检测技术作为信息科学的一个重要分支

1、来源: 知识分享平台 ,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。,第一章 绪 论,“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。,来源: 知识分享平台 ,第一节 传感器的地位和作用,传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传

2、感器是获取信息的主要途径与手段。 没有传感器，现代化生产就失去了基础。 传感器是边缘学科开发的先驱。,第一章 绪 论,可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。,传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,来源: 知识分享平台 ,第二节 传感器的定义,国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：,能够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。,

3、传感器是测量装置，能完成检测任务； 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； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,V、I、F、P,来源: 知识分享平台 ,第三节 传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换

4、电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,来源: 知识分享平台 ,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,来源: 知识

5、分享平台 ,第四节 传感器的分类,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,8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器,来源: 知识分享平台 ,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

6、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。,来源: 知识分享平台 ,能量控制

7、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。,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。,来源: 知识分享平台 ,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

8、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、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。,来源: 知识分享平台 ,第五节 传感器的发展趋势,传感技术的发展分为两个方面： 提高与改善传感器的技术性能； 寻找新原理

9、、新材料、新工艺及新功能等。,一、改善传感器的性能的技术途径 1差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。,来源: 知识分享平台 ,2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 =/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

10、，即增大传感器灵敏度。,来源: 知识分享平台 ,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）

11、来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,来源: 知识分享平台 ,4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。,来源: 知识

12、分享平台 ,5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。,来源: 知识分享平台 ,二、传感器的发展动向,开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集

13、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,来源: 知识分享平台 ,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

14、：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,来源: 知识分享平台 ,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。,来源: 知识分享平

15、台 ,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。,来源: 知识分享平台 ,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

16、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。,来源: 知识分享平台 ,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

17、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,来源: 知识分享平台 ,传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。,第六节 传感器的特性,传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。,当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。,当输入量

18、为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；,来源: 知识分享平台 ,实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。,传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。,传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。,来源: 知识分享平台 ,取

19、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,来源: 知识分享平台 ,静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是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，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。,一、静态特性技术指标,1线性度 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示： 式中：y输出量； x输入量； a0零点输出； a1理论灵敏度； a2、a3、 、 an非线性项系数。,各项系数不同，决定了

20、特性曲线的具体形式。,y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn,来源: 知识分享平台 ,通常用相对误差L表示： Lmax一最大非线性误差； yFS量程输出。,在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度,一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。,非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。,L=(Lmax/yFS)100%,理论拟合；端点连线平

21、移拟合；端点连线拟合； 过零旋转拟合；最小二乘拟合； 最小包容拟合,来源: 知识分享平台 ,直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合,来源: 知识分享平台 ,设拟合直线方程：,0,y,yi,x,y=kx+b,xI,最小二乘拟合法,最小二乘法拟合,y=kx+b,若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为,最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即,i=yi-(kxi+b),对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式,来源: 知识分享平台 ,即得到k和b的表达式,将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最

22、大值Lmax即为非线性误差。,来源: 知识分享平台 ,2迟滞,0,y,x,Hmax,yFS,迟滞特性,式中 Hmax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。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。,传感器在正(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。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即,来源: 知识分享平台 ,3重复性,y,x,0,Rmax2,Rmax1,重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即,重复性是指传感器在

23、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。,重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，yin ，算出最大值与最小值之差或3作为重复性偏差Ri，在几个Ri中取出最大值Rmax 作为重复性误差。,Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。,来源: 知识分享平台 ,4灵敏度与灵敏度误差,s=(k/k)100%,由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即,可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k

24、是一常数，与输入量大小无关。,K=y/x,传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量 x之比即为其静态灵敏度，其表达式为,来源: 知识分享平台 ,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。,5分辨力与阈值,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。,6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

25、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。,来源: 知识分享平台 ,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。,8抗干扰稳定性,7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

26、念，需要具体问题具体分析。,来源: 知识分享平台 ,9静态误差,取2 和3 值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即,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,看成是随机分布,求出其标准偏差,即,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的偏离程度。,yi各测试点的残差； n一测试点数。,来源: 知识分享平台 ,与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度),10、精确度,准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着

27、系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。,精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。,来源: 知识分享平台 ,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和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。,（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高 在测量中我们希望得到精确度高的结果。,来源: 知识

28、分享平台 ,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。,二、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,来源: 知识分享平台 ,1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

29、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,来源: 知识分享平台 ,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，

30、即求出传感器的传递函数。,来源: 知识分享平台 ,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值是的函数，称为幅频特性，以K()表示。,来源: 知识分享平台 ,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= b0 x,K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

31、。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。,来源: 知识分享平台 ,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= b0 x,时间常数( = 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 越小， 系统的频率特性越好,来源: 知识分享平台 ,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：,时间常数， ； 0自振角频率,0=1/ 阻尼比， ； k静态灵敏度，k=b0/a,来源: 知

32、识分享平台 ,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,来源: 知识分享平台 ,2.4,2.2,2.0,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,0.5,1,1.5,2,2.5,(a),(b),0,-30,-60,-90,-120,-150,-180,0.5,1,1.5,2,2.5,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=1,=0.8,=0.707,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=0.707,=0.8,=1,=0.8,=1,=0.707,=0.6,=0.4,=0.2,=0,二阶传感器幅频与相

33、频特性 （a）幅频特性（b）相频特性,当0时，在=1处k()趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着的增大，谐振现象逐渐不明显。当0.707时，不再出现谐振，这时k()将随着的增大而单调下降。,阻尼比的影响较大。,来源: 知识分享平台 ,（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t0时，有一单位阶跃信号输入,如图。此时微分方程为,t,x,0,1,(dy/dt)+a0y= b1(dx/dt)+b0 x,齐次方程通解：,非齐次方程特解：,y2=1 (t0),方程解：,t,x,0,1,以初始条件y(0)=0代入上式，即得t=0时， C1=-1

34、，所以,输出的初值为0,随着时间推移y接近于1,当t=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。,来源: 知识分享平台 ,二阶传感器的阶跃响应,单位阶跃响应通式,0传感器的固有频率；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）01(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根,方程通解,根据t,ykA求出A3；根据初始条件,求出A1、A2，则,令x=A,来源: 知识分享平台 ,其曲线如图，这是一衰减振荡过程,越小,振荡频率越高,衰减越慢。,(设允许相对误差y=0.02),2)=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=4/,

35、来源: 知识分享平台 ,4）1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根,3) =1 (临界阻尼)：特征方程具有重根-1/,过渡函数为,上两式表明，当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,来源: 知识分享平台 ,实际传感器，值一般可适当安排，兼顾过冲量m不要太大，稳定时间t不要过长的要求。在0.60.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当=0.60.7时，幅值比k()/k在比较宽的范围内变化较小。计算表明在00.58范围内，幅值比变化不超过5，相频特性中()接近于线性关系。,对于高阶传感器，在写出运动方程后，可

36、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。,来源: 知识分享平台 ,一、与测量条件有关的因素 (1)测量的目的； (2)被测试量的选择； (3)测量范围； (4)输入信号的幅值，频带宽度； (5)精度要求； (6)测量所需要的时间。,第七节 传感器的选用原则,来源: 知识分享平台 ,二、与传感器有关的技术指标 (1)精度； (2)稳定度； (3)响应特性； (4)模拟量

37、与数字量； (5)输出幅值； (6)对被测物体产生的负载效应； (7)校正周期； (8)超标准过大的输入信号保护。,来源: 知识分享平台 ,三、与使用环境条件有关的因素 (1)安装现场条件及情况； (2)环境条件(湿度、温度、振动等)； (3)信号传输距离； (4)所需现场提供的功率容量。,四、与购买和维修有关的因素 (1)价格； (2)零配件的储备； (3)服务与维修制度，保修时间； (4)交货日期。,来源: 知识分享平台 ,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、

38、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,来源: 知识分享平台 ,金属应变片式传感器 金属丝

39、式应变片 金属箔式应变片 测量电路 应变式传感器应用 压阻式传感器 压阻效应 晶向、晶面的表示方法 压阻系数 固态压阻器件,第二章 电阻式传感器,来源: 知识分享平台 ,优点： 精度高，测量范围广 频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择,一、 金属应变片式传感器 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。,缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变

40、，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。,来源: 知识分享平台 ,(一) 金属丝式应变片 1、应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为 两边取对数，得 等式两边取微分，得 电阻的相对变化； 电阻率的相对变化； 金属丝长度相对变化，用表示，= 称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； 截面积的相对变化。,来源: 知识分享平台 ,dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,S= r 2,dS /S=2dr/r,r= ,由材料力学知,将微分dR、d改写成

41、增量R、，则,金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。,来源: 知识分享平台 ,物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成： 前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6； 后一部分为 ，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。 对金属材料，以前者为主，则KS 1+2； 对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。,来源: 知识分享平台 ,2,3,4,1,电阻应变片结构示意图,b,l,2、

42、应变片的结构与材料 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。,（1） 敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,栅长,栅宽,来源: 知识分享平台 ,对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； 电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； 电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的

43、抗拉强度； 加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。,（2） 基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。,来源: 知识分享平台 ,（3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。,（4） 粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面

44、某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,来源: 知识分享平台 ,3、主要特性 （1） 灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即 K为金属应变片的灵敏系数。注意，K

45、是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。,来源: 知识分享平台 ,丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分,b,O,l,r,r,dl,d,0,（2） 横向效应 金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。

46、沿轴向应变为，沿横向应变为r 。,来源: 知识分享平台 ,若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1 半圆弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度d l = r d上的应变可由材料力学公式求得 每个圆弧形横栅的变形量l为 纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为,L1= n l,来源: 知识分享平台 ,应变片敏感栅的总变形为 敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为 令 则 可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。,来源: 知识分享平台 ,当r=0时，可得轴向灵敏度系数 同样，当=0时，可得横向灵敏度系

47、数 横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。,来源: 知识分享平台 ,（3） 机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实

48、验误差。,来源: 知识分享平台 ,（4） 零点漂移和蠕变 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。 产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。,来源: 知识分享平台 ,（5）应变极限 在一定温度下，

49、应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。,主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。,来源: 知识分享平台 ,（6） 动态特性 当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应

50、变沿应变片轴向传播时的动态响应。 设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示。,应变片对应变波的动态响应,0,应变片,1,l,x1,x,来源: 知识分享平台 ,设应变波波长为，则有= v /f。应变片栅长为L，瞬时t时应变波沿构件分布为 应变片中点的应变为 xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长 l 范围内的平均应变m，其数值等于 l 范围内应变波曲线下的面积除以 l，即,来源: 知识分享平台 ,平均应变m与中点应变t相对误差为,由上式可见，相对误差的大小只决定于 的比值，表中给出了为1/10和1/20时的数值。

51、,来源: 知识分享平台 ,由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/101/20）时，将小于2%。 因为 式中 应变波在试件中的传播速度； f应变片的可测频率。 取 ，则 若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。,来源: 知识分享平台 ,4、 温度误差及其补偿 （1） 温度误差 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数

52、量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素： 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,来源: 知识分享平台 ,设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t ，则应变片产生的电阻相对变化为 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为 e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。,相应的电阻相对变化为 K应变片灵敏系数。,来源: 知识分享平台 ,温度变化形成的总电阻相对变化： 相应的虚假应变为 上式为

53、应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。 可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。,来源: 知识分享平台 ,（2） 温度补偿（自补偿法和线路补偿法） 单丝自补偿应变片 由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使 即 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数 都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数 和线膨胀系数 满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为

54、单丝自补偿应变片。,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,来源: 知识分享平台 ,双丝组合式自补偿应变片 是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即,(Ra) t= (Rb) t,补偿效果可达0.45。,来源: 知识分享平台 , 电路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决

55、定的常数。,USC,R2,R4,R1,R3,E,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,来源: 知识分享平台 ,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,来源: 知识分享平台

56、,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即 上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即,=,来源: 知识分享平台 ,若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为,由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件： R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必

57、须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。,此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。,来源: 知识分享平台 ,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，

58、电桥不产生输出，达到了补偿的目的。 (b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为,构件受弯曲应力,构件受单向应力,来源: 知识分享平台 ,另外也可以采用热敏电阻进行补偿。如图所示，热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,USC,R2,R4,R1,R3,E,Rt,R5,来源: 知识分享平台 ,金属箔式应变片,（二） 金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。