传感器与检测技术基础

传感器与检测技术基础主

编：赵锋袁桂玲

学时：52哈尔滨工程大学出版社目录第1章传感器与检测技术基础第2章测量技术基础知识第3章电阻应变式传感器第4章电感式传感器第5章电容式传感器第6章磁敏传感器第7章压电式传感器第8章热电式传感器第9章光电式传感器第10章数字式传感器第11章智能传感器

本教学大纲要求

课程的目的与任务

传感器是感知、获取与检测信息的窗口，它处于研究对象与测控系统的接口位置，是自动测控系统的重要环节，一切科学实验和生产过程要获取的信息，都是通过传感器转换。

课程的基本要求

通过对本课程的学习，要求学生掌握传感器的工作原理、基本结构、测量电路及各种应用，熟悉非电量测量的基本知识及误差处理方法，熟悉工业过程主要参数的检测方法，了解传感器的发展趋势及在工业社会科技生活中的广泛应用，具有正确应用传感器的能力，为毕业设计及以后工作打下良好的基础。

与其它课程的联系与分工

学习本课程之前，要求学生先修《大学物理》、《电路理论》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电气测量技术》，本课程也是《过程控制系统及仪表》的先修课程。

第1章传感器与检测技术基础检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。1.1传感器概述

传感器的作用a．测试技术电参数的测量—电压电流功率频率阻抗波形非电参数的测量—机械量—位移、速度、加速度、力、扭矩、应力应变化学量—浓度、成分、PH值、湿度生物量—酶、组织、菌类1.1传感器概述

b．现代信息产业的三大支柱传感器技术信息技术计算机技术c．传感器对于测试系统、自动控制系统成为不可缺少的部分d．人与传感器的关系定性:人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量:传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制.1.1传感器概述

人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器1.1传感器概述

5．传感器能够把自然界各种物理量和化学量等精确变换为电信号再经电子电路或计算机进行处理，从而对这些量进行监测与控制6．控制过程中传感器的作用可以与之一一对应例：人眼（视觉）——光敏传感器如CCD光敏传感器光电倍增管人耳（听觉）——压力传感器如电容式话筒动圈式话筒压电陶瓷传感器人皮肤（触觉）——压力传感器和温度传感器压力传感器有应变传感器、压电传感器等，温度传感器有热敏电阻、热电偶等人舌头（味觉）——味觉传感器，离子传感器1.1传感器概述

信息的获取：人类为了获取外界信息必须借助于传感器管而单靠自身的感觉器官就不够了，而传感器是人类五官的延长，随着世界进入信息时代传感器是获取信息的主要途径与手段例如“阿波罗10”运载火箭部分，其检测加速度、声学、温度、压力、振动、流量等应变参数传感器共有2077个，而宇宙飞船部分共有各种传感器1218个数量大要求也很高1.1传感器概述

需要用各种传感器来监视和控制生产过程中各个参数使设备工作在最佳工作状态没有传感器现代工业失去基础

例如工业自动化中的柔型制造系统FMS，计算机集成制造系统CIMS超高温、超低温、超高压、超低压、超强磁场、弱磁场基础科学研究：计算机科学：

计算机核心CPU部件有惊人的发展同时要求外部设备与之相互匹配而外部硬件主要是传感器结论：现代社会各个领域都离不开传感器工业自动化:1.1传感器概述

检测的基本任务就是获取有用的信息，通过借助专门的仪器、设备，设计合理的实验方法以及进行必要的数据分析与数据处理，从而获得与被测对象有关的信息，最后将结果提供显示或输入其他信息处理装置、控制系统。

1.1传感器概述

1.1.1传感器的概念传感器：是将各种非电量（物理、化学、生物）等按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。2.传感器技术：利用物理化学和生物学科的某些效应（压电效应热电效应）、守恒原理（能量动量电荷量）场论（力场电磁场、矢量场等）物理定律（欧姆定律、虎克定律）及材料特性按一定工艺制造的传感器技术：检测（传感）原理三个要素的最佳结合材料科学工艺加工

1.1传感器概述

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。这一定义包含了以下四个方面的含义：①传感器是一种测量装置，能够完成检测任务；②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，主要是电量，如电压、电流、电容、电阻等。④输入量与输出量之间有对应关系，并且具有一定的转换精确度1.1传感器概述

中华人民共和国国家标准也对传感器的定义作了类同的规定，定义为：传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。所以传感器又称为敏感元件、转换元件等。如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。1.1传感器概述

1.1.2传感器的组成被测量

传感器件

转换器件

信号调节（转换）电路

电量电源电路

1.1传感器概述

敏感元件：（预变换器）将被测量（非电量）预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量2.转换元件：将感受到的非电量转换为电量的器件例如将压力转变为电感电容或电阻3.信号调节（转换）电路：将转换元件输出的电量变成易于显示记录控制和处理的有用信号的电路例如电桥放大器振荡器等4.电源电路：作用是提供能源注意有的传感器需要外部供电,有的传感器则不需要外部电源供电

1.1传感器概述

举例：测量压力的电位器式压力传感器1-弹簧管2-电位器1.1传感器概述

弹性敏感元件（弹簧管）

敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。1.1传感器概述

弹性敏感元件（弹簧管）

在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α1.1传感器概述

弹簧管放大图当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。

1.1传感器概述

其他各种弹性敏感元件

在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。1.1传感器概述

压力传感器的外形及内部结构1.1传感器概述

被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量

在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-----电阻的变化（ΔR）1.1传感器概述

360度圆盘形电位器右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。

1.1传感器概述

测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo

。

1.1传感器概述

1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等2、按构成原理，结构型与物性型两大类3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器4、按照物理原理分类：十种5、按照传感器的用途分类：位移、压力、振动、温度传感器7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号6、根据转换过程可逆与否：单向和双向1.1.3传感器的分类1.1传感器概述

结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。

物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。

1.1传感器概述

能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。1.1传感器概述

按照物理原理分类：★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；★气电式传感器：电位器式、应变式；★热电式传感器：热电偶、热电阻；★波式传感器：超声波式、微波式等；★射线式传感器：热辐射式、γ射线式；★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。

1.1传感器概述

分类法型式说明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、……）输出量为数字信号（脉冲、编码、……）附：发展方向

开发新型传感器

开发新材料新工艺的采用集成化、多功能化智能化

开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。1．开发新型传感器新型传感器包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。2．开发新材料（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。

3．新工艺的采用例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。

4．集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。5．智能化对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。如，DS18B20、传感器测量系统1.2传感器的特性及其主要技术指标

稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响

传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标1.2.1

传感器的静特性和动特性输出与输入间关系

微分方程静特性：输入量为常量，或变化极慢动特性：输入量随时间较快地变化时微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，可得到静特性（动特性的特例）表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。静特性指标

线性度灵敏度迟滞重复性零点漂移温度漂移1、线性度最大非线性误差满量程输出线性度又称非线性，是表征传感器输出量—输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度的指标。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔLmax

与满量程输出值YFS

之比。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差，即用表示为静特性输出量输入量零点输出理论灵敏度非线性项系数直线拟合线性化非线性误差或线性度最大非线性误差满量程输出直线拟合线性化出发点获得最小的非线性误差拟合方法：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合；④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合①理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说ΔLmax较大xyΔLmax②过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使xyΔL2ΔL1③端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyΔLmax④端点连线平移拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原先的一半yxΔLmaxΔL1⑤最小二乘拟合原理:最小二乘拟合方法xy=kx+by2、灵敏度传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力表征传感器对输入量变化的反应能力(a)线性传感器(b)非线性传感器

3、迟滞正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞

—正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差表示检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。迟滞0yx⊿HmaxyFS迟滞特性4、重复性传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差取较大者为

重复特性5.零点漂移传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移零漂＝式中ΔY0

——最大零点偏差；

YFS——满量程输出。6、温漂传感器在外界温度下输出量发出的变化温漂＝式中Δmax

——输出最大偏差；

ΔT——温度变化范围；

YFS

——满量程输出。7、分辨力与阈值分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。

稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。测试时先将传感器置于一定温度(如20℃),将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如5℃或10℃),再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。抗干扰稳定性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。温度稳定性误差用温度每变化若干℃的绝对误差或相对误差表示,每℃引起的传感器误差又称为温度误差系数。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。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。动态特性传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。

时域：瞬态响应法

频域：频率响应法被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。标准输入有三种：经常使用的是前两种。正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入数学模型与传递函数分析传感器动态特性，必须建立数学模型。线性系统的数学模型为一常系数线性微分方程。对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。对于线性定常（时间不变）系统，其数学模型为高阶常系数线性微分方程，即

y——输出量；x——输入量；t——时间a0，a1，…，an——常数；b0，b1，…，bm

——常数

——输出量对时间t的n阶导数；

——输入量对时间t的m阶导数返回2返回1动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数Y(s)——传感器输出量的拉氏变换式；X(s)——传感器输入量的拉氏变换式上式分母是传感器的特征多项式，决定系统的“阶”数。可见，对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中各阶导数用相应的s变量替换，即求出传感器的传递函数。正弦输入下传感器的动态特性（即频率特性）由传递函数导出为一复数，它可用代数形式及指数形式表示，即

=式中—分别为的实部和虚部；

—分别为的幅值和相角；K=可见，K值表示了输出量幅值与输入量幅值之比，即动态灵敏度，K值是ω的函数，称为幅频特性，以K(ω)表示。1．动态响应（正弦和阶跃）（1）正弦输入时的频率响应零阶传感器在零阶传感器中，只有a0与b0两个系数，微分方程为a0y=b0xK——静态灵敏度零阶输入系统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。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，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。一阶传感器微分方程除系数a1，a0

，b0外其他系数均为0，则a1(dy/dt)+a0y=b0xτ—时间常数(τ=a1/a0)；K——静态灵敏度(K=b0/a0)传递函数：频率特性：幅频特性：相频特性：负号表示相位滞后时间常数

τ越小，系统的频率特性越好二阶传感器很多传感器，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：τ—时间常数，；ω0—自振角频率,ω0=1/τξ—阻尼比，；k—静态灵敏度，k=b0/a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。传递函数幅频特性相频特性频率特性2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)ωτ(b)0-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=1ξ=0.8ξ=0.707ξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=0.707ξ=0.8ξ=1ξ=0.8ξ=1ξ=0.707ξ=0.6ξ=0.4ξ=0.2ξ=0二阶传感器幅频与相频特性（a）幅频特性（b）相频特性当ξ→0时，在ωτ=1处k(ω)趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，谐振现象逐渐不明显。当ξ≥0.707时，不再出现谐振，这时k(ω)将随着ωτ的增大而单调下降。阻尼比的影响较大。（2）阶跃输入时的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应对一阶系统的传感器，设在t=0时，x和y均为0，当t>0时，有一单位阶跃信号输入,如图。此时微分方程为tx01(dy/dt)+a0y=b1(dx/dt)+b0x齐次方程通解：非齐次方程特解：y2=1(t>0)方程解：tx01以初始条件y(0)=0代入上式，即得t=0时，C1=-1，所以输出的初值为0,随着时间推移y接近于1,当t=τ时,y=0.63在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。二阶传感器的阶跃响应单位阶跃响应通式ω0——传感器的固有频率；ζ——传感器的阻尼比特征方程根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：1）0＜ξ＜1(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根

方程通解

根据t→∞,y→kA求出A3；根据初始条件求出A1、A2，则令x=A其曲线如图，这是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越慢。tw0.021ttmδmξ<1的二阶传感器的过渡过程(设允许相对误差γy=0.02)2)ξ=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即发生时间过冲量稳定时间tW=4τ/ξ4）ξ>1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根3)ξ=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,过渡函数为

上两式表明，当ξ≥1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。过渡函数为实际传感器，ξ值一般可适当安排，兼顾过冲量δm不要太大，稳定时间tω不要过长的要求。在ξ＝0.6～0.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当ξ=0.6～0.7时，幅值比k(ω)/k在比较宽的范围内变化较小。计算表明在ωτ＝0～0.58范围内，幅值比变化不超过5％，相频特性中φ(ω)接近于线性关系。对于高阶传感器，在写出运动方程后，可根据式具体情况写出传递函数、频率特性等。在求出特征方程共轭复根和实根后，可将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研究其过渡函数。有些传感器可能难于写出运动方程，这时可采用实验方法，即通过输入不同频率的周期信号与阶跃信号，以获得该传感器系统的幅频特性、相频特性与过渡函数等。1.2.2传感器的主要技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性

动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等

温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等

抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差

其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等1.3提高传感器性能的技术途径1．采用线性化技术要保证传感器的输出能够不失真地复现被测量，要求传感器的输出与输入必须具有线性关系，而实际的传感器特性或多或少都具有不同程度的非线性，这就要求在设计和制造传感器时对其输出输入特性进行必要的线性化处理，以提高和改善传感器的性能。如在一定条件下忽略某些高次项，或者以直线代替曲线等。2．采用闭环技术采用传感器、放大电路等组成的闭环反馈测量控制系统，可以有效地改善测量精度和控制系统的性能。微量差被检测放大，放大器输出的电量产生反馈力，输出电量与测量力有一个良好的线性关系。闭环式传感器在过程参数检测传感器技术中被广泛采用，在微机械电容加速度传感器中常使用静电力平衡的方法。3．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：★针对传感器本身特性★针对传感器的工作条件或外界环境对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对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。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，也可以采用微型计算机通过软件来实现。

4．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且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为δΣ=±δ/√n式中n—传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。5．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。其方法有：减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，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。6．采用差动技术在使用传感器时，通常要求传感器输出—输入关系成线性，但实际难于做到。如果输入量变化范围不大，而且非线性项的方次不高时，在对多项式进行分析后，找到了一种切实可行的减小非线性的方法——差动技术。这种技术也已广泛用于消除或减小由于结构原因引起的共模误差（如温度误差）方面。其原理如下：设有一传感器，其输出为用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反，则它的输出为使二者输出相减，即于是，总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到了对称于原点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性，而且使灵敏度提高了一倍，抵消了共模误差。7．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：对材料、元器件或传感器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原因是：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。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法定期标定的场合。1．汽车电子控制系统的组成传感器:采集各种信息，将物理参量转变为电信号。信息处理器（电子控制器ECU）:对各种电信号进行综合处理后，作出实时判断，并输出控制信号给执行器。执行器:作出相应的控制动作，使控制对象工作在设定的状态。

传感器执行器信号处理器（ECU）信号输入信号输出图：电子控制系统的控制方式1）开环控制：系统的输出量对系统的控制作用没有影响。

控制器对象或过程输入量输出量图2：开环控制系统2）闭环控制：利用系统本身的调节功能，使系统输出信号对控制产生直接影响的系统。控制器对象或过程输入量输出量测量元件图3：闭环控制系统2．汽车电子控制系统的控制方式3）自适应控制：系统自行调整或修改系统参数。4）学习控制：自身具有学习能力。

5）模糊控制：吸取了人脑识别和判断的特点。

3．汽车电子控制系统常用的传感器

（1）发动机转速和曲轴位置传感器：产生发动机转速和曲轴位置电信号。（2）空气流量传感器：将发动机的进气流量转变为相应的电信号。（3）进气压力传感器：将发动机进气歧管的压力转变为相应的电信号。（4）温度传感器：将被测对象温度的变化转换为相应的电信号。（5）节气门位置传感器：将节气门的开度转变为电信号。（6）氧传感器：监测发动机排气中氧含量。（7）爆震传感器：用于监测发动机是否爆震。（8）车速/车轮转速传感器：将变速器输出轴转速或车轮的转速转变为相应的电信号。（9）车身高度传感器：将车身高度转换为相应的电信号。（10）转向盘转角传感器：将转向盘转动的角度和转动方向转换为相应的电信号。（11）其他传感器3．汽车电子控制系统常用的传感器

4．电子控制器

电子控制系统的控制核心图：电子控制器的基本组成（1）输入电路

作用：a.将各传感器及开关信号进行预处理，转换为计算机可接受的数字信号；b.向传感器提供电压稳定的电源，确保各传感器正常工作。数字信号输入电路、模拟信号输入电路、传感器电源图：数字信号输入电路工作过程（2）微处理器：接受各传感器及开关信号，进行运算、分析和判断后，输出控制指令，控制执行器工作。（3）输出电路组成：信号处理电路和驱动电路作用：根据微处理器的控制信号工作，使执行器按微处理器的指令动作。5.执行机构（1）电磁类执行机构：产生电磁力完成控制动作。直动电磁类执行机构：电磁线圈通电后产生磁场，电磁力使动作机构产生直线运动。旋转电磁类执行机构：电磁线圈通电后使动作机构产生角位移。（2）电动机类执行机构：通过电动机的转动完成控制动作。普通直流电动机：通电后产生持续的旋转运动。步进电动机：按“步”转动，可控制其转动的角度和转向。思考题汽车电子控制系统的控制方式有哪几种？请举例说明你所知道的汽车电子控制系统属于那种控制方式？根据工作方式说明汽车电子控制系统的组成？1.4

传感器的标定和校准传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。

传感器的标定工作可分为如下几个方面，

1.新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；

2.经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。

传感器的标定静态标定:

目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定:

目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。1.静态标准条件没有加速度、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（20±5℃）、相对湿度不大于85%，大气压力为101±7kPa的情况。2.标定仪器设备精度等级的确定对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。3.静态特性标定的方法标定过程步骤：⑴将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；⑵根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；⑶将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；⑷按⑵、⑶所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出－输入测试数据用表格列出或画成曲线；⑸对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。4.压力传感器的静态标定常用的标定装置有：活塞压力计、杠杆式和弹簧测力计式压力标定机。活塞压力计标定压力传感器的示意图1--标准压力表2—砝码3—活塞4—进油阀5—油杯6—被标传感器7—针形阀8—手轮9—手摇压力泵压力标定曲线上述标定方法不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计的加载过程时间太长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重影响其标定精度。所以，对压电式测压系统一般采用杠杆式压力标定机或弹簧测力计式压力标定机。为了保证压力传感器的测量准确度，需定期检定，检定周期最长不超过一年。传感器的动态特性标定主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数τ，二阶传感器则有固有频率ωn和阻尼比ζ两个参数。标准激励信号:

阶跃变化和正弦变化的输入信号一阶传感器的单位阶跃响应函数为则上式可变为z和时间t成线性关系，并且有τ=Δt

/Δz

可以根据测得的y(t)值作出z—t曲线，并根据Δt

/Δz的值获得时间常数τ一阶传感器时间常数的求法二阶传感器（ζ<1）的单位阶跃响应为如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个过冲量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比ζ，其中n是该两峰值相隔的周期数（整数）。当ζ<0.1时，以1代替，此时不会产生过大的误差（不大于0.6%）,则可用式(1.5.8)计算ζ，即若传感器是精确的二阶