智能信息感知技术 课件 第一章 传感器信息感知理论基础

2024-07-231智能信息感知技术——第一章传感器信息感知理论基础基本情况2024-07-232课程名称：智能信息感知技术英文名称：

Intelligent

Sensing学分/学时：2/32课程类別：专业选修课适用专业：智能科学与技术、计算机科学与技术、人工智能考核及成绩评定方式：平时成绩（30%）

+期末考试成绩（70%）平时成绩：考勤+作业期末考试：开卷基本情况2024-07-233参考资料：1.《传感技术》

[美]Ralf

Steinmetz,Klara

Nahrstedt著，潘志庚，叶绿等译，清华大学出版社《现代传感技术基础及应用》，赵学增编著，清华大学出版社，2010《现代传感器技术—面向物联网应用》（第2版），刘少强

张

婧，电子工业出版社《智能传感器设计》，[美]

C.Huddleston著，张鼎等译，人民邮电出版社，20095.《医学成像的基本原理》，黄力宇编著，电子工业出版社，20096.《遥感手册》，[美]R.G.Reeves著，汤定元等译，国防工业出版社，19797.

《微波遥感》，[美]F.T.Ulaby，R.K.Moore，A.K.Fung著，侯世昌，马锡冠译，科学出版社，1988课程简介2024-07-234本课程首先，介绍了传统的传感器的基础及相关接口电路；然后，着重介绍智能信息感知技术，包括智能生物传感技术、智能光学图像传感技术、智能语音传感技术、智能医学传感技术和智能遥感传感技术；最后，介绍了的智能传感系统应用，包括智能驾驶、智能交通、智能机器人和智能非接触生命信号传感技术。任务目标：了解智能信息感知技术的基础理论知识掌握典型性的智能传感器特点及应用掌握智能传感信息处理技术相关知识掌握智能传感系统相关知识目

录2024-07-2351.1

传感器的定义与组成传感器的分类与原理传感器的信号调理与接口传感器的性能评价2024-07-236传感器的由来察火色而冶铜铁观天象而事农耕传感器是人类五官的延展，又称之为“电五官”。光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉流体传感器——触觉2024-07-237重要性计算机技术-信息处理通信技术-信息传输传感技术-信息提取2024-07-238信息感知技术作用和应用领域消费电子智能汽车工业控制生物医疗光伏发电军事应用物联天下，传感先行主要作用：信息搜集（计量测试、状态检测）信息交换（读/写磁盘光盘数据）控制信息采集（自动控制系统中读取反馈信息）测量是传感器的基本作用，也是应用传感器的目的。学科特点和发展学科特点：技术门类广（分类广泛，力、热、光、电、磁等）涉及学科知识内容多（物理、化学、数学、生物、机械、材料等）应用分布广（车辆，电子设备、工业、物联网等）利用物理定律和物质的物理、化学和生物特性，将非电量转换成电量。发展方向：一是开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺。二是实现传感器的集成化与智能化。2024-07-23 91.1传感器的定义与组成1.定义传感器是一种能把接受的信息按某种特定规律转化成电信号输出的装置。根据我国标准规定，给出了传感器的明确定义：传感器是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通过定义可以得出三层含义：①传感器是一种测量装置，能够完成检测任务；②传感器在规定条件下感受外界信息；③传感器按一定规律转换成易于传输与处理的电信息。2024-07-23101.1传感器的定义与组成应用范围112024-07-231.1传感器的定义与组成2.

组成敏感元件转换元件转换电路辅助电源被测量2024-07-2312电量①敏感元件是能直接感受被测非电量信号，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的某一物理量的元件；②转换元件是或直接将被测非电信号转换成电信号输出的原件，便于进一步处理，一般情况能将敏感元件输出的非电信号下不直接感受被测量；③转换电路能把转换元件输出的微弱信号转换为便于处理、传输、记录、显示和控制的有用电信号的电路。其作用是将信号进行调节与转换，或将电阻、电容、电感等电参数转换为电流、电压或频率输出，或将小信号调节为大信号输出；④辅助电源是提供传感器正常工作所需能量的电源部分，分为内部供电和外部供电两种形式。1.2传感器的分类与原理1.2.1按被测量的性质分类传感器以被测量名字可以分为位移、力、速度、温度、压力、流量、粘度、湿度、光强、光通量、血糖、血压等传感器。温度传感器 压力传感器 湿度传感器 血压传感器也可将其工作原理和被测参数结合在一起来命名传感器，如热敏电阻温度传感器、热电偶温度传感器、硅压阻式压力传感器、电容式加速度传感器等。当然，不同的被测量可以采用相同的测量，因此,必须掌握在不同的测量原理之间测量不同的被测量时，各自具有的特点。2024-07-23131.2传感器的分类与原理号在传输过程中由于接头、开关及长电缆等因素所造成的误差。2024-07-23141.2.2按输出量的性质分类1.模拟型传感器将被测的非电学量转换成模拟信号，其输出为连续信号，一般以信号的幅度表达，如温度、速度、流量等。并且输出信号微弱，最大大约只有几十毫伏，并且极易受到电子干扰和其他天线信号干扰。2.数字型传感器将被测的非电学量转换成数字信号输出，输出为矩形波信号，其频率或占空比随被测参量变化而变化，如限位、位置确定、检测等。输出信号大约均在3~4V，而且在设计时已考虑到一定的抗干扰能力，数字型传感器精度、稳定性和可靠性相对较高一些，减少了模拟型传感器所避免不了的误差，如模拟信1.2传感器的分类与原理1.2.3按照输出量的性质分类1.能量转换型无源传感器，

无需外加电源可直接由被测对象输入能量使其工作，由能量变换元件构成。如热电偶温度计（热电效应），磁电式加速度（霍尔效应），光电池（光电效应）等。更简单对被测量对象影响大灵敏度不高输出信号能量不高••不易受干扰易受干扰2024-07-23152.能量控制型有源传感器，需要从外电源供给能量来进行信息变化。例如: 如电阻、电感、电容等电参数传感器。较复杂对被测量对象影响小灵敏度高输出信号能量高1.2传感器的分类与原理2024-07-23161.2.4按工作原理分类1.物理型传感器结构型传感器是基于转换元件的某一结构参数发生改变实现信号转换的传感器。比如：应变电阻式传感器（应变片的尺寸发生改变）、电感式传感器（变间隙或变面积等）、电容式传感器（变间隙或变面积等）以及磁电式传感器等。物性型传感器是基于转换元件的物理特性发生变化而实现信号转换的传感器。比如：压阻式传感器（压阻效应，压阻系数改变）、光电式传感器（光电效应，光子轰击引起物体电阻率改变）、压电式传感器（压电效应）、热电式传感器（热电效应）等。分类1231.2传感器的分类与原理1.2.4按工作原理分类2.化学型传感器化学传感器(Chemical Sensor)是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。类比于人的感觉器官，化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官。但并不是单纯的人体器官的模拟，还能感受人的器官不能感受的某些物质，如H2、CO。。（气体传感器、湿度传感器等）分类1232024-07-23171.2传感器的分类与原理1.2.4按工作原理分类3.生物型传感器利用微生物或者生物组织中生命体的活动现象作为变换结构的传感器。主要由两大部分组成。其一，是功能识别物质，其作用是对被测物质进行特定识别。其二，是电、光信号转换装置,此装置的作用是把在功能膜上进行的识别被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。(用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。)分类123酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜2024-07-2318血糖监测病原体的检测河流污染物检测基本物理量2024-07-2319派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速度振动、冲击、质量等角加速度角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等时间频率周期、记数、统计分布等温

度热容量、气体速度、涡流等光光通量与密度、光谱分布等1.2传感器的分类与原理按照敏感材料分类：陶瓷传感器半导体传感器，高分子聚合物传感器；按照加工工艺分类：厚膜传感器，薄膜传感器，MEMS传感器；按照应用领域：汽车传感器、机器人传感器、家电传感器、环境传感器等；按照信号处理形式或功能分类：集成传感器、智能传感器和网络化传感器等特点：跨学科性强本身学科方向较弱1.3传感器的信号调理与接口2024-07-2320由于传感器的输出是相当小的电压、电流或电阻变化，这种电信号受敏感元件及检测电路的特点限制在形式、幅值等方面一般无法直接用来实现对被测量的进一步分析、显示、记录及控制。因此，要经过放大后才能再变换为数字数据，调理就是放大。信号调理

(SignalConditioning)：信号调理是将输出的数字信号进行调理使之符合后续接口处理。一般为电平信号，输入信号应在Ａ/D的转换。模拟与数字接口一般要经过信号的隔离（变压器的磁隔离和光耦的光隔离）－信号的预处理－去除无用信号（滤波）。信号调理分为４种类型：电平调整、线性化、信号形式变换和阻抗匹配。电平调整线性化信号形式变换阻抗匹配1.3传感器的信号调理与接口1.3.1

电平调整电平调整是最简单的信号调理，要根据传感器的输出电平范围和采集端的电平范围去调放大倍数和电路，并保留一定余量，一般分为无源电平调整和有源电平调整。1.无源电平调整电路：无源电平调整电路是最简单的电平调整电路，一般通过分压电路实现，如图其中R1和R2的精度和稳定性直接影响电平调整的效果，因此他们选取需要考虑以下因素:电平调整电路作为传感器电路输出的负载，希望输入阻抗高一些;作为后一级电路的输入端，希望输出阻抗小一些;大阻值(MΩ级)电阻在阻值精度及噪声方面都较差;注：无源电平调整电路一般应用于要求不高的场合。02024-07-2321iR

2vv

R1

R

21.3传感器的信号调理与接口1.3.1电平调整2.有源电平调整电路：反相放大电路是最常见的有源电平调整电路，是以放大器为核心的电平调整。其电压增益为:电路的输入阻抗约为Ri,

输出阻抗接近于0;反相放大电路不仅实现了传感器输出与后续电路之间的电压调整，而且满足了阻抗匹配的要求。缺点：电路的输出范围受运放供电电源电压的限制——可能出现削波;运放的带宽有限:如增益带宽积为30MHz，100倍增益，意味着带宽仅为300kHz；产生运放噪声，运放中的电阻器件会引入热噪声。iRG

RfVoR2-+

+Vi RiRfRp2024-07-2322反相放大电路1.3传感器的信号调理与接口1.3.2

线性化传感器的线性特性有利于后续电路的设计，并且可简化传感器的标定工作。但是在现实中，大量的传感器特性从原理上就是非线性的。数字电路、单片机技术、嵌入式系统的介入，能在某种程度上补偿传感器的非线性，但此方式的适用范围有限，尤其受A/D采样速度及运算处理速度限制，在需要动态测量的场合难以满足要求，因此需要将非线性化传感器转化成线性化传感器。1.传感器线性化的分类按所用元件分类可分为：无源线性化和有源线性化。常见的有源线性化电路非线性反馈电路，多放大器反馈电路，电桥传感器非线性校正电路，分段式电路等。按线性化所处阶段分类可分为：模拟线性化和数字线性化。数字式线性化有单片机、嵌入式系统、专用芯片等，其特点是灵活，适用性强，速度有限，难以满足动态检测场合。模拟式线性化指在信号调理电路中加入模拟非线性环节。2024-07-23231.3

传感器的信号调理与接口1.3.2

线性化2024-07-23 242.无源线性化电路无源线性化电路比较简单，性能可靠，成本低廉。在某些应用场合，通过合理设计电路结构及元件参数，可获得满意的精度，是一种广泛应用的线性化方法。一种简单的无源线件化电路是用固定参数元件与敏感器件并联或串联。对有些非线性传感器，简单地用固定电阻器与传感元件串、并联，只要电阻值选取合适，即可将非线性校正到满意的程度。无源线性化的缺点是校正范围一般较窄、准确度不是很高。3.有源线性化电路运用运放、场效应管或晶体管等有源器件实现线性化。因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多变的接法，可获得各种各样函数变换。一种简单有源线性化电路是利用非线性反馈，使反馈支路的非线性和原有敏感器件变换特性的非线性相互抵消，从而得到线性化。原则上，任何敏感器件的变换特性都可以校正为足够好的线性特性。有源线性化的缺点是线路复杂、调整不便，成本相对高。1.3

传感器的信号调理与接口1.3.3信号形式变换信号形式变换是将传感器的输出信号从一种形式变换为另一种形式，主要分为1.电压—电流转换为了减少长线传输过程中线路电阻和负载电阻的影响，可以将直流电压变换成直流电流后进行传输，转换器输出负载中的电流正比于输入电压的电路。例如在远距离测量系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号传输，以减小传输导线阻抗对信号的影响。V/I转换电路要有较高的输入阻抗和输出阻抗。电压—电流电流—电压交流一直流2.电流—电压转换转换器将输入电流转换成输出电压，因为传递系数为电阻，也称为转移电阻放大器。例如对电流信号进行测量时，先需要将电流信号转换成电压信号,再由数字电压表测量，或经过A/D转换后由计算机进行测控。I/V转换电路要有较低的输入阻抗和输出阻抗。2024-07-23251.3

传感器的信号调理与接口1.3.3信号形式变换3.交流一直流转换检测中有时需知道传感器的交流输出信号的幅值或功率。例如:磁电式振动速度传感器或电涡流式振动位移传感器，在其信号处理电路中都需进行交流—直流变换，即将交流振幅信号变为与之成正比的直流信号输出。根据被测信号的频率不同或要求测量精度不同，可采用不同变换方法。目前常用的变换方法有线性检波电路(半波整流电路)、绝对值电路(全波整流电路)、有效值变换电路(方均根/直流变换电路)。2024-07-23261.3传感器的信号调理与接口1.3.3信号形式变换3.交流一直流转换（1）线性检波电路最简检波电路为二极管检波电路。因二极管存在死区电压，当输入信号幅值较低时，会带来严重的非线性误差。实用方法：二极管置于运放反馈回路，以实现精密整流。（2）绝对值转换电路采用绝对值转换电路，可把输入信号转换为单极性信号，再用低通滤波器滤去交流成份，得到的直流信号称为绝对平均偏差。在半整流电路的基础上，加一级加法器，构成简单的绝对值电路。（3）有效值转换电路已知被测信号波形 —— 峰值检测法、绝对平均法输入信号波形不确定 —— 热功率法、硬件运算法2024-07-23271.3

传感器的信号调理与接口2024-07-23281.3.4滤波及阻抗匹配滤波是选取信号中感兴趣的成分，抑制或衰减掉其它不需要的成分。从选频的方式，滤波可分为四类:低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器从所用元件则分为有源滤波器无源滤波器1.3传感器的信号调理与接口1.3.4滤波及阻抗匹配1.无源滤波器用电阻、电容、电感等无源器件组成的滤波器称为无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、噪声小、动态范围大等优点。其缺点是：存在损耗电阻，信号在传递过程中能量损耗大；当外接负载电阻改变时，对滤波器的通带增益、截止频率等的特性参数影响较大；在低频应用时，由于电容元件较大，增大了滤波器的体积。最简单的一阶无源低通和高通滤波器是RC无源滤波器。2024-07-23291.3

传感器的信号调理与接口1.3.4滤波及阻抗匹配2.有源滤波器对RC无源滤波器的上述缺点，可借助于RC有源滤波器解决。RC有源滤波器由电阻、电容和集成运算放大器组成。利用有源器件的放大和隔离作用，使滤波器在通带内有一定的增益和很强的负载能力。常见的有源滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等，如下图所示：时间常数t

=RC,

而截止频率f

=

1/（2π

RC）2024-07-23301.3传感器的信号调理与接口1.3.4滤波及阻抗匹配阻抗匹配则是指为得到最大功率输出的工作状态，考虑传感器内部负载阻抗或电缆的阻抗。阻抗匹配分为低频和高频两种情况。常用方法可以考虑使用变压器来做阻抗转换。可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用。可以考虑使用串联/并联电阻的办法，一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻.而一些接收器的输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配,例如,485总线接收器,常在数据线终端并联120欧的匹配电阻.2024-07-23311.3传感器的信号调理与接口1.3.5传感器典型接口电路传感器的接口电路对于传感器和检测系统是一个非常重要的连接环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。在实际应用中，传感器接口电路位于传感器和检测电路之间，起着信号处理与连接作用。传感器接口电路的选择是根据传感器的输出信号的特点及用途确定的，不同的传感器具有不同的输出信号，因此，传感器的接口电路可以是个放大器，也可以是一个信号转换电路或别的电路。2024-07-23321.3传感器的信号调理与接口1.3.5传感器典型接口电路1．阻抗变换电路：在传感器输出为高阻抗的情况下，变换为低阻抗，以便于检测电路准确地拾取传感器输出信号。2．放大电路：将微弱的传感器输出信号放大3．电流电压转换电路：将传感器的电流输出转换成电压4．电桥电路：把传感器的电阻、电容、电感变化转换成电流或电压5．频率电压转换器：把传感器输出的频率信号转换成电流或电压6．电荷放大器：将电场型传感器输出产生的电荷转换成电压7．有效值转换电路：在传感器为交流输出的情况下，转为有效值，变为交流输出8．滤波电路：通过低通及带通滤波器消除传感器的噪声成分9．线性化电路：在传感器的特性不是线性的情况下，用来进行线性校正10

.

对数压缩电路：当传感器输出信号的动态范围较宽时，用对数电路进行压缩2024-07-23331.4传感器的性能指标研究方法：输入输出法传感器的基本特性：由y与x的关系式

y=

f

(x)描述分类：根据输入x是否变化，可以分为静态特性：x不变，y只与x有关，与t无关。→

y=f(x)当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其输入出关系特性称为

静态特性

。动态特性：x变化，y不仅与x有关，还与t有关。→

y=f(x,t)传感器性能指标：静态特性指标动态特性指标其他技术指标x(t

)2024-07-2334y(t

)传感器输入信号被测量输出信号传感器的基本特性是指系统输入与出关，即传感器系统的输出信号

即传感器系统的输出信号

y(t)

和输入信号（被测量）x(t)之间的关系1.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标标准标定设备输入量被校测试系统xysym输出量输出量传感器的静态特性是通过静态标定或静态校准的过程获得的。静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。实际为缓变量 启动时存在暂态响应静态特性：输入为常量，系统稳定时的基本特性。2024-07-23351.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标n2024-07-2336iin

y

f(x)

i

i 0 1 ni

0 i

0a

x

a

x

a

a

x

a

x特性函数说明：①实际中，ai的值并不是由f(x)得到，而是通过实验得到;②a0

—零点输出；

ai

(i≠0)—非线性项系数；③a2=a3=…=an=0,则 y=a0+a1x→是1直线,故叫线性传感器反之叫非线性传感器。1.量程及测量范围传感器所能测量到的最小被测量（输入量）xmin与最大被测量（输入量）xmax之间的范围称为传感器的测量范围。测量上限值与下限值的代数差称为量程。2.

静态灵敏度及灵敏度误差传感器被测量的单位变化量引起的输出变化量称为静态灵敏度，其表达式为在图形上，某一测点处的静态灵敏度是其静态特性曲线的斜率。线性传感器的静态灵敏度为常数，非线性传感器的静态灵敏度为变量。静态灵敏度是重要的性能指标。它可以根据传感器的测量范围、抗干扰能力等进行选择；特别是对于传感器中的敏感元件，其灵敏度的选择尤为关键。灵敏度误差，由于某种原因会引起灵敏度变化，产生误差，称为灵敏度误差。1.4

传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标

x

0S

lim

y

dy

x

dxsK

K

100%说明：①S越大，传感器越灵敏。②线性传感器：S是一常数；非线性传感器：

S随x变化而变化。S=dy/dx2024-07-23371.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标3.分辨力传感器在规定的测量范围内，所能检测出被测输入量的最小变化量∆X。由于传感器或测量系统在全量程范围内，各测量区间的∆X不完全相同，因此常用全量程范围内最大的∆Xmax与传感器满量程输出值γFS之比的百分率表示其分辨能力，称为分辨率，又叫分辨力，用F

表示，即F

Xmax

100%

FS2024-07-23381.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标漂移当传感器的输入和环境温度不变时，输出量随时间变化的现象就是漂移，又称时漂。他是由于传感器内部各个环节性能不稳定，或内部温度变化引起的，是反映传感器稳定性的指标。通常考察传感器时漂的范围可以是一小时、一天、一个月、半年或一年等。温漂由外界环境温度引起的输出量变化的现象称为温漂。温漂可以从两个方面来考察：一方面是零点漂移，即传感器零点处的温漂，反映了温度变化引起传感器特性曲线平移而斜率不变的漂移；另一方面是满量程漂移。对于线性传感器，满量程漂移可以用灵敏度漂移或刻度系数漂移描述，反映了传感器特性曲线斜率变化的漂移。2024-07-23391.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标6.线性度线性度又称为非线性误差，用来表征传感器输出-输入特性曲线偏离拟合直线的程度，即传感器实际的静态特性的校准特性曲线与某一参考直线不吻合程度的最大值就是线性度。如图所示，通常用相对误差来表示：式中：∆𝐿𝐿𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚为输出-输入实际关系曲线与拟合直线之间的最大偏差，即最大的绝对非线性误差；𝛾𝛾𝐹𝐹𝐹𝐹为满量程输出值。LFS FSY Y

Lmax

100%

Lmax

100%全量程范围内，实际特性曲线与拟合直线的最大偏差与满量程之比。线性度值越高，原曲线的线性程度就越差。2024-07-23401.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标7.迟滞输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化时，静态特性曲线不重合的现象。迟滞误差HFS

Hmax

100%式中：∆Hmax

为正反行程输出最大值偏差；γFS为满量程输出值。y1

y2

2024-07-2341x全量程范围内，正反行程输出的最大差值与满量程之比。λH越大，误差越大。式中：∆𝑅𝑅𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚为∆𝑅𝑅1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚、∆𝑅𝑅2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚中的最大值；𝛾𝛾𝐹𝐹𝐹𝐹为满量程输出值。1.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标8.重复性重复性表示传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向做全量程连续多次测量时，所得的特性曲线不一致程度，如图RFS

Rmax

100%重复性误差属随机误差范畴，按极限误差计算不合理，一般按贝塞尔公式计算RFS

2~

3

100%

22024-07-2342i

i

1 n-1y

y

n

为标准偏差服从正太分布规律1.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标9.综合误差精度传感器的示值与被测量真值之间的最大偏差。它可用绝对误差表示，也可用绝对误差相对于满量程的百分比形式表示。通常是综合考虑室温下传感器的线性度rL（非线性误差）、迟滞误差rH和重复性误差rR这三项；若它们是随机的、独立的、正态分布的，该项误差一般可按下式计算：r

r2

r2

r2L H R2024-07-23431.4传感器的性能指标1.4.1传感器的静态特性指标10.阈值即门槛值，能使传感器输出端产生可测量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨率。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”。这时，则以死区的大小作为阈值。更多情况下，阈值主要取决于传感器干扰大小，因而有的传感器只给出噪声电平。11.稳定性稳定值又称为长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以传感器在室温条件下，经过相当长的时间间隔，其输出与起始标定的输出值之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。差异愈小，稳定性愈好。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。2024-07-23441.4传感器的性能指标1.4.2传感器的动态特性指标动态特性：传感器对随时间变化的输入激励的响应特性。传感器动态特性方程即动态模型就是指在动态测量时，在准动态信号或动态信号作用下，传感器的输出量与输入被测量之间随时间变化的函数关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数描述。大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数微分方程来描述输出量y和输入量x的关系。2024-07-23451.4传感器的性能指标d

nydy dmxdxandt

ndt

md

n

1

y dm

1xdt

n

1dt

m

1an

1

...

a1

dt

a0

y

bmbm

1

...

b1

dt

b0

xan,an-1…a0和bm,bm-1…b0

由传感器的本身结构参数决定。除b0

0外，对于大多数传感器，一般取b1,b2…bm为零，则an2024-07-2346dtna1dtan

1

dtn

1dny

dn

1y

dy

a0y

b0x

1.4.2传感器的动态特性指标Linear

and

Time-invariant

（LTI）System

线性时不变系统1.4传感器的性能指标2024-07-23471.4.2传感器的动态特性指标传递函数：表述动态特性即输入量与输出量之间的关系如果y(t)在t≤0时，

y(t)=0，则y(t)

的拉氏变换可定义为

0y t

e

dt

stY S

其中：S=σ+jω，σ>0对微分方程两边取拉氏变换，则得定义输出y(t)的拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变换X(S)的比为该系统的传递函数H(S)

Y S a

Sn n

1n n

1

0

0a S

a

X

S

b1.4传感器的性能指标2024-07-23481.4.2传感器的动态特性指标b

Y

s

X

s

n n

1

1

0H

s

0 asn

a sn

1

...

a

s

a对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t≤0时，

y(t)=0。对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。Y

(s)

H

(s)

X

(s)

y(t)

LT

1[H

(s)

X

(s)]说明：①传递函数和特性方程是完全等价的。②根据特性方程中最高阶数n的取值可把传感器分成0阶、1阶一直到n阶系统。一般只研究0、1、2阶系统。1.4传感器的性能指标d

nydyandtnd

n

1yan

1

dtn

1

a1dt

a0y

b0

x1.4.2传感器的动态特性指标0阶系统只有a0不为0，则a0

y=b0

xy

b0x

kxa0说明：①0阶系统的的动态特性和线性传感器的静态特性类似。故→ 静态灵敏度②y与x在幅度上成正比、相位上无延迟，故该系统是不失真系统。③零阶系统的实例：电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器、静态式压力传感器测量液位。a02024-07-2349k

b01.4传感器的性能指标d

nydyandtnd

n

1yan

1

dtn

1

a1dt

a0y

b0

x1.4.2传感器的动态特性指标1阶系统只a0、a1

不为0，则k

s

1a0②传递函数：H

(s)

说明：①式中

k

b0

→静态灵敏度，dtdyba dt aa dydya

ay

bx

y

x

y

kx00 010 01

dta02024-07-2350

a1

→时间常数③1阶系统的实例：不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容RC滤波器。τ↓和k↑是相矛盾的1.4传感器的性能指标d

nydyandtnd

n

1yan

1

dtn

1

a1dt

a0y

b0

xdydt

2d

2

ya2a1

dt

a0

y

b0

x2 2dy(t)dt2

dtnn2

n

y(t)

kx(t)d

2

y(t)

1.4.2传感器的动态特性指标2

阶系统只a0、a1

、a2不为0，则22024-07-235100 202 a

aa1an,

a /

ak

b0,

2nns2

2kH

(s)

n

2

s

说明：①

k→静态灵敏度，ξ→阻尼系数，ωn→固有频率②传递函数：③2阶系统的实例：带有套管的热电偶、

电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路。1.4传感器的性能指标1.4.2传感器的动态特性指标2024-07-2352对于多环节串、并联组成的传感器，若各环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，传感器的等效传递函数可按代数方式求得。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。若传感器由r

个环节串联而成xyH1

S

H

2

S

H

r

S

则：H

S

H1

S

H2

S

Hr

S

若传感器由r

个环节并联而成xyH1

S

H

2

S

H

p

S

则：H

S

H1

S

H2

S

Hp

S

1.4传感器的性能指标d

nydyandtnd

n

1yan

1

dtn

1

a1dt

a0y

b0

x1.4.2传感器的动态特性指标n

阶系统

nn

in

i

1i

10n

1

1

0

Hi(s)Y

(s)

bH(s)

因式分解

X

(s) asn

a sn

1

as

aH

(s) →1、2阶系统的级联→1、2阶系统的并联iiiiiiBiAs

ps2

c

s

d或H

(s)

式中H

(s)

1阶系统2阶系统2024-07-2353②输入信号的形式。结论：多阶系统可以看成1阶或2阶系统的级联或者并联。动态特性取决于：①传感器的“固有因素”

(如阶数等)；通常的研究对象：①1、2阶系统；②输入为标准输入(脉冲信号、阶跃信号、正弦信号)1.4传感器的性能指标1.4.2传感器的动态特性指标在评价传感器动态特性时，最常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号，与其对应的特性称之为瞬态响应特性（时域）和频率响应特性（频域）。1.瞬态响应特性在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。（1）一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的传递函数为：

Y

s

kH

s

X

s

s

1其中，τ为时间常数；𝑘𝑘为静态灵敏度系数。则一阶传感器的单位阶跃响应为。2024-07-2354xyktt11.4传感器的性能指标1.4.2传感器的动态特性指标H

s

Y

s

kX

s

s

1ty

t

L

1

Y

s

1

e

响应曲线

1，t

0x(t)

0，t

0阶跃信号：

X(s)

1sY

(s)

H

(s)

X

(s)

2024-07-23551

1

s

1 s讨论：(a)k越大，输出越大。(b)τ越小，延迟越小。(c)τ↓和k↑是相矛盾的。τ为时间常数；𝑘𝑘为静态灵敏度系数1.4传感器的性能指标2024-07-23（2）二阶传感器的单位阶跃响应上式中，ωn为传感器的固有频率；ξ为传感器的阻尼比。输入为阶跃信号时，传感器输出的拉氏变换为sX(s)

1阶跃信号：22n n

n

ks2

2

H

(s)

nn1

Y

(s)

H

(s)

X

(s)

n

2s2

2

s

2k

1

1

1

2

2,

11

2

2

1,

11

2

,

arctan

1

t

),

arcthe sh(

1

(1

t)ee sin

1

2

1

sin

t

,

0k

y

1n

tn1

2

t

nnnnt,

1

nt欠阻尼(振荡,衰减)→临界阻尼(只衰减)过阻尼(只衰减)双曲正弦(指数函数)56→无阻尼(只振荡)1.4

传感器的性能指标（2）二阶传感器的单位阶跃响应*无阻尼(

0)57欠阻尼(0

1)过阻尼(

1)临界阻尼(

1)k二阶系统的阶跃响应讨论：(a)k

决定了输出的大。(b)ξ

决定了输出的形状。ξ=0，始终不能达到稳定值

，故不能作为工作状态。过阻尼(ξ>1),

输出达到稳定的时间很长,也不作为工作状态。临界阻尼

(ξ=1)，达到稳定的时间最短，但要使ξ=1，非常困难，故不作为工作状态。欠阻尼

(0<ξ<1)，稳定时间较短，而且ξ

取值是一个范围，容易满足，故选欠阻尼作为工作状态。2024-07-231.4传感器的性能指标（3）瞬态响应特性指标时间常数τ：传感器输出值由零上升到稳定值的63.2或50％所需要的时间。上升时间tr：响应从最初稳态值的5％或10％上升，第一次达稳态值的90％或95%所需的时间。响应时间ts：输入量开始起作用到输出进入规定的稳定值范围所需的时间，一般与规定误差一同给出。(读数等待时间)超调量σp：指输出第一次达到稳定值又超出稳定值而出现的最大偏差，用相对稳定值的百分比来表示，如σp

[ymax—y(∞)]/y(∞)×100%。峰值时间tp：传感器输出值由零上升超过稳定值，到达第一个峰值所需要的时间。二阶传感器的单位阶跃响应2024-07-23581.4传感器的性能指标1.4.2传感器的动态特性指标2.

频率响应特性频率响应法是指从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。此时传感器的输入信号为正弦信号，这时的响应特性为频率响应特性。大部分传感器可以简化为单自由度一阶系统或单自由度二阶系统，即一阶传感器的幅频、相频特性输入为正弦信号→频率响应特性s2

2x

sin

t

X

(s)

H

(s)

k

s

1

Y

(s)

H

(s)

X

(s)

k

s

1 s2

2kk

tsin(

t

),

arctan

2 2

y(t)

e

1

2

21

暂态响应(可忽略)稳态响应2024-07-23591.4传感器的性能指标1.4.2传感器的动态特性指标1

2

2sin(

t

)

Y