传感器原理及应用第一章概述

1、ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT检测就是去认识科学家西门子（W.Ven.Siemens）ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT主讲：赵华主讲：赵华ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT第一章第一章 概概 述述教学目的与要求：要求学生了解传感器的地位和作用现状教学目的与要求：要求学生了解传感器的地位和作用现状 和发展趋势和发展趋势; ; 理解传感器的定义、组成理解传感器的定义、组成 和分类方法和分类方法; ;掌握传感器的静、动态基本掌握传感器的静、动态基本 特性。特性。教学重点：传感器的基本特性教学重点：传感器的基本特性教学难点：

2、动态特性与动态指标教学难点：动态特性与动态指标ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 测试技术测试技术就是采用一定的科学手段来获取、转换、显示和处理各种就是采用一定的科学手段来获取、转换、显示和处理各种信息信息的技术，包含的技术，包含测量测量和和试验试验两个方面。在科学研究、工业生产、医疗卫生、文两个方面。在科学研究、工业生产、医疗卫生、文化教育、国防等各个领域都起着相当重要的作用。化教育、国防等各个领

3、域都起着相当重要的作用。倍增器倍增器先行官先行官战斗力战斗力物化法官物化法官测试测试是是具有试验性质的测量具有试验性质的测量。 试验试验是是对未知事物探索认识的过程对未知事物探索认识的过程。 测量测量是是为确定被测对象量值而进行的实验过程为确定被测对象量值而进行的实验过程。门捷列夫：门捷列夫：科学是从测量开始的科学是从测量开始的一、测试技术的基本概念一、测试技术的基本概念ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 完成测试任务的完成测试任务的传感器、仪器和设备传感器、仪器和设备的总称的总称两类测试系统两类测试系统 状态检测中的测试系统状态检测中的测试系统 自动控制中的测试系统自

4、动控制中的测试系统转速、振动转速、振动/ /位移传感器位移传感器测速、测振仪测速、测振仪转速控制转速控制/ /调节调节二、测试系统的组成二、测试系统的组成ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 状态检测中的测试系统状态检测中的测试系统典型组成：典型组成：传感器传感器、信号调理、信号处理、显示与记录信号调理、信号处理、显示与记录测测试试对对象象传感器传感器信号调理信号调理显示显示/记录记录电电 源源数据采集数据采集数据处理数据处理信号处理信号处理ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 传感器传感器 一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换一种能

5、把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号（通常是成某种可用信号（通常是电信号电信号）输出的器件和装置）输出的器件和装置常用的涡流探头前置器常用的涡流探头前置器加速度传感器加速度传感器力传感器力传感器智能式压力变送器智能式压力变送器ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 信号调理信号调理 对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大、对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大、驱动等，以便进一步传输和处理驱动等，以便进一步传输和处理 高阻输入、低阻输出高阻输入、低阻输出 规范输出规范输出B&K 测量放大器测量放大器2525放大、自动量程放大、自动

6、量程低通和高通滤波器（用户自定义）低通和高通滤波器（用户自定义） 通道：通道：1 1 输入电荷量：输入电荷量：10104 4pC pC 增益：增益：1-1000mV/pC 1-1000mV/pC 输出：输出：5V5V滤波单元滤波单元ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 信号处理信号处理 对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、分析，并输出结果对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、分析，并输出结果 模拟信号处理模拟信号处理 运算：微分、积分、对数运算：微分、积分、对数 数字信号处理数字信号处理 信号量化信号量化 编程处理：信号分析编程处理：信号分析ch1 概概 述述传感器

7、与测试技术传感器与测试技术EXIT 显示记录显示记录 以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存储以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存储ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 自动控制中的测试系统自动控制中的测试系统 将测量结果输入到控制计算机，将测量结果输入到控制计算机，以进行控制运算，以进行控制运算，并通过执行机并通过执行机构对生产过程或设备运行状态进行调节，使其运行于预期的状态构对生产过程或设备运行状态进行调节，使其运行于预期的状态测测控控对对象象控制驱动控制驱动执行单元执行单元电电 源源传感器传感器信号调理信号调理数据采集数据采集

8、显示记录显示记录数据处理数据处理测试系统测试系统信号处理信号处理计算机计算机ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT传感技术是自动检测和自动控制系统的第一基础。传感技术是自动检测和自动控制系统的第一基础。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT发送器、传送器、变送器、检测器、探头发送器、传送器、变送器、检测器、探头ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 实际上，有些

9、传感器很简单，有些则较复杂，大多数是实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开开环系统环系统，也有些是带反馈的，也有些是带反馈的闭环系统闭环系统。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT+AC0+ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 压电式传感器是一种可逆型换能器，压电式传感器是一种可逆型换能器， 机械能机械能 电能。电能。它的工作原理是基于某些物质的它的工作原理是基于某些物质的压电效应。压电效应。 加速度加速度计计ch1 概概 述

10、述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 1665 1665年虎克利用光学显微镜观察软木栓，发现了细胞，促进了生物学年虎克利用光学显微镜观察软木栓，发现了细胞，促进了生物学的发展；的发展； 爱因斯坦：通过实验于爱因斯坦：通过实验于19051905年提出了狭义相对论；年提出了狭义相对论；19151915年提出了广义年提出了广义相对论；大家知道，当时的相对论并未被世人承认，直到相对论；大家知道，当时的相对论并未被世人承认，直

11、到5050年后的天年后的天文望远镜的出现才证实了相对论的正确性；文望远镜的出现才证实了相对论的正确性；ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT中央控制中央控制高性能传感器的集合体高性能传感器的集合体“阿波罗阿波罗10”（3295个检测点个检测点）温度传感器温度传感器559559个个压力传感器压力传感器140140个个信号传感器信号传感器501501个个遥控传感器遥控传感器142142个个 机械产品的灵魂是传感技术机械产品的灵魂是传感技术 一架飞机需要一架飞机需要36003600只传感器及其配只传感器及其配 套的监测仪器套的监测仪器 一辆汽车需要一辆汽车需要3030150150

12、只传感器及其只传感器及其 配套的监测仪器配套的监测仪器机电工程中的应用机电工程中的应用 ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT1)1)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 转动转动/ /移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 广州中鸣数码机器狗广州中鸣数码机器狗 在各种自动控制系统中，在各种自动控制系统中，传感器起着系统感官的作用，传感器起着系统感官的作用，是其重要组成部分。是其重要组成部分。ch1

13、 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 2) 2) AGVAGV（Automated Guided Vehicle） 自动送货车自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和传感器运动轨迹和AGVAGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别小车位置识别；条形码传感器，货品识别 香港理工香港理工AGV模型模型ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT信号采集系统信号分析系统工况状态辩识传感器 B传感器 A 选择刀杆垂直方向的振动加速度作为原始特征信号，用加速度传感选择刀杆垂直

14、方向的振动加速度作为原始特征信号，用加速度传感器拾取。器拾取。3）生产加工过程状态监测与分析）生产加工过程状态监测与分析 切削过程刀具切削过程刀具磨损的状态识别磨损的状态识别机器状态监测与分析机器状态监测与分析BAch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT频谱分析低通滤波器频谱分析低通滤波器1 000 Hz417.9未切削时的频谱未切削时的频谱开始切削后的频谱开始切削后的频谱切削时间增加，刀具有磨损切削时间增加，刀具有磨损刀具有磨损更多刀具有磨损更多0100200300400500600700800900 1 000051015202530417.9f /HzS ( f )01

15、00200300400500600700800051015202530398.4S ( f )f /Hz01002003004005006007008009001 000051015202530417.9328.1S ( f )f /Hz01002003004005006007008009001 000051015202530417.978.1S ( f )f /Hzch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT常见故障：常见故障： 质量不平衡质量不平衡 轴弯曲轴弯曲 不对中不对中 摩擦摩擦 油膜涡动油膜涡动 松动松动 裂纹裂纹 点蚀点蚀 断齿断齿裂纹转子裂纹转子旋转机械的状态监测

16、与故障诊断旋转机械的状态监测与故障诊断ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等关传感器等密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT4 4）流程工业设备运行状态监控）流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态（温度、压力、流量、液位、浓度等态（温度、压力、流量、液位、浓度等) )关系到整个生产线流程，

17、通常关系到整个生产线流程，通常建立建立2424小时在线监测系统。小时在线监测系统。 石化企业输石化企业输油管道、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄漏检测和泄漏检测ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT5 5）产品质量测量产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。其性能质量进行测量和出厂检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转

18、速等。通过对抽样汽车的测试，及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT6 6）楼宇控制与安全防护）楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电

19、梯运行状况。 图示为某公司楼宇自动化系图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水控制、停车管理、水/废水管废水管理和电梯监控。理和电梯监控。烟雾传感器烟雾传感器亮度传感器亮度传感器红外人体探测器红外人体探测器ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT7 7）家庭与办公自动化）家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品

20、性能和质量。和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器传感器，透光率光传感器( (洗净度洗净度) ) 液位传感器，液位传感器，电阻传感器电阻传感器( (衣物烘干检衣物烘干检测测) )。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 纺纺 织织 品品精确的精确的 烟草烘干烟草烘干木材烘干木材烘干

21、 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 品品专为您的需求所设计的专为您的需求所设计的 湿度传感器湿度传感器ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITNOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡 + D/A卡卡 PC PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用ch1 概概 述述传感器与测试技术传

22、感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT( (一一) )改善传感器的性能的技术途径改善传感器的性能的技术途径1 1差动技术差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小减小温度变化温度变化、电源波动电源波动、外界干扰外界干扰等对传感器精度的影响，等对传感器精度的影响，抵消了抵消了共模误差共模误差，减小，减小非线性误差非线性误差等。不少传感器由于采用了等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使差动技术，还可使灵敏度增大灵敏度增大。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 2

23、 2平均技术平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为= =/n/n式中式中 n n传感单元数。传感单元数。 可见，可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信

24、号量，即增大传感器灵敏度。且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT3 3补偿与修正技术补偿与修正技术 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：补偿与修正技术的运用大致针对两种情况： 针对传感器本身特性针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境针对传感器的工作条件或外界环境 对于对于传感器特性传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。适当的方法加以补偿或修正。 针对针对传感器工作条件或外界环境传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度

25、的进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。 补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以补偿与修

26、正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。采用微型计算机通过软件来实现。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT4 4屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方

27、法有：其方法有：u 减小传感器对影响因素的灵敏度减小传感器对影响因素的灵敏度u 降低外界因素对传感器实际作用的程度降低外界因素对传感器实际作用的程度 对于电磁干扰，可以采用对于电磁干扰，可以采用屏蔽屏蔽、隔离隔离措施，也可用措施，也可用滤波滤波等方法抑制。等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的相应的隔离隔离措施，如措施，如隔热、密封、隔振隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。信号进行分离或抑制，减小其影响。 ch1 概

28、概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 5 5稳定性处理稳定性处理 在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。 提高传感器性能的稳定性措施：提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。 造成传感器性能不稳定的

29、原因是：造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。 传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。法定期标定的场合。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技

30、术EXIT基础知识基础知识定义、分类定义、分类发展趋势发展趋势选用原则选用原则一般特性一般特性传感器原理传感器原理测试技术测试技术温度传感器温度传感器磁敏传感器磁敏传感器光电传感器光电传感器应变传感器应变传感器电感传感器电感传感器电容传感器电容传感器压电传感器压电传感器其他传感器其他传感器多传感器融合多传感器融合检测电路检测电路现代检测系统现代检测系统课程主要内容课程主要内容 传感器的工作原理、检测电传感器的工作原理、检测电路及其典型应用路及其典型应用ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT稳定性稳定性( (零漂零漂) )传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定

31、性温漂温漂分辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响 输出输出衡量传感器特性衡量传感器特性的主要技术指标的主要技术指标ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT八、传感器的特性八、传感器的特性 静态特性只是动态特性的一个特例。静态特性只是动态特性的一个特例。 静态特性静态特性: :当输入量为常量或变化极慢时，当输入量为常量或变化极慢时，输出与输入之间输出与输入之间 的关系。的关系。 动态特性动态特性: :当输入量随时间较快地变化时，输出与输入之间当输入量随时间较快地变化时，输出与输入之间 的关系。

32、的关系。传感器特性主要是指传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。输出与输入之间的关系。 x(t)h(t) y(t) 输入输入（激励）（激励）传感器特性传感器特性 输出输出（响应）（响应）ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT其中：其中：a0，a1，an和和b0，b1，bm均为常数，则均为常数，则称该系统为称该系统为定常线性系统定常线性系统 或或时不变线性系统时不变线性系统。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。 传感器传感器输入输入X输出输出Ych1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 理想的传感器应该具有单值的、

33、确定的输入输出关系。理想的传感器应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。一般情况下，由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和系最佳。一般情况下，由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，输出输入不会符合所松动等各种因素以及外界条件的影响，输出输入不会符合所要求的线性关系，且输出输入对应关系的唯一确定性也不能要求的线性关系，且输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。实现。

34、 xy线性线性xy线性线性xy非线性非线性ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT例：余弦信号通过非线性系统（二极管），则输出被整流，例：余弦信号通过非线性系统（二极管），则输出被整流，其频率成分被改变。其频率成分被改变。输出信号输出信号yx0y(t)|X( )| 0|Y( )| 02 0非线性系非线性系统特性统特性输入信号输入信号tx(t)ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT（一）传感器的静态特性与主要性能指标（一）传感器的静态特性与主要性能指标 y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn静态测量：静态测量：理想理想线性系统：线性系统：y=(by=

35、(b0 0/a/a0 0)x=Sx)x=Sx y y与与x x是单调、线性、比例关系是单调、线性、比例关系实际实际线性系统：线性系统：静态特性：静态特性：在在静态测量静态测量的情况下，描述的情况下，描述实际测试装置实际测试装置 与与理想定常线性系统理想定常线性系统 的接近程度。的接近程度。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 静态特性曲线可实际测试获得静态特性曲线可实际测试获得。为了标定和数据处理的方为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。件或软件补偿，

36、进行线性化处理。1 1线性度线性度 在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，传感器静态特性可在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，传感器静态特性可用下列多项式代数方程表示：用下列多项式代数方程表示：式中：式中：y y输出量；输出量； x x输入量；输入量； a a0 0零点输出；零点输出； a a1 1理论灵敏度；理论灵敏度； a a2 2、a a3 3、 、 a an n非线性项系数。非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxnch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT

37、YXYiXiLmaxY=kx+bLmax一一最大非线性误差；最大非线性误差； yFS满量程输出满量程输出Lch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 在非线性误差不太大的情况下，总是在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法采用直线拟合的办法来线来线性化。性化。各种直线拟合方法各种直线拟合方法ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘拟合法min2112niiiniibkxy最小二乘法拟合最小二乘法拟合若实际测试点有若实际测试点有n个，则第个，则第i个数据与个数据与拟合直线上响应值之间的残差为拟合直线上响应

38、值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即为最小值，即i=yi-(kxi+b)2ich1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT22iiiiiixxnyxyxnk 222iiiiiiixxnyxxyxb然后求出残差的最大值然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。即为非线性误差。最小二乘法求取的拟合直线拟合精度最高，也是最常用的方法。最小二乘法求取的拟合直线拟合精度最高，也是最常用的方法。 ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT0yxHmaxyFS迟滞特性迟滞特性%100/2/1maxFSHHy式中式中 Hmax正

39、反行程间输出的最大差值。正反行程间输出的最大差值。传感器在正传感器在正( (输入量增大输入量增大) )反（输入量减反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。滞。2 2迟滞（回程误差）迟滞（回程误差）一个电子秤称重加砝码10g - 50g - 100g - 200g电桥输出0.5mv - 2mv - 4mv- 10mv减砝码输出1mv - 5mv - 8mv- 10mv 回程误差是由迟滞现象产生的，即由于装置内部的弹性元件、磁性元回程误差是由迟滞现象产生的，即由于装置内部的弹性元件、磁性元件的滞后特性以及机械部分的摩擦、间隙、灰尘积塞等原因造成的。件的滞

40、后特性以及机械部分的摩擦、间隙、灰尘积塞等原因造成的。 ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITyx0Rmax2Rmax1%100/maxFSRRy感感器输入量按同一方向作多次测器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。量时，输出特性不一致的程度。Rmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。3重复性重复性误差可用正反行程的最大重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即偏差表示，即ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT当特性曲线呈非线性关系时，灵敏度的表达式为当特性曲线呈非线

41、性关系时，灵敏度的表达式为 ：常数xyxysxyxysxddlim0 xxyyyyyxx00(a)(b)x4 4、灵敏度：、灵敏度：测试测试系统对输入量变化系统对输入量变化反应的能力反应的能力o输入输入x x有一个变化量有一个变化量x x，它引起系统输出，它引起系统输出y y发生相应的变化量发生相应的变化量y y，则，则定义定义灵敏度灵敏度o对于理想的定常线性系统，灵敏度为对于理想的定常线性系统，灵敏度为dxdyxyS灵敏度的灵敏度的量纲：量纲：输出量纲输出量纲/ /输入量纲（如：输入量纲（如：V/mmV/mm，V/V/，mV/mV/，mV/gmV/g） 灵敏度越高越敏感，易受干扰灵敏度越高越

42、敏感，易受干扰ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT5分辨力与阈值 分辨力分辨力指传感器能检测到的最小的输入增量。指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨率分辨率分辨力与满量程的百分数表示。分辨力与满量程的百分数表示。阈值阈值在传感器输入零点附近的分辨力。在传感器输入零点附近的分辨力。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 6稳定性表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力。表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力。温度稳定性温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。抗干扰稳

43、定性抗干扰稳定性指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振 动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。表示法：重复性的数值差表示法：重复性的数值差/ /观测时间观测时间 例如：例如：2.1mV/8h2.1mV/8h、1 1F.S/YF.S/Ych1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT2111niiyn 7 7静态误差静态误差取取2 2 或或3 3 值即为传感器的静态误差值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对。静态误差也可用相对误差来表示，即误差来表示，即 %100/3FSy静态误

44、差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差的残差, ,看成是随机分布看成是随机分布, ,求出其标准偏差求出其标准偏差, ,即即静态误差静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值 的偏离程度。的偏离程度。y yi i各测试点的残差；各测试点的残差； n n一测试点数。一测试点数。2222SRLHch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT与精度有关指标：精密度、准确度和精确度与精度有关指标：精密度、准确度和精确度( (精度精度) )8 8、精度、精度准确度

45、准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。：说明传感器输出值与真值的偏离程度。准确度是系统准确度是系统 误差大小的标志。误差大小的标志。精密度精密度：说明测量传感器输出值的分散性，：说明测量传感器输出值的分散性，精密度是随机误差精密度是随机误差 大小的标志。大小的标志。精确度精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度 和准确度都比较高。和准确度都比较高。（a）准确度高而精密度低）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高）准确度低而精密度高 （c）精确度高）精确度高ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT工作温度工

46、作温度 -196-196+200+200测量范围测量范围 0.0010.001800MPa800MPa重复性重复性 0.50.51%FS1%FS灵敏度灵敏度 0.20.21000PC/MPa1000PC/MPa非线性非线性 0.30.31%FS1%FS迟滞迟滞 1%FS1%FS固有频率固有频率 7575500kHz500kHz温度漂移温度漂移 0.020.020.5% FS /0.5% FS /加速度灵敏度加速度灵敏度 0.010.01100MPa/g100MPa/g灵敏度温度系数灵敏度温度系数 0.020.020.5%/0.5%/压电式加速度传感器常见性能参数压电式加速度传感器常见性能参数c

47、h1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT（二）传感器的动态特性与动态指标（二）传感器的动态特性与动态指标 YtfXtYjfXjch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT水温水温T热电偶热电偶环境温度To To T T ToTo时间响应和频率响应是动态测试过程中表现出的重要特征时间响应和频率响应是动态测试过程中表现出的重要特征ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT1传递函数拉普拉斯变换微分特性微分特性测试系统测试系统输入输入X（t）输出输出Y（t）ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT传递函数传递函数 传递函数的传递函数的物

48、理意义物理意义：1 1）传递函数反映了测量系统的固有特性，不随输入信号、输）传递函数反映了测量系统的固有特性，不随输入信号、输出信号的变化而变化；出信号的变化而变化；2 2）不同类型的测量系统可用同一种形式的传递函数表达。）不同类型的测量系统可用同一种形式的传递函数表达。3 3）传递函数与微分方程等价。）传递函数与微分方程等价。 ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT)()()(txtydttdykc )()()(txtydttdyRCuuu )()()()(22txtkydttdycdttydmf )()()()(22txtydttdyRCdttydLCuuuu ch1

49、概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT2. 2. 频率响应函数频率响应函数 对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换 称为称为频率响应函数频率响应函数，简称为，简称为频率响应或频率特性。频率响应或频率特性。频频率响应是传递函数的一个特例，是在率响应是传递函数的一个特例，是在频域频域对传感器传递信息特对传感器传递信息特性的描述。性的描述。 ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT频率响应函数频率响应函数 是一个复数函数，可表示为：是一个复数函数，可表示为：其中其中 系统的系统的幅频特性幅频特性 系统的系

50、统的相频特性相频特性 幅频特性曲线幅频特性曲线 相频特性曲线相频特性曲线 H（j）= P（）+ jQ（） H（j）= A（）ej() A对数幅频特性曲线：对数幅频特性曲线：20logA( ) (dB) - log 对数相频特性曲线：对数相频特性曲线： ( ) - log 实际用实际用伯德图伯德图 （BodeBode）ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT一阶系统的一阶系统的BodeBode图图-40-20020L()/dB-20dB/dec101101()/-90-450101101ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 依次用不同频率依次用不同频率f

51、fi i的简谐信号去激励被测系统，同时的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的测出激励和系统的稳态输出稳态输出的幅值、相位，得到的幅值、相位，得到幅值比幅值比A Ai i、相位差相位差ii。 依据：频率保持性依据：频率保持性 若若 x(t)=Acos(t+xx(t)=Acos(t+x) ) 则则 y(t)=Bcos(t+yy(t)=Bcos(t+y) )用频率响应函数来描述系统的最大优点是它可以用频率响应函数来描述系统的最大优点是它可以通过实验来求得通过实验来求得。 频率响应函数频率响应函数: :直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号 的扭曲

52、情况。的扭曲情况。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 从系统最低测量频率从系统最低测量频率fminfmin到最高测量频率到最高测量频率fmaxfmax，逐步增加正弦激励，逐步增加正弦激励信号频率信号频率f f，记录下各频率对应的，记录下各频率对应的幅值比和相位差，幅值比和相位差，绘制就得到系统幅频绘制就得到系统幅频和相频特性。和相频特性。 幅频、相频特性分别表征系统对输入信号中各个频率分量幅值的缩放能幅频、相频特性分别表征系统对输入信号中各个频率分量幅值的缩放能力和相位角前后移动的能力。力和相位角前后移动的能力。

53、A(i)=Yi/Xi, (i)= iA() 动态测量系统的灵敏度动态测量系统的灵敏度ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT3 3、脉冲响应函数、脉冲响应函数 若装置的输入为单位脉冲若装置的输入为单位脉冲(t)(t)，因，因(t)(t)的的拉普拉斯变换为拉普拉斯变换为1 1，傅立傅立叶变换为叶变换为1 1，因此装置的输出因此装置的输出y y（t t）的拉普拉斯变换是的拉普拉斯变换是H H（s s），即，即 Y Y（s s）=H=H（s s），或，或y y（t t）=L=L-1-1HH（S S）= = h（t） h h（t t）称为装置的称为装置的脉冲响应函数脉冲响应函数或或权

54、函数权函数。脉冲响应函数可视为系。脉冲响应函数可视为系统特性的统特性的时域描述时域描述。 动态特性动态特性：传递函数：传递函数复数域描述复数域描述 频响函数频响函数频域描述频域描述 脉冲响应函数脉冲响应函数时域描述时域描述ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXITh(t)H(s)H()傅里叶变换拉普拉斯变换s=jch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT01110111)(asasasabsbsbsbsHnnnnmmmm高阶系统的分解高阶系统的分解rkkkkkkqjjjsscsbpsa12212nrqabKnm2,其中， 。 任何一个高于二阶的系统都可以看成是若

55、干个一阶和二阶系统的任何一个高于二阶的系统都可以看成是若干个一阶和二阶系统的并联或串联，一阶和二阶系统是分析和研究高阶、复杂系统的基础。并联或串联，一阶和二阶系统是分析和研究高阶、复杂系统的基础。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT串联环节串联环节H1(s)H2(s)Hn(s)X(s)X1(s)X2(s)Xn-1(s)Y(s) .H(s)H(s)=H1(s) H2(s) Hn(s)X(s)Y(s)ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT并联环节并联环节Y(s)H1(s)+X(s)H2(s)+Hn(s).H(s)X(s)Y(s)H(s)=H1(s)+ H2

56、(s)+ + Hn(s)ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT4 4、典型系统的动态特性、典型系统的动态特性(1) (1) 零阶传感器零阶传感器正弦输入时的频率响应正弦输入时的频率响应在零阶传感器中，只有在零阶传感器中，只有a0与与b0两个系数，两个系数，微分方程微分方程为为a0y= b0 xKxxaby)/(00K静态灵敏度静态灵敏度 零阶传感器的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是零阶传感器的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系。与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞后，幅角等于零，在时间上也不滞后，幅角等于零，如电位器传感器。在实际应用中

57、，许多高阶系统在变化缓慢、如电位器传感器。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT(2) (2) 一阶传感器一阶传感器温度温度酒精酒精湿度湿度ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT（2 2） 一阶传感器一阶传感器一阶系统微分方程的通式一阶系统微分方程的通式)()(d)(d0001txabtyttyaa01aa00ab00abs 式中：式中： 具有时间的量纲，称为系统的具有时间的量纲，称为系统的时间常数时间常数，一般记为，一般记为系统的灵

58、敏度系统的灵敏度s s，具有输出，具有输出/ /输入的量纲。输入的量纲。 在讨论任意测量系统时，令在讨论任意测量系统时，令 =1 则则)()(d)(dtxtytty)()(ddtkxtyxyc=c/kch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT一阶传感器的传递函数一阶传感器的传递函数 频率特性频率特性 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性ssH11)(1)(j1)j (H2(11)(）A)(arctan)(频率响应 ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT频率特性频率特性幅频特性幅频特性 相频特性相频特性（特征：（特征：滞后）滞后）一阶系统在时间常数一阶系统在时间

59、常数 1 0.60.60.80.8时，时，可以获得较为合适的综合特性。可以获得较为合适的综合特性。当当=0.7O7=0.7O7时，在时，在0 00.58n0.58n的频率范围内，的频率范围内，A A（）的变化的变化不超过不超过 5 5，同时，同时() )也接也接近于直线。近于直线。ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT允许的测量误差允许的测量误差%最佳阻尼比最佳阻尼比可用频率范围可用频率范围/n100540 1.02850590 0.86720630 0.69210660 0.585最佳阻尼比：最佳阻尼比：0.60.60.80.8； 实际可用频率范围实际可用频率范围0 00

60、.60.6nn与不同误差相对应的最佳阻尼比和可用频率范围与不同误差相对应的最佳阻尼比和可用频率范围ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT二阶传感器的阶跃响应二阶传感器的阶跃响应其中其中 ch1 概概 述述传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT特征：振荡特征：振荡根据阻尼比根据阻尼比大小可分四种情况：大小可分四种情况： 1.=01.=0，零阻尼等幅振荡，产生自激永远达不到稳定；，零阻尼等幅振荡，产生自激永远达不到稳定； 2.12.14.1过阻尼，稳定时间较长。过阻尼，稳定时间较长。 实际取值稍有一点欠阻尼调整实际取值稍有一点欠阻尼调整, ,取取0.60.60.8 0.8 过