现代传感与技术第3章

1、第三章第三章 传感器构成论传感器构成论v3.1 3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v3.2 3.2 传感器与被测对象的关联传感器与被测对象的关联v3.3 3.3 传感器对信号的选择传感器对信号的选择 v3.7 3.7 传感器的性能指标传感器的性能指标3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法 1敏感元件敏感元件 2转换元件转换元件 3转换电路 传感器的定义传感器的定义：传感器是以一定的精确度：传感器是以一定的精确度把被测量（物理量、生物量、化学量）转换为把被测量（物理量、生物量、化学量）转换为与之有确定关系的便于处理应用的某种物理量与之有确定关系的便于处理应用的某种物理量（如电量、光学量）

2、的测量部件或装置。通常（如电量、光学量）的测量部件或装置。通常由由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件、转换电路转换电路组成。组成。3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v1 1、敏感元件、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物 理量（包括电学量）。理量（包括电学量）。v2 2、转换元件、转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学 量（包括电路参数量）。量（包括电路参数量）。v3 3、转换电路、转换电路：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换 成便于测量的电

3、学量（如电压、电流、频率成便于测量的电学量（如电压、电流、频率 等）。等）。3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法但有些传感器，三部分不一定齐全，如：但有些传感器，三部分不一定齐全，如：热电偶、差动变压式热电偶、差动变压式位移位移传感器传感器 由由1 1组成；组成； 电容式位移传感器、压阻式传感器电容式位移传感器、压阻式传感器 由由1 1、3 3组成；组成；压电式加速度传感器、差动变压式压电式加速度传感器、差动变压式力力传感器传感器 由由1 1、2 2组成；组成；电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器 由由1 1、2 2、3 3组成。组成。根据根据结构组成结构组成可将传感器按其构成方法分为以下

4、几类：可将传感器按其构成方法分为以下几类：1.1.通用型、通用型、2.2.参比型、参比型、3.3.差动型、差动型、4.4.反馈型反馈型。每一类型，根据能量变换，一般都可分为：每一类型，根据能量变换，一般都可分为： 能量变换型能量变换型 能量控制型能量控制型3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v1.通用型 根据组成可分为：根据组成可分为：能量变换基本型能量变换基本型、能量控制基本型能量控制基本型、能量能量变换特殊型变换特殊型（辅助能源型）、（辅助能源型）、电路参数型电路参数型和和多级变换型多级变换型。v（1）能量变换基本型能量变换基本型敏感元件敏感元件物理、化物理、化学、生物学、生物输入输入

5、电量电量输出输出输入量为被测非电量，输出是电流、电压。输入量为被测非电量，输出是电流、电压。3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法典型例子：典型例子：v热电偶（塞贝克效应）热电偶（塞贝克效应）v光电池（光生伏特效应）光电池（光生伏特效应）v压电式传感器压电式传感器v压电式超声波探头压电式超声波探头特点：特点：v（1 1）只由敏感元件构成。）只由敏感元件构成。v（2 2）不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象）不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象 获得，输出能量较弱。获得，输出能量较弱。v（3 3）利用）利用热平衡现象热平衡现象或或传输现象传输现象中的中的一次

6、效应一次效应制成是可逆的。制成是可逆的。v（4 4）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。）对被测对象有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。v（5 5）输出能量不可能大于被测对象的能量输出能量不可能大于被测对象的能量。（压电效应）（压电效应）3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v（2）能量控制基本特点：v（1 1）也由）也由敏感元件敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量 输出。输出。v（2 2）输出能量可大于被测对象具有的能量输出能量可大于被测对象具有的能量。v（3 3）无需变换电路即可有较大的电量输出。）无需变换电路即可

7、有较大的电量输出。输出输出输入输入敏感元件敏感元件电源电源典型例子：变压式位移传感器典型例子：变压式位移传感器 感应同步器感应同步器3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v（3 3）能量变换特殊型（辅助能源型）能量变换特殊型（辅助能源型）特点：特点：v（1 1）只由敏感元件构成。）只由敏感元件构成。v（2 2）能量从被测对象获得，属能量变换型。能量从被测对象获得，属能量变换型。v（3）辅助能源辅助能源是为了是为了增加抗干扰能力增加抗干扰能力或或提高稳定性提高稳定性，或，或取出信号取出信号， 或为或为原理所需要而使用固定磁场原理所需要而使用固定磁场。 如霍尔式传感器，使用固定磁场，这是利用磁铁

8、来代替动力源，如霍尔式传感器，使用固定磁场，这是利用磁铁来代替动力源， 这时不把磁铁看作动力源，而看作辅助能源。这时不把磁铁看作动力源，而看作辅助能源。典型例子：典型例子： 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 CCD CCD 磁电感应式传感器磁电感应式传感器 霍尔式传感器（霍尔型较特殊，可以看作上面的混合型）霍尔式传感器（霍尔型较特殊，可以看作上面的混合型）输出输出输入输入敏感元件敏感元件辅助能源辅助能源3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v（4）电路参数型特点：v(1) (1) 敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。v(2) (2) 转换电路含有该敏感元

9、件。转换电路含有该敏感元件。v(3) (3) 电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制型。v(4) (4) 输出能量远大于输入能量。输出能量远大于输入能量。v(5) (5) 利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器。 它由敏感元件以及包含敏感元件在内它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。的转换电路和电源组成。输出输出输入输入 转换电路转换电路敏感元件敏感元件电源电源典型例子：典型例子： 电阻应变式、电感式、电容式、电涡流式、电阻应变式、电感式、电容式、电涡流式、 气敏电阻、湿敏

10、电阻、光敏电阻、热敏电阻等。气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等。3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v（5 5）多级变换型）多级变换型输出输出输入输入敏感元件敏感元件转换元件转换元件能量变换型能量变换型输入输入输出输出 转换电路转换电路敏感元件敏感元件转换元件转换元件电源电源能量控制型压电式加速度传感器压电式加速度传感器 目前大多数传感器都是利用目前大多数传感器都是利用敏感元件敏感元件把被测非电量转换成某种可利把被测非电量转换成某种可利用的中间变换物理量，再通过用的中间变换物理量，再通过转换元件转换元件，有时还需要，有时还需要转换电路转换电路转换成便转换成便于测量的电量输出。于测量的

11、电量输出。3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法 热平衡二次效应热平衡二次效应R2R1DvDv膜片膜片悬臂支架悬臂支架应变片应变片P应变式力传感器、应变式力传感器、光纤式加速度、光纤式加速度、酶热敏电阻式、酶热敏电阻式、电容电感式加速度、电容电感式加速度、 霍尔式压力传感器。霍尔式压力传感器。特点：特点：设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适设计自由度大，可用二级或二级以上变换，设计出适应各种条件的传感器。应各种条件的传感器。3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法 可利用的可利用的中间变换量中间变换量：是指那些容易转换成电学量的物理量。：是指那些容易转换成电学量的物理量。 在大多数

12、情况下，传感器的输出采取电量的形式，但是把输入的物在大多数情况下，传感器的输出采取电量的形式，但是把输入的物理量直接更换为电量不那么容易，而是转换成为可利用的中间变换量。理量直接更换为电量不那么容易，而是转换成为可利用的中间变换量。 在多数情况下，采取两级或两级以上的变换，这就增加了传感器设在多数情况下，采取两级或两级以上的变换，这就增加了传感器设计的自由度并使之适应各种条件。计的自由度并使之适应各种条件。被测量被测量中间变换量中间变换量转换元件转换元件力、压力、热、加速度、扭矩、力、压力、热、加速度、扭矩、温度（双金属片）、流速、湿温度（双金属片）、流速、湿度（高分子材料碳粒）度（高分子材料

13、碳粒）位移位移电容、电感、应变片、电容、电感、应变片、压阻、霍尔压阻、霍尔位移、转数、浓度、气体成分、位移、转数、浓度、气体成分、湿度、维生素湿度、维生素光量光量光电器件、射线光电器件、射线湿度、真空度、流速、尿素等湿度、真空度、流速、尿素等热（温度）热（温度）热电偶、热敏电阻热电偶、热敏电阻生物量、化学物质、离子浓生物量、化学物质、离子浓度、度、PHPH值、值、O O2 2、葡萄糖、葡萄糖复合物复合物（化学物质）（化学物质）电化学器件电化学器件（各类电极）（各类电极）3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法2.参比补偿型输入输入敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件输出输出环境量环境量能量变换型能

14、量变换型 输出输出输入输入 转换电路转换电路环境量环境量敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件能量控制型能量控制型 电源电源 为了消除环境条件变化（如温度变化、电源电压波动等）的影为了消除环境条件变化（如温度变化、电源电压波动等）的影响。采用两个性能完全相同的传感元件。响。采用两个性能完全相同的传感元件。3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法特点：v(1) (1) 采用采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件。其 中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补 偿用。偿用。v(2) (2) 两个敏感元

15、件同时接到电桥的相邻两臂或反串。两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串。v(3) (3) 能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度、电源电能消除环境和条件变化干扰的影响（如温度、电源电 压）。压）。3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法 例：电阻式或压电式压力传感器中压力与温度变化对电阻、例：电阻式或压电式压力传感器中压力与温度变化对电阻、压电元件影响较近时，需用温度补偿片，构成参比型。压电元件影响较近时，需用温度补偿片，构成参比型。 （一个为工作片，另一个为补偿片。）（一个为工作片，另一个为补偿片。）dVRRR1R2R1R23.1 传感器的构成方法v3.差动结构型特点：特点：v(1) (1

16、) 采用采用两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同两个（或两个以上）性能完全相同的敏感元件，同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量。的环境影响量和方向相反的被测量。v(2) (2) 反串或接入电桥相邻的两臂。反串或接入电桥相邻的两臂。v(3) (3) 输出信号提高一倍。输出信号提高一倍。v(4) (4) 传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影传感器差动结构以提高灵敏度、线性度，减小或消除环境因素的影响。响。应用：差动电阻式、差动电容式、差动电感式。应用：差动电阻式、差动电容式、差动电感式。输入输入 转换电路敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件反相反相电源电源

17、输出输出能量控制型能量控制型3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法v4.反馈型特点：特点：v(1) (1) 传感器的敏感元件（或转换元件）同时传感器的敏感元件（或转换元件）同时兼作反馈元件兼作反馈元件。v(2) (2) 是是闭环系统闭环系统、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。、传感器输入处于平衡状态，故又称为平衡式传感器。v(3) (3) 主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度感主要有力（位移）反馈和热反馈型，如差动电容力平衡式加速度感 器、热线热反馈型流速传感器等器、热线热反馈型流速传感器等。v(4) (4) 结构较复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速）

18、。结构较复杂，应用于特殊场合（高精度微差压、高流速）。电量电量 输出输出输入输入敏感元件敏感元件转换电路转换元件转换元件伺服伺服放大系统放大系统电源电源逆转换元件逆转换元件3.1 传感器的构成方法传感器的构成方法小结：小结：v通用型：结构简单、成本低的场合通用型：结构简单、成本低的场合v参比型：精度要求高、性能好参比型：精度要求高、性能好v差动型：精度要求高、性能好差动型：精度要求高、性能好v反馈型：特殊要求场合反馈型：特殊要求场合3.2 传感器与被测对象的关联传感器与被测对象的关联3.2.1 传感器与固体对象的关联传感器与固体对象的关联3.2.2 传感器与流体对象的关联传感器与流体对象的关联

19、 3.2 传感器与被测对象的关联传感器与被测对象的关联被测对象分为固体、流体3.2.1 固体固体特点：特点：v(1)(1)传感器与被测对象可视为一体，受环境变动的影响相同、易获得较传感器与被测对象可视为一体，受环境变动的影响相同、易获得较 准确的信息。准确的信息。v(2)(2)标定方法和装置与具体被测对象无关，可事先标定，标定结果对不标定方法和装置与具体被测对象无关，可事先标定，标定结果对不 同对象可立即使用，不需再标定（现场）。同对象可立即使用，不需再标定（现场）。缺点：缺点： 有负荷效应。有负荷效应。 接触型接触型 负荷效应负荷效应（即被测对象承受负荷而改变其状态或特性）与传感器体（即被测

20、对象承受负荷而改变其状态或特性）与传感器体积、刚度、热容量等参数大小有关，小到一定程度时可忽略，否则要补积、刚度、热容量等参数大小有关，小到一定程度时可忽略，否则要补偿，不补偿则带来误差。偿，不补偿则带来误差。3.2.1 固体固体v2. 2. 非接触型非接触型v(1)(1)接受由被测对象发出的光或电磁波、辐射热等。例如光电传感器、接受由被测对象发出的光或电磁波、辐射热等。例如光电传感器、 红外探测器。红外探测器。v(2)(2)从传感器向被测对象发射信号或与之构成电位差、距离改变等，用从传感器向被测对象发射信号或与之构成电位差、距离改变等，用 传感器接收相应的响应。例如超声波、电涡流、电容传感器

21、等。传感器接收相应的响应。例如超声波、电涡流、电容传感器等。特点：特点：负荷效应一般极小，可以忽略。但激光干涉仪测位移，负荷效应一般极小，可以忽略。但激光干涉仪测位移， 反光镜在被测物上，要考虑负荷效应。反光镜在被测物上，要考虑负荷效应。缺点：缺点：v(1(1) )被测物的放射性、被测对象与传感器之间的介质特性，在传感器附被测物的放射性、被测对象与传感器之间的介质特性，在传感器附 近的其它物体，传感器与被测物间距离变化影响输出。近的其它物体，传感器与被测物间距离变化影响输出。v(2(2) )安装位置任意，不能事先标定，故要现场标定。标定不仅取决于安安装位置任意，不能事先标定，故要现场标定。标定

22、不仅取决于安装位置，还与被测物形状尺寸、物理参数以及环境等因素有关。装位置，还与被测物形状尺寸、物理参数以及环境等因素有关。 高温、高速回转物体（危险）、或被测对象很小、传感器高温、高速回转物体（危险）、或被测对象很小、传感器无法安装、或负荷效应不易补偿等场合下应用。无法安装、或负荷效应不易补偿等场合下应用。获取信息的获取信息的方法方法：结论：根据具体使用目的、场合选择。结论：根据具体使用目的、场合选择。3.2.1 固体固体 （接触型与非接触型的比较）（接触型与非接触型的比较）项项 目目接触型接触型非接触型非接触型负荷效应负荷效应大大小小环境影响环境影响不容易影响不容易影响易受影响易受影响安装

23、位置安装位置固定固定可以移动可以移动标定标定预先预先现场现场分布检测分布检测困难困难容易容易分布检测：分布检测： 对观测值或误差是否服从某一分布所作的检验。检验时，对对观测值或误差是否服从某一分布所作的检验。检验时，对检测值或误差要计算一些数值统计量，将这些统计量与假设观测检测值或误差要计算一些数值统计量，将这些统计量与假设观测值或误差服从某一分布时所得出的临界值作比较，以判断观测值值或误差服从某一分布时所得出的临界值作比较，以判断观测值或误差是否服从某一分布。或误差是否服从某一分布。3.2.2 3.2.2 流体流体 利用传感器测量流体的某些参数（流速、温度、流量、利用传感器测量流体的某些参数

24、（流速、温度、流量、浓度等），这些参数是容器或管道中流动的一些参数，所以浓度等），这些参数是容器或管道中流动的一些参数，所以必须将传感器安装在容器里或管道中。因此必须将传感器安装在容器里或管道中。因此, ,传感器对原来传感器对原来流体的状态或多或少地会产生一些影响。流体的状态或多或少地会产生一些影响。特点：特点： (1) (1) 存在负荷效应。存在负荷效应。(2) (2) 要求传感器与被测对象间能量授受越小越好，这将要求传感器与被测对象间能量授受越小越好，这将导致传感器的输入信号很弱，必须采用高灵敏传感器。导致传感器的输入信号很弱，必须采用高灵敏传感器。差压式流量计差压式流量计3.3 传感器对

25、信号的选择传感器对信号的选择3.3.1 传感器信号选择机理传感器信号选择机理 3.3.2 传感器的信号选择方式传感器的信号选择方式 3.3.1 传感器信号选择机理传感器信号选择机理传感器的基本机能是采集与变换被测信号。为使其正传感器的基本机能是采集与变换被测信号。为使其正确采集应从结构、材料学等方面加以保证，确保采集确采集应从结构、材料学等方面加以保证，确保采集有用信号，阻止或剔除无用信号。有用信号，阻止或剔除无用信号。设设输入变量输入变量x1,x2,xn,传感器传感器内部变量内部变量u1,u2,ur,输出变量输出变量y1,y2ym,则传感器的一般则传感器的一般数学模型表达式数学模型表达式为：

26、为： yi=fi(x1,x2,xn, u1,u2,ur)其中其中i=1,2,m 如果被测信号为如果被测信号为x1,与之对应的输出为与之对应的输出为y1，则，则 y1=f1(x1,x2,xn, u1,u2,ur)为了得到为了得到x1与与y1一一对应，则必须使除一一对应，则必须使除x1以外的变量（称干以外的变量（称干扰量）固定或即使有变化，对扰量）固定或即使有变化，对x1也不产生影响或影响很小可忽也不产生影响或影响很小可忽略略。3.3.1 传感器信号选择机理传感器信号选择机理又如：金属导线又如：金属导线R金属种类、纯度、尺寸、金属种类、纯度、尺寸、温度、应力。温度、应力。如果如果测温测温，必须选择

27、只随温度变化，结构上应，必须选择只随温度变化，结构上应防止变形影响；如果选择电阻随尺寸、防止变形影响；如果选择电阻随尺寸、应力应力而而变化，则应防止温度的影响，使之输入、输出变化，则应防止温度的影响，使之输入、输出一一对应。一一对应。下面讨论几种常见的传感器对信号的选择方式：下面讨论几种常见的传感器对信号的选择方式：3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v1.固定方式 把把x x1 1之外的其他变量之外的其他变量固定，或用控制方法使其为定值，例热电偶：固定，或用控制方法使其为定值，例热电偶： 严格控制材料纯度，使严格控制材料纯度，使dudu1 1/dt/dt、dudu2 2/dt=0

28、/dt=0；基准结点温度；基准结点温度x x2 2固定为冰水固定为冰水点，热电偶插入保护管内，避免因周围环境及气氛的影响。点，热电偶插入保护管内，避免因周围环境及气氛的影响。三相点：三相点：物质的固相、液相物质的固相、液相及其上方的蒸汽相三相平衡及其上方的蒸汽相三相平衡共存时的温度和压强是一个共存时的温度和压强是一个固定值。例如水的三相点温固定值。例如水的三相点温度是度是273.16K.273.16K.dcba 基准接点基准接点（一般为冰点）（一般为冰点）+ + 电电- - 路路测量测量接点接点铜线铜线金属丝金属丝A A金属丝金属丝B B测试测试接头接头接监接监测测电位电位计计铜线铜线3.3.

29、2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v2.补偿方式（参比）补偿方式（参比） 利用被测量和干扰量共同作用的利用被测量和干扰量共同作用的第一第一函数量和只有干扰量作函数量和只有干扰量作用的用的第二第二函数量函数量之差之差（干扰量作用效果与被测量相加时）或（干扰量作用效果与被测量相加时）或之比之比（干扰量作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影（干扰量作用效果与被测量相乘时）来消除干扰量的影响的一种方式。响的一种方式。设：被测量设：被测量x1，变量，变量x1；干扰量；干扰量x2，变量，变量x2共同作用的函数：共同作用的函数：f (x1+x1 , x2+x2)只有干扰作用的函数：只有干扰作用的函数

30、： f (x1 , x2+x2) 分别在分别在x1，x2附近泰勒展开，忽略二次以上的高阶微小量附近泰勒展开，忽略二次以上的高阶微小量3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式 2222221212212122211212211)x( )xx(2)x( 21 + xxf+xxf+）x，x（ =）x + x， x(xfxxfxffxf )x( 2!1 +xxf+）x，x（ =）x + x， (222222221221xffxf)()(),(22211121xfaxfaxxf如果函数如果函数f(x1,x2)是是f1(x1)和和f2(x2)之和。例如之和。例如则取上两式之差，可得则取上两式之差，

31、可得)(! 22)(! 21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式)(!22)(!21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf)()(),(22211121xfaxfaxxf0)0(21212xaxxf设函数设函数f(x1,x2)是是x1和和x2的线性组合。例如的线性组合。例如时， 两式之差为：两式之差为： )(! 212121211xxfxxfx2的影响在输出中被消除了，达到全补偿的影响在输出中被消除了，达到全补偿3.3.2 传感器信号选择方式

32、传感器信号选择方式（2）如果函数）如果函数f(x1,x2)是是f1(x1)和和f2(x2)之积，例如之积，例如)()(),(221121xfxafxxf则取上两式之比，它们的输出为则取上两式之比，它们的输出为（作用函数：）（作用函数：）)()(),(2221112211xxfxxafxxxxf)()(),(22211221xxfxafxxxf)()(),(),(111112212211xfxxfxxxfxxxxf消除了干扰量影响，得到了完全补偿。消除了干扰量影响，得到了完全补偿。例子：电阻工作应变片与补偿应变片接成桥式电路。例子：电阻工作应变片与补偿应变片接成桥式电路。3.3.2 传感器信号选

33、择方式传感器信号选择方式v3.差动方式 被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝一个方向被测量朝两个方向对称变化，而作为影响量的次要变量则朝一个方向变化，然后取差，就能将被测量选择出来。变化，然后取差，就能将被测量选择出来。 使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小），感受同一使传感器的两个相反的方向（即一个增大，另一个减小），感受同一被测量，而且以两个相同方向感受干扰量，取两个函数之差作为输出。被测量，而且以两个相同方向感受干扰量，取两个函数之差作为输出。 例如：差动结构传感器有例如：差动结构传感器有差动式电容差动式电容、电感传感器电感传感器、变压器变压器式式以及利用传播

34、时间差原理的以及利用传播时间差原理的超声波流速仪超声波流速仪、应变式电桥应变式电桥传传感器等。感器等。 设被测量为设被测量为x1，干扰量为，干扰量为x2，则差动式作用函数分别为，则差动式作用函数分别为),(),(22112211xxxxfxxxxf3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式 )x( )xx(2)x( 21 + xxf+xxf+）x，x（ =）x + x， x(2222221212212122211212211xfxxfxffxf )x( )xx(2)x( 21 + xxf+xxf-）x，x（ =）x + x， x(2222221212212122211212211xfxx

35、fxffxf)(2)(2）x + x， x(-）x + x， x(212121122112211xxxxfxxfxfxf用多项式展开，忽略两次以上的高阶量，并求差得：用多项式展开，忽略两次以上的高阶量，并求差得：)(! 22)(! 21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式 0212xxf 可知与补偿法相比，灵敏度提高了一倍，消除了可知与补偿法相比，灵敏度提高了一倍，消除了(x2 )2非线性项，改善了传感器的非线性。非线性项，改善了传感器的非线性。当当x1, ,x2为算术迭加时，为算术迭加时，

36、例：一维线性组合例：一维线性组合 )()(),(22211121xfaxfaxxf此时此时x2的影响可完全消除。的影响可完全消除。3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v4.频率域频率域及时间域的选择及时间域的选择 信号和噪声的频带重迭时，可以对信号频率进行调制，将其移到别信号和噪声的频带重迭时，可以对信号频率进行调制，将其移到别的频带上，以达到与噪声分离的目的。（采用包含直流信号的调频放大和采的频带上，以达到与噪声分离的目的。（采用包含直流信号的调频放大和采用微弱光的遮光器如用扇形板法使其变为断续光等放大的方式）用微弱光的遮光器如用扇形板法使其变为断续光等放大的方式） 利用被测量信

37、号与利用被测量信号与干扰信号的频率范围不同干扰信号的频率范围不同进行信号选择，通常采用进行信号选择，通常采用各种滤波器（机械滤波和各种滤波器（机械滤波和电子滤波）。例如传感器电子滤波）。例如传感器上装防振橡胶（机械滤上装防振橡胶（机械滤波），抑制机械振动噪音波），抑制机械振动噪音的影响。的影响。光电高温计光电高温计3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v4.频率域及频率域及时间域时间域的选择的选择v(1)(1)分时采数法（时间窗）：分时采数法（时间窗）：X X1 1与与X X2 2出时间不同，时间域不同，可出时间不同，时间域不同，可在在X X1 1出现时读取，时间域内的信号选择出现时

38、读取，时间域内的信号选择；v(2)(2)被测被测X1X1幅度远比噪声幅度远比噪声X2X2小时，被淹没小时，被淹没 若已知若已知X1频率或周期频率或周期，则用，则用同步检波法同步检波法设被测设被测X X1 1=s(t)cost=s(t)cost, ,选用标准信号选用标准信号 )cos(tR同时输入一个乘法器，输出为：同时输入一个乘法器，输出为：RS(t)cos+cos(2t+)/2RS(t)cos+cos(2t+)/2 再通过低通滤波器滤除再通过低通滤波器滤除 22分量分量得得RS(t)cosRS(t)cos信号信号 当当=0=0时，输出为最大。时，输出为最大。乘法器乘法器X X1 1=S(=S

39、(t t)COS()COS(tt) )低通滤波器低通滤波器RS(t)cos(RS(t)cos() )Rcos(Rcos(t+t+) )3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式v(3)(3)同步相加平均法同步相加平均法（利用信号自相关原理进行信号检（利用信号自相关原理进行信号检测）：测）：X1X1和和X2X2中，中，已知已知X1X1规则变化周期信号，并已知周规则变化周期信号，并已知周期期，可采用同步加法，将时间轴（，可采用同步加法，将时间轴（t t）按被测信号周期分）按被测信号周期分段，相同起始点进行段，相同起始点进行N N次相次相 加，则被测信号放大加，则被测信号放大N N倍，而倍，而

40、干扰信号因其随机性干扰信号因其随机性则放大则放大 倍，倍， 噪声被平均，功率噪声被平均，功率变为变为 倍，提高了信噪比。倍，提高了信噪比。NN信噪比信噪比: : NNNNS/3.3.2 传感器信号选择方式传感器信号选择方式 同步相加平均法同步相加平均法3.4 传感器的传递矩阵传感器的传递矩阵 3.4.1 二端口传感器的一般表达式二端口传感器的一般表达式3.4.2 二端口传感器的传递矩阵二端口传感器的传递矩阵 3.4.3 二端口传感器的负载效应二端口传感器的负载效应 3.4.4 传感器的广义输入、输出特性传感器的广义输入、输出特性 3.4.5 负载效应的理论机理及消除方法负载效应的理论机理及消除

41、方法 3.4 3.4 传感器的传递矩阵传感器的传递矩阵（两通道网络概念分析方法）（两通道网络概念分析方法）目的：分析传感器在测量系统中与相关联的部件的目的：分析传感器在测量系统中与相关联的部件的关系，或者一个复杂的传感器系统中各环节之间的关系，或者一个复杂的传感器系统中各环节之间的关系。关系。方法：化简、级联。方法：化简、级联。 因为子系统因为子系统B B与与A A结合之后，在子系统结合之后，在子系统A A中产生了中产生了负载效应。把负载效应因素考虑进去再来分析传感器负载效应。把负载效应因素考虑进去再来分析传感器的特性时，有必要把传感器看成两通道装置来处理。的特性时，有必要把传感器看成两通道装

42、置来处理。子系统子系统B B子系统子系统A A3.4.13.4.1 二端口传感器的二端口传感器的一般表达式一般表达式X2 传感器x1X1x2x1： 输入端示容变量输入端示容变量 X1： 输入端示强变量输入端示强变量x2： 输出端示容变量输出端示容变量 X2： 输出端示强变量输出端示强变量 当传感器在线性范围内工作时，二端口传感器当传感器在线性范围内工作时，二端口传感器与二端口电路的固有特性相似。因此可比照二端电与二端口电路的固有特性相似。因此可比照二端电路的分析方法分析二端口传感器的固有特性。路的分析方法分析二端口传感器的固有特性。I2I1U2U1 电电 路路1.1.二端口电路二端口电路固有特

43、性的表达式固有特性的表达式 根据二端口网络，用根据二端口网络，用短路导纳节点电压法短路导纳节点电压法011112|UUIY输入短路输出输入短路输出导纳导纳 022221|UUIY输入端短路时的电流与输出端电压之比（输入端短路时的电流与输出端电压之比（转移导纳转移导纳）021121|UUIY输出端短路时的电流与输入端电压之比（输出端短路时的电流与输入端电压之比（转移导纳转移导纳）012212|UUIY22212122121111UYUYIUYUYI 则系数则系数 称为称为导纳矩阵导纳矩阵。 22211211YYYY即二端口电路可用即二端口电路可用短路导纳短路导纳和和短路转移导纳短路转移导纳来表示

44、来表示输出短路输入输出短路输入导纳导纳 I2I1U2U1 电 路2. 2. 二端口二端口传感器传感器固有特性固有特性一般表达式一般表达式示强变量用示强变量用X X1 1（输入）、（输入）、X X2 2（输出）（输出）示容变量用示容变量用x x1 1（输入）、（输入）、x x2 2（输出）（输出）22212122121111XYXYxXYXYx导纳：导纳： 011112|XXxY022221|XXxY转移导纳： 021121XXxY012212XXxYY Yijij量纲为量纲为 流量流量/ /强度强度相当于电参量相当于电参量 电流电流/ /电压电压= =电导纳电导纳借用电工学的名称，借用电工学的

45、名称，22211211YYYY把把 称为称为导纳矩阵导纳矩阵。二端口传感器的一般表达式为：二端口传感器的一般表达式为：X2 传感器传感器x1X1x2I2I1U2U1 电电 路路3.4.2 3.4.2 二端口传感器的二端口传感器的传递矩阵传递矩阵：1 1传递矩阵传递矩阵在考察几个子系统结合成一个系统时，用在考察几个子系统结合成一个系统时，用-x-x2 2取代取代x x2 2 -x-x2 2是表示从一个子系统的流出，接着流进接续的另一个子系统是表示从一个子系统的流出，接着流进接续的另一个子系统的示容变量。的示容变量。把上式（第把上式（第个式个式（ ）改写）改写）2212222111XYYxYX21

46、22YYA211YB代入（ ）式221112212211122121222122112211111xYYXYYYYYXYXYYYxYYx)()(221221xDCXxxBAXX其中： ,2122YYA,121YB ,2122111221YYYYYC 2111YYD2221212XYXYx2121111XYXYx)(22xDCX)(22xBAX子系统子系统B B子系统子系统A A22212122121111XYXYxXYXYx方程用矩阵表示：方程用矩阵表示：2211xXDCBAxX导纳行列式：导纳行列式：DCBA称为称为F F行列式（矩阵）行列式（矩阵）代表了传感器的固有特性，代表了传感器的固有

47、特性， 在网络内称为在网络内称为连接矩阵连接矩阵。从能量角度考虑，讨论其连接关系从能量角度考虑，讨论其连接关系)()(221221xDCXxxBAXX3.5 3.5 双向传感器统一理论双向传感器统一理论v在传感器中，有一大部分具有可逆特性。在传感器中，有一大部分具有可逆特性。v当两个系统能用同一类型的微分方程描述，系统间当两个系统能用同一类型的微分方程描述，系统间存在着某些共有属性或特征时，这对系统呈现出某存在着某些共有属性或特征时，这对系统呈现出某种程度的相似性，这些共有属性或特征称为相似特种程度的相似性，这些共有属性或特征称为相似特性，系统间的整体相似称为系统相似。性，系统间的整体相似称为

48、系统相似。 v在研究机械系统时，可以充分利用相似特性进行机在研究机械系统时，可以充分利用相似特性进行机电模拟，这样将带来许多好处。电模拟，这样将带来许多好处。 3.6 3.6 传感器敏感元件的加工新技术传感器敏感元件的加工新技术v薄膜技术薄膜技术：薄膜是一种特殊的物质形态，是一种在：薄膜是一种特殊的物质形态，是一种在衬底表面上添加材料的工艺。衬底表面上添加材料的工艺。 v微细加工技术微细加工技术：微细加工起源于半导体制造工艺，：微细加工起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微机械研

49、究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微米级微细加工的通称。米级微细加工的通称。 v离子注入技术离子注入技术：离子注入是在其容器内，把所需元：离子注入是在其容器内，把所需元素的原子电离成离子，并将其加速几十至几百千电素的原子电离成离子，并将其加速几十至几百千电子伏的能量后，注入以工件表面上，达到材料改性子伏的能量后，注入以工件表面上，达到材料改性的一种技术。的一种技术。 3.7 3.7 传感器的性能指标传感器的性能指标v传感器的输出传感器的输出输入特性是传感器的最基本特性，传感器的输入特性是传感器的最基本特性，传感器的各种性能指标都是根据传感器的输出和输入的对应关系来描各种性能指标都是根据传感器

50、的输出和输入的对应关系来描述的。研究传感器的特性，以便用理论指导其设计、制造、述的。研究传感器的特性，以便用理论指导其设计、制造、校准和使用。校准和使用。v传感器所测量的被测量基本上有两种形式。一种是稳态（静传感器所测量的被测量基本上有两种形式。一种是稳态（静态或准静态）的形式，这种信号不随时间变化（或变化很缓态或准静态）的形式，这种信号不随时间变化（或变化很缓慢）；另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种信号慢）；另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种信号是随着时间变化而变化的。由于输入被测量不同，传感器所是随着时间变化而变化的。由于输入被测量不同，传感器所表现出来的输出表现出来的输出

51、输入特性也不同，因此存在所谓静态特性输入特性也不同，因此存在所谓静态特性和动态特性。和动态特性。3.7.1 3.7.1 静态数学模型静态数学模型及其静态特性指标及其静态特性指标nnxaxaxaay22103.7.1 3.7.1 静态数学模型及其静态数学模型及其静态特性指标静态特性指标v（1）量程与测量范围）量程与测量范围 v（2）线性度）线性度v（3）灵敏度）灵敏度 v（4）分辨力）分辨力v（5）阈值）阈值 v（6）迟滞（回差，滞后）迟滞（回差，滞后）v（7）重复性）重复性 v（8）稳定性）稳定性v（9）漂移）漂移 v（10）静态误差）静态误差3.7.1 3.7.1 动态数学模型及其动态数学模

52、型及其动态特性指标动态特性指标v（1） 微分方程微分方程v（2） 传递函数传递函数xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn011110111101110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm3.7.1 3.7.1 动态数学模型动态数学模型及其动态特性指标及其动态特性指标v（1 1）阶跃响应及时域性能指标：）阶跃响应及时域性能指标：时间常数时间常数 上升时间上升时间响应时间响应时间超调量超调量峰值时间峰值时间 延滞时间延滞时间衰减率衰减率稳态稳态误差误差 v（2 2）频域响应及频域性能指标：）频域响应及频域性

53、能指标：截止频率、通频带和工截止频率、通频带和工作频带作频带谐振频率和固有频率谐振频率和固有频率幅值频率误差和相位频率误幅值频率误差和相位频率误差差 01110111)()()()()()()()()(ajajajabjbjbjbjXjYjHnmnmmmmmjjtjtjeAeXYXeYejXjYjH)()()()()(XYjHA)()()()(Re)()(Imarctan)(jXjYjXjY3.7 传感器的性能指标传感器的性能指标3.7.1 传感器的静态数学模型及其静态特性指标传感器的静态数学模型及其静态特性指标3.7.2 传感器的动态数学模型及其动态特性指标传感器的动态数学模型及其动态特性指

54、标3.7.3 传感器的其他性能指标传感器的其他性能指标 3.7.3 3.7.3 传感器的其他性能指标传感器的其他性能指标v1.传感器的传感器的互换性互换性 v传感器的互换性是指一个传感器可以完全代替另一个传感器，传感器的互换性是指一个传感器可以完全代替另一个传感器，而它的机械尺寸、各项性能指标不需重新校准就可满足使用而它的机械尺寸、各项性能指标不需重新校准就可满足使用要求，更换后的误差不会超过原来的范围；即传感器的功能、要求，更换后的误差不会超过原来的范围；即传感器的功能、尺寸具有完全的互换能力尺寸具有完全的互换能力v为了传感器的互换性，批量生产的传感器的各项性能指标应为了传感器的互换性，批量

55、生产的传感器的各项性能指标应完全一致。由于同一种传感器的制造工艺和所采用的材料是完全一致。由于同一种传感器的制造工艺和所采用的材料是相同的，需要重点保证的通常是输出特性的一致性。传感器相同的，需要重点保证的通常是输出特性的一致性。传感器的零位电平通常可调，需要控制的指标就变成灵敏度（对线的零位电平通常可调，需要控制的指标就变成灵敏度（对线性传感器）或性传感器）或dy/dxdy/dx（对非线性传感器）的一致性的控制。（对非线性传感器）的一致性的控制。3.7.3 3.7.3 传感器的其他性能指标传感器的其他性能指标v2.可靠性可靠性 v可靠性的经典定义为：产品在可靠性的经典定义为：产品在规定条件规

56、定条件下和下和规定时间规定时间内，完内，完成成规定功能规定功能的能力。具体到传感器，其可靠性的评价主要包的能力。具体到传感器，其可靠性的评价主要包括两方面的内容。括两方面的内容。v耐环境能力耐环境能力：指传感器耐受如高温、冲击等恶劣环境因素：指传感器耐受如高温、冲击等恶劣环境因素的能力。此指标一般研究故障在产品的什么部位，以什么形的能力。此指标一般研究故障在产品的什么部位，以什么形式发生，并进而以物理、化学等方面进行失效机理分析得到。式发生，并进而以物理、化学等方面进行失效机理分析得到。v寿命评估寿命评估：指采用概率论模型得到的传感器发生故障与使：指采用概率论模型得到的传感器发生故障与使用时间

57、之间的对应统计关系。用时间之间的对应统计关系。v可靠性指标一般包括可靠性指标一般包括失效率失效率、可靠度可靠度、平均寿命平均寿命、可靠寿命可靠寿命等。等。3.7.3 3.7.3 传感器的其他性能指标传感器的其他性能指标v2.可靠性可靠性v所谓所谓失效率失效率是指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻是指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为后单位时间内发生失效的概率。一般记为( (t t) )，称为，称为失效失效率率函数，有时也称为故障率函数或风险函数。函数，有时也称为故障率函数或风险函数。v在进行实际失效率评估时，一般假定失效率维持不变，因在进行实际失效率评估

58、时，一般假定失效率维持不变，因此可用某一产品此可用某一产品每单位寿命测度内的失效数每单位寿命测度内的失效数与与保持完好的保持完好的产品数产品数之比来测算。之比来测算。保持完好的产品数数单位寿命测度内的失效失效率3.7.3 3.7.3 传感器的其他性能指标传感器的其他性能指标v2.可靠性可靠性v假定在时刻假定在时刻t t时，时，N N个产品中个产品中N Ns s（t t）个产品保持完好，在时）个产品保持完好，在时间间隔（间间隔（t t，t t+ +dtdt）内，有）内，有dNdNf f（t t）个产品失效，则失效率）个产品失效，则失效率为：为：v在任意时刻在任意时刻t t的可靠工作的概率（的可靠

59、工作的概率（可靠度可靠度）表示为）表示为v由于实际评估时的由于实际评估时的N N始终是有限值，因此始终是有限值，因此R R( (t t) )只能是估计只能是估计值。值。dttdNtNtfs)()(1)(NtNtRsN)(lim)(3.7.3 3.7.3 传感器的其他性能指标传感器的其他性能指标v2.可靠性可靠性v由于在由于在t t=0=0与随后任意时刻与随后任意时刻t t之间的任何时间间隔内，该产之间的任何时间间隔内，该产品或者品或者保持完好保持完好或者是或者是失效失效，因此：，因此：NtNtRsN)(lim)()()(tNTNNfsdttdNtNtfs)()(1)()()()()()(1)(

60、)(tRtNtNtdttdNNdtNtNNddttdRsffdttetR)()(3.7.3 3.7.3 传感器的其他性能指标传感器的其他性能指标v2.可靠性可靠性v因此，产品的可靠性可根据失效率来计算。如认为失效率因此，产品的可靠性可根据失效率来计算。如认为失效率为常数，则该产品的为常数，则该产品的可靠度可靠度符合指数分布：符合指数分布：v在市场上某些传感器产品所给出的可靠性指标为在市场上某些传感器产品所给出的可靠性指标为平均寿命平均寿命，一般用一般用MTTFMTTF( (mean timemean time toto failurefailure) )或或MTBFMTBF( (meanmea