差和相位误差的概念，可参考下面例题：例：一个二阶系统的力传感器，其固有频率为800rad/s,阻尼比为0.4，用它测量频率为400rad/s的正弦变化力，求振幅误差及相位偏移各为多少？若采用固有频率为1000rad/s，阻尼比为0.6的力传感器，测量结果将有多大的改善？第45页/共99页2021-10-94712)()()(220ssKsXsYsHnnnnjKjwXjwYjH21)()(20二阶系统的传递函数与频率响应函数分别为：二阶系统的传递函数与频率响应函数分别为：第46页/共99页2021-10-948212)(nnarctg

13、w22021 nnKjH因此，二阶系统的幅频响应和相频响应分别为：因此，二阶系统的幅频响应和相频响应分别为：第47页/共99页2021-10-949022880040018004004 . 02)(arctgw18. 18004004 . 028004001 122jH将固有频率、测量频率和阻尼比代入上面的表达式中将固有频率、测量频率和阻尼比代入上面的表达式中（k0=1=1），得：），得：即幅值误差为即幅值误差为18%18%，相位滞后为，相位滞后为28280 0第48页/共99页2021-10-95002301000400110004006 . 02)(arctgw03. 110004006

14、. 0210004001 122jH将固有频率、测量频率和阻尼比代入上面的表达式中将固有频率、测量频率和阻尼比代入上面的表达式中（k0=1=1），得：），得：即幅值误差降低为即幅值误差降低为3%3%，相位滞后为，相位滞后为30300 0 。一般相位。一般相位误差对测量结果无影响，故测量结果得到较大改误差对测量结果无影响，故测量结果得到较大改善。善。第49页/共99页2021-10-951第50页/共99页2021-10-952Tydtdy5105 .1330 xydtdy6 . 92 . 44 . 1xydtdydtyd1010322100 .111025. 2100 . 3第51页/共99页

15、2021-10-953yB=0.39883x+0.00288 yC=0.39906x+0.00176yD=0.39866x+0.00243 yE=0.3984x+0.00367yF=0.39823x+0.00305yG=0.39809x+0.00398 第52页/共99页2021-10-954（一）、线性度（一）、线性度 （二）、迟滞（二）、迟滞（三）、重复性（三）、重复性一一 、传感器的静态特性、传感器的静态特性二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性（二）、传感器的动态特性参数（二）、传感器的动态特性参数（三）、传感器典型环节的动态响应（三）、传感器典型环节的动态响应传感器的一般特性复习1

16、、频率响应特性、频率响应特性 2、阶跃响应特性、阶跃响应特性1、传递函数、传递函数 2、幅频特性、幅频特性3、相频特性、相频特性（一）、动态模型的三种表示方式（一）、动态模型的三种表示方式 （四）、灵敏度（四）、灵敏度1 1、时域中的微分方程、时域中的微分方程2 2、复频域中的传递函数、复频域中的传递函数H(S)H(S)3 3、频率域中的频率特性、频率域中的频率特性H(j)H(j)第53页/共99页2021-10-9551、静态标定、静态标定 2、动态标定、动态标定3、传感器的互换性、传感器的互换性二二 、传感器的标定与校准、传感器的标定与校准一、改善传感器性能的技术途一、改善传感器性能的技术

17、途径径新课1、差动技术、差动技术2、平均技术、平均技术1、传感器材料、传感器材料 2、传感器工艺、传感器工艺简简要要介介绍绍三、传感器材料与工艺三、传感器材料与工艺补充补充知识知识3、稳定性处理、稳定性处理4、屏蔽、隔离与干扰抑制、屏蔽、隔离与干扰抑制5、补偿与修正技术、补偿与修正技术第54页/共99页2021-10-956第55页/共99页2021-10-957443322101xaxaxaxaay443322102xaxaxaxaay)( 233121xaxayyy目前这种技术广泛应用于消除或减小由于结构原因引目前这种技术广泛应用于消除或减小由于结构原因引起的起的共模误差共模误差（如温度误

18、差）上。（如温度误差）上。第56页/共99页2021-10-958n0n第57页/共99页2021-10-959稳磁处理、电气元件的老化稳磁处理、电气元件的老化筛选等。筛选等。第58页/共99页2021-10-960nB、降低外界因素对传感器实际、降低外界因素对传感器实际作用的程度作用的程度第59页/共99页2021-10-961第60页/共99页2021-10-962n标定与校准的本质相同。第61页/共99页2021-10-963所谓静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（205），相对湿度不大于85%RH（Relative Humidi

19、ty 湿温相对度 ）、大气压力为（76060）mmhg的情况。第62页/共99页2021-10-964第63页/共99页2021-10-965对于一阶传感器只有一个时间常数；对于二阶传感器则有固有频率n和阻尼比两个参数。主要是研究传感器的动态响应及与动态响应有关的参数。第64页/共99页2021-10-966第65页/共99页2021-10-967第66页/共99页2021-10-968第67页/共99页2021-10-969功能材料。功能材料。第68页/共99页2021-10-970第69页/共99页2021-10-9716 、特殊特殊功能材料功能材料5、 生物体生物体功能材料功能材料4、

20、热热功能材料功能材料3、 光学光学功能材料功能材料2、 磁学磁学功能材料功能材料1、 电学电学功能材料功能材料第70页/共99页2021-10-972n介电、铁电、压电等介电、铁电、压电等陶瓷功陶瓷功能材料能材料等均为绝缘体等均为绝缘体。材料按照其导电性可分为材料按照其导电性可分为导体导体、绝缘体绝缘体和介于和介于二者之间的二者之间的半导体半导体。 第71页/共99页2021-10-973型半导体材料。型半导体材料。n（3）、）、热敏电阻热敏电阻可分为可分为正温正温度系数度系数(PTC)和和负温度系数负温度系数(NTC)两大类两大类。n（4）、）、压敏电阻压敏电阻：一种对外：一种对外加电压敏感

21、的加电压敏感的非线性变阻器非线性变阻器。n（5）、气敏和湿敏半导瓷材）、气敏和湿敏半导瓷材料料当体系的尺寸在纳米量级时的一种物理现象。 一维量子线、零维量子点材料当能级间距足够大时，会导致纳米粒子的光、电、磁、声、热、力学等特性发生显著的变化，出现若干奇异性质。这就是量子尺度效应。 在粒子总能量低于势垒的情况下，粒子能穿过势壁甚至穿过一定宽度的势垒而逃逸出来的现象称为隧道效应。该效应无法用经典力学的观点来解释。 第72页/共99页2021-10-974第73页/共99页2021-10-9751 1 ）磁性材料）磁性材料磁性材料：常温下表现为强磁性的磁性材料：常温下表现为强磁性的亚铁磁性亚铁磁性和和铁铁磁性磁性材料。材料。2 2 ）有机磁体）有机磁体有机磁性化合物主要可以分为有机磁性化合物主要可以分为复合型复合型和和结构型结构型两两大类。大类。第74页/共99页2021-10-976光功能材料光功能材料：指在外场，如力、声、热、电、磁、：指在外场，如力、声、热、电、磁、光等场的作用下，其光学性质会发生改变的材料。光等场的作用下，其光学性质会发生改变的材料。主要包括主要包括磁光磁光、声光声光、电光电光、压光压光及及激光激光材料。材料。第75页/共99页2021-10-977第76页/共99页2021-10-97