第1章传感器基础论

1、 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章主讲教师：物电学院主讲教师：物电学院 白成杰白成杰 传感器原理与应用传感器原理与应用课程概况课程概况 传感器原理与应用传感器原理与应用课程概况课程概况n课程内课程内容容 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章车胎压力监测车胎压力监测 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 纺纺 织织 品品精确的 烟草烘干烟草烘干木材烘干木材烘干芯片生产要求最高的湿度稳定性芯片生产要求最高的湿度稳定性纸纸 品品湿度传感

2、器湿度传感器NOXNO + NO2dust sootH2SH2OHCC-totalCO2COO2HCN HCl HF NH3SO2上海卢浦大桥通车上海卢浦大桥通车应力试验应力试验 未来世界是个充满传感器的世界，未来世界是个充满传感器的世界， 还会有：还会有：F 智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源） 智能衣服（自动调节温度）智能衣服（自动调节温度） 智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量） 智能汽车（无人驾驶、智能汽车（无人驾驶、GPSGPS卫星定位）卫星定位） 智能化设备智能化设备越来越多。越来越多。

3、使现场数据就近登陆，通过使现场数据就近登陆，通过 InternetInternet网与用户之间异地交换数据网与用户之间异地交换数据远程控制等。远程控制等。传感器的数字化和网络化传感器的数字化和网络化传感器的数字化和网络化关于传感器概念的几点说明 根据国标的定义，传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量器件或装置，用于满足系统信息传输、存储、显示、记录及控制等要求。关于传感器概念的几点说明 传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测量上。例如，我们常见的发电机，它是一种可以将机械能转变成电能的转换装置，从能量转换的角度看，它是一种发电设备，不能称之

4、为传感器；但从另一个角度看，人们可以通过发电机发电量的大小来测量调速系统的机械转速，这时，发电机就可看成是一种用于测量转速的测量装置，是一种速度传感器，通常称之为测速发电机。应用传感器的目的就是为了获得被测量的准确信息，这也是本课程的学习目的。 传感器定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处理的信号，主要包括气、光和电等信号，现在一般就是指电信号(如电压、电流、电势及各种电参数等)；而“规定的测量量”一般是指非电量信号，主要包括各种物理量、化学量和生物量等。在工程中常需要测量的非电量信号有力、压力、温度、流量、位移、速度、加速度、转速、浓度等。正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由

5、电工仪表和电子仪器直接测量，所以就需要利用传感器技术实现由非电量到电量的转换。 传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保证一定的精度。 关于“传感器”这个词，目前国外还有许多提法，如变换器(transducer)、转换器(converter)、检测器(detector)和变送器(transmitter)等，而根据我们国家的规定，传感器定名为sensor ；当传感器的输出信号为标准信号(1V 5V 、4mA 20mA) 时，称为变送器(transmitter)，注意二者不要混淆。 测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。被测信

6、号被测信号输出输出广义传感器 检出器检出器 信号处理部分信号处理部分依靠传感器结构参数（如形状、尺寸等）的变依靠传感器结构参数（如形状、尺寸等）的变化，利用物理规律，实现信号的变换，从而检化，利用物理规律，实现信号的变换，从而检测出被测量，它是目前应用最多、最普遍的传测出被测量，它是目前应用最多、最普遍的传感器。如电容压力传感器。感器。如电容压力传感器。 利用某些功能材料本身所具利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测有的内在特性及效应将被测量直接转换成电量的传感器量直接转换成电量的传感器。如热敏电阻、光敏电阻。如热敏电阻、光敏电阻。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感

7、器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章1.3.1 1.3.1 ）（11 2210 nnxaxaxaay式中：式中：x为输入量；为输入量；y为输出量；为输出量；a0为零位输出；为零位输出； a1为传感器为传感器线性灵敏度，常用线性灵敏度，常用K或或S表示；表示； a2 an为非线性项的待定系为非线性项的待定系数。数。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn 传感器原理与应用传

8、感器原理与应用第一章第一章2. 2. ）（31 0 dtetysYst 011011bsbsbsXasasasYmmmmnnnn 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 ）（41 011011 asasabsbsbsXsYsHnnnnmmmm 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章62 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 ）（则：51 21 sHsHsHsHn 对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。系统的串联与并联。xy sH1 sH2 sHn 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章64 ）（则

9、则：61 21 sHsHsHsHpxy sH1 sH2 sHn 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章n在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。 n传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性，即系传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性，即系统输出信号统输出信号y(t ) 与输入信号与输入信号(被测量被测量) x(t ) 之间的关系。之间的关系。n根据传感器输入信号根据传感器输入信号x(t ) 是否随时间变化，其基本特性是否随时间变化，

10、其基本特性分为分为静态特性静态特性和和动态特性动态特性，它们是系统对外呈现出的外，它们是系统对外呈现出的外部特性，但与其内部参数密切相关。不同的传感器内部部特性，但与其内部参数密切相关。不同的传感器内部参数不同，因此其基本特性也表现出不同的特点。参数不同，因此其基本特性也表现出不同的特点。n一个高精度传感器，必须具有良好的静态特性和动态特一个高精度传感器，必须具有良好的静态特性和动态特性，才能保证信号无失真地按规律转换。性，才能保证信号无失真地按规律转换。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章1.4.1 当传感器的输入信号是常量，不随时间变化当传感器的输入信号是常量，不随时间变化(或变

11、化极或变化极缓慢缓慢)时，其输出输入关系特性称为静态特性。时，其输出输入关系特性称为静态特性。借助实验方法确定传感器静态特性的过程称为借助实验方法确定传感器静态特性的过程称为静态静态校准校准。当满足静态标准条件的要求，且使用的仪器设备具当满足静态标准条件的要求，且使用的仪器设备具有足够高的精度时，测得的校准特性即为传感器的有足够高的精度时，测得的校准特性即为传感器的静态特性。静态特性。由校准数据可绘制成特性曲线（即由校准数据可绘制成特性曲线（即校准曲线校准曲线，也称，也称为校正曲线），通过对校准数据或特性曲线的（回为校正曲线），通过对校准数据或特性曲线的（回归）处理，可得到数学表达式形式的特性

12、，及描述归）处理，可得到数学表达式形式的特性，及描述传感器静态特性的主要指标。传感器静态特性的主要指标。主要包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞现象、分主要包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞现象、分辨率与阈值、稳定性、漂移、静态误差等。辨率与阈值、稳定性、漂移、静态误差等。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章拟合拟合n所谓所谓拟合拟合是指已知某函数的若干是指已知某函数的若干离散函数离散函数值值f1,f2,fn，通过调整该函数中若干待定系数，通过调整该函数中若干待定系数f(1, 2,n)，使得该函数与已知点集的差别，使得该函数与已知点集的差别(最小二乘意最小二乘意义义)最小。最小。n如果待定

13、函数是线性，就叫如果待定函数是线性，就叫线性拟合线性拟合或者或者线性回归线性回归(主主要在统计中要在统计中)，否则叫作，否则叫作非非线性拟合线性拟合或者或者非非线性回归线性回归。表达式也可以是表达式也可以是分段函数分段函数，这种情况下叫作，这种情况下叫作样条样条拟合拟合。n一组观测结果的数字统计与相应数值组的吻合。形象的一组观测结果的数字统计与相应数值组的吻合。形象的说说,拟合就是把平面上一系列的点拟合就是把平面上一系列的点,用一条光滑的用一条光滑的曲线连曲线连接接起来。因为这条曲线有无数种可能起来。因为这条曲线有无数种可能,从而有各种拟合从而有各种拟合方法。拟合的曲线一般可以用函数表示，根据

14、这个函数方法。拟合的曲线一般可以用函数表示，根据这个函数的不同有不同的拟合名字。的不同有不同的拟合名字。n在在MATLAB中可以用中可以用polyfit来拟合来拟合多项式多项式。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章）（71 00100maxFSyyE（F.S.是full scale的缩写） 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章选择拟合直线的方法 （1）端点直线法端点直线法:对应的线性度称端点线性度。简单直观，拟合精度较低。最大正、负偏差不相等。 xOyymax 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 （2）端点平移直线法端点平移直线法: :对应的线性度称独立线性度。最大

15、正、负偏差相等。ymax|ymax|ymaxOyx 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 在静态条件下，若不考虑迟滞及蠕变，则传感器的输出量y与输入量x的关系可由一代数方程表示，称为传感器的静态数学模型，即式中 a0无输入时的输出，即零位输出； a1传感器的线性灵敏度； a2,a3 , , an非线性项的待定常数。从静态模型考察几种线性度从静态模型考察几种线性度）（ 11 2210 nnxaxaxaay 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 设a a0 0=0=0，即不考虑零位输出不考虑零位输出，则静态特性曲线过原点。一般可分为以下几种典型情况。Oxy1.理想的线性特性 当a2

16、a3an0时，静态特性曲线是一条直线，传感器的静态特性为8)-(1 1xay 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 2.无奇次非线性项 当a3=a5=0时，静态特性为 因不具有对称性，线性范围较窄，所以传感器设计时一般很少采用这种特性。 Oxy9)-(1 44221xaxaxay 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章3.无偶次非线性项 当a2=a4=0时，静态特性为 10)-(1 55331xaxaxayOxy 特性曲线关于原点对称，在原点附近有较宽的线性区。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章4.一般情况 特性曲线过原点，但不对称。Oxy nnxaxaxaxy221

17、)( )(4433221xaxaxaxaxy10A)-(1 )()()(553312xaxaxaxyxy 这就是将两个传感器接成这就是将两个传感器接成差动形式差动形式可拓宽可拓宽线性范围的理论根据。线性范围的理论根据。差动：数据量的差使得装置动作。差动：数据量的差使得装置动作。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 ）（111 xfdxxdfdxdySn）（121 xyk 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章yx0Rmax2Rmax1）（131 100 %yRFSmaxR 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章H 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章）（141 1

18、00 %yHFSmaxH 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章）（）（151 10032 %yFS ）（161 222 RHL 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章一个动态特性好的传感器一个动态特性好的传感器, , 其输出将再现输其输出将再现输入量的变化规律入量的变化规律, , 即具有相同的时间函数。实际即具有相同的时间函数。实际上输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函上输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数数, ,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误这种输出与输入间的差异就是所

19、谓的动态误差。差。动态特性是指传感器对随时间动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。变化的输入量的响应特性。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章TtTT0tt0到到 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻, 使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。这种热惯性是热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。 动态特性除了与传感器的固有因素有关之外, 还与传感器输入量的变化形式有关。 传感器原理与应用传感器原理与应用

20、第一章第一章当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号 （1-17） 时，其输出特性称为时，其输出特性称为阶跃响应特性阶跃响应特性。 00 10 tttu时域方法时域方法瞬态响应法（时间函数：瞬态响应法（时间函数：阶跃函数阶跃函数、脉冲函数、脉冲函数、斜坡函数）、斜坡函数）频域方法频域方法频率响应法（频率响应法（正弦信号正弦信号） 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章图图1-6 1-6 阶跃响应特性阶跃响应特性tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 ）（181 00100 yy

21、typp 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 dtetyYdtetysYtstj00j 3)-(1 dtetxXt j0j 思想：在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常思想：在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性，其重用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。要指标是频带宽度，简称带宽。过程：频率响应函数过程：频率响应函数幅频特性函数、相频特性函数幅频特性函数、相频特性函数 传感器原理与应用传感器原理与应用第一

22、章第一章 ）（191 jjjjjjj011011 asasabsbsbXYHnnnnmmmm 201 jjjjj）（ eAeXYXYH 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 XYHA j即即 ）（211 j22 IRHHHA 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 jj jjXYIH,XYRHmIeR ）（221 jjYRejXj11 XYImtgHHtgRI 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 多数传感器多数传感器输出与输入的关系均可用零阶、一阶输出与输入的关系均可用零阶、一阶或二阶微分方程来描述，据此可把传感器分为零阶或二阶微分方程来描述，据此可把传感器分为零阶传感

23、器、一阶传感器和二阶传感器。传感器、一阶传感器和二阶传感器。 所以分析了零阶、一阶和二阶系统的动态特性，所以分析了零阶、一阶和二阶系统的动态特性，就可以对各种传感器的动态特性有基本了解。就可以对各种传感器的动态特性有基本了解。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章由（由（1-21-2）式，零阶系统的微分方程为）式，零阶系统的微分方程为 ）（231 00 tXbtYa ）（241 00 tKXtXabtY或或 ）（251 00 KabjXjYsXsYsH 零阶传感器的传递函数和频率特性为：零阶传感器的传递函数和频率特性为：）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdb

24、yadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn静态灵敏度静态灵敏度 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章n输出和输入成正比，并且与信号频率无关，输出和输入成正比，并且与信号频率无关，因此无幅值和相位失真问题。因此无幅值和相位失真问题。n具有理想的动态特性。具有理想的动态特性。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章）（261 001 xbyadtdya）（271 Kxydtdy ）（281 1 sKXsYs ）（ 291 1 sKsXsYsH 01aa 00abK 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 jK)j(X)j(Y)j(H 112 )(K)(A )(a

25、rctg)( 时时，当当1 )(K)(A 负号表示相位滞后负号表示相位滞后很小当)( 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 ）（341 1 /teKAy）（351 632011 KA.)e(KA)(y ）（331 0t 0 0 AttxKxydtdy tx01输出的初值为输出的初值为0,随着时间推移随着时间推移y接近于接近于1；当；当t=时时,在一阶系统中在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。时间常数值是决定响应速度的重要参数。 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章图图 1-7 1-7 一阶传感器一阶传感器CKK x(t) =F(t)y(t)例例1- -1：由弹簧、

26、阻尼器构成的压力传感器，系统输入量由弹簧、阻尼器构成的压力传感器，系统输入量 为为F(t) = Kx (t)，输出量为位移，输出量为位移y(t )，分析系统的频率响，分析系统的频率响应特性。应特性。解：根据系统中力的动态平衡关系：解：根据系统中力的动态平衡关系： fC+fK=F(t) 或或 txtydttdyKC tKxtKydttdyCtKyfdttdyCfkc 则则：，其其中中 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 ）（361 1111ssKCsH为时间常数为时间常数 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章令令H(s )中的中的s =j,即即= 0，则，则1j1jH由由( (

27、jj) )可以分析该系统的幅频特性可以分析该系统的幅频特性和相频特性和相频特性 ： arctg11A2 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章0TTdtdThsmc ,01hsmcaa100abKmcdQdT dtTThsdQ)(0图图1-8 1-8 一阶测温传感器一阶测温传感器解：解： 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章1110 hsmcjjK)j(T)j(T)j(H 11122 )hsmc()(K)(A )hsmc(arctg)(arctg)( )e(KAT/ t 1)1 (tmchseAT 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述

28、的传感器。所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器。很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：传感器，其微分方程为：）（371 001222 xbyadtdyadtyda 00012202xabydtdyaadtydaa 或或201200002 aaaaaabK ；令令静态灵敏度静态灵敏度阻尼比阻尼比 ）（则：381 121 0220skxsyss固有频率固有频率,0=1/ 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 ）（391 2200220ssKsH ）（401 2200220 jjKjH ）（411 2120220 KA）（421 2tanarc)(2020 传感器原理与应用传感器原理与应用第一章第一章 阻尼比阻尼比 的影响较大，不同阻尼比情况下相对幅频特性即的影响较大，不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707A() 当当0时，在时，在