《传感器总述》PPT课件.ppt

1、第2章 传感器总述,主讲：翟长远 2020/9/14,2020/9/14,传感器原理与应用,2,目录,2.1传感器概述 2.2传感器的基本特性,2020/9/14,传感器原理与应用,3,2.1.1传感器的定义,人脑,电脑,五官,“电五官”,传感器,2020/9/14,传感器原理与应用,4,2.1.1传感器的定义,广义传感器： 指能感知某一物理量、化学量或生物量等的信息，并能将之转化为可加以利用的信息的装置。 狭义传感器： 指能感知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。,如：人的五官,一般为电信号：电流、电压、电阻、电感、电容、频率等,2020/9/14,传感器原理与应用,

2、5,2.1.2传感器的分类,按用途分类 温度传感器 压力传感器 流量传感器 按输出信号的性质分类 模拟传感器 数字传感器,2020/9/14,传感器原理与应用,6,2.1.2传感器的分类,按工作原理分类 电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 磁电式传感器 压电式传感器 ,2020/9/14,传感器原理与应用,7,2.1.3传感器的组成,例1 应变式压力传感器 例2 热电阻温度传感器,2020/9/14,传感器原理与应用,8,2.2.1传感器的特性,传感器的特性 对传感器的输出量与输入量之间对应关系的描述。 静态特性 输入量恒定或缓慢变化时的传感器的特性。 动态特性 输入量变化较快时的传感器

3、的特性。,2020/9/14,传感器原理与应用,9,2.2.2传感器的静态特性,输入量x与输出量y之间的关系： y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中：a0 输入量x为零时的输出量； a1，a2，an 非线性项系数。 性能指标有：灵敏度、线性度、迟滞、重复性和漂移等。,2020/9/14,传感器原理与应用,10,2.2.2传感器的静态特性,灵敏度 输出量增量y与相应的输入量增量x之比。 灵敏度越大表示传感器越灵敏。,2020/9/14,传感器原理与应用,11,2.2.2传感器的静态特性,（b）非线形,（a）线形,2020/9/14,传感器原理与应用,12,2.2.2传感器的静态特性,线性度

4、 传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。 拟合直线 用一条直线近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。 线性度定义为： 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Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用L表示。,2020/9/14,传感器原理与应用,13,2.2.2传感器的静态特性,2020/9/14,传感器原理与应用,14,2.2.2传感器的静态特性,线性度与拟合直线的选取有关。 几种直线拟合方法： (a)理论拟合 (b)过零旋转拟合 (c)端点连线拟合 (d)端点平移拟合 (e)最小二乘法拟合 通常用最小二乘法求取拟

5、合曲线。,2020/9/14,传感器原理与应用,15,2.2.2传感器的静态特性,迟滞 迟滞：输入量正行程及输入量反行程变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。 迟滞差值：同一大小的输入信号正反行程输出的信号的差值。 迟滞误差：传感器在全量程范围内最大的迟滞误差Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，又称回差或变差，用H表示。,2020/9/14,传感器原理与应用,16,2.2.2传感器的静态特性,迟滞特性,2020/9/14,传感器原理与应用,17,2.2.2传感器的静态特性,重复性 重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 重复性误差属于随即

6、误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算。,或,2020/9/14,传感器原理与应用,18,2.2.2传感器的静态特性,重复性,2020/9/14,传感器原理与应用,19,t时的输出,2.2.2传感器的静态特性,漂移 漂移：在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化的现象。 产生原因： 传感器自身结构参数 周围环境（如：温度、湿度） 温度漂移,t-t20,t20时的输出,2020/9/14,传感器原理与应用,20,2.2.3传感器的动态特性,动态特性： 输入量变化较快时的传感器的特性。 动态误差 实际输出与理想输出之间的差异。 实际输出不仅是输入的函数也是时间的函数

7、实例：热电偶动态测温,2020/9/14,传感器原理与应用,21,2.2.3传感器的动态特性,基本动态特性方程,式中，a0、a1、, an, b0、b1、., bm是与传感器的结构特性有关的常系数。,2020/9/14,传感器原理与应用,22,2.2.3传感器的动态特性,零阶系统 微分方程变成了代数方程：,a0y(t)=b0 x(t),y(t)=kx(t),令：k=b0/a0,K为传感器的静态灵敏度或放大系数,零阶系统具有理想的动态特性，无任何滞后，又称比例系统。 工程中，电位式的电阻传感器、变面积式的电容传感器可看成零阶系统。,2020/9/14,传感器原理与应用,23,为传感器的时间常数,

8、2.2.3传感器的动态特性,一阶系统 微分方程为：,令： =a1/a0 k=b0/a0,k为传感器的静态灵敏度或放大系数,2020/9/14,传感器原理与应用,24,2.2.3传感器的动态特性,一阶系统又称为惯性系统。 时间常数具有时间的量纲，反映传感器的惯性的大小。 静态灵敏度说明其静态特性。 工程中，不带套管热电偶测温系统可看成一阶系统。,2020/9/14,传感器原理与应用,25,2.2.3传感器的动态特性,二阶系统 微分方程为：,式中：k传感器的静态灵敏度或放大系数 传感器的阻尼系数 n传感器的固有频率,k=b0/a0,2020/9/14,传感器原理与应用,26,2.2.3传感器的动态

9、特性,传感器瞬态响应特性 采用时域分析法从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。 阶跃响应输入为阶跃信号（标准输入信号）的输出瞬态响应。,2020/9/14,传感器原理与应用,27,2.2.3传感器的动态特性,一阶传感器的单位阶跃响应,微分方程：,令k=1,传递函数：,2020/9/14,传感器原理与应用,28,2.2.3传感器的动态特性,单位阶跃响应拉氏变换式,拉氏反变换得响应信号,2020/9/14,传感器原理与应用,29,2.2.3传感器的动态特性,一阶传感器单位阶跃响应,由图可见，传感器存在惯性。 工程中：t=(3-4)达稳态。 越小，响应越快。 是非常重要的性能参数。,2020/9

10、/14,传感器原理与应用,30,2.2.3传感器的动态特性,二阶传感器的单位阶跃响应,微分方程：,传递函数：,令k=1,单位阶跃响应,2020/9/14,传感器原理与应用,31,当=0 特征根为一对虚根； 阶跃响应是一个等幅震荡过程，又称无阻尼状态。 当01 特征根为两个不同的负实根； 阶跃响应是一个不震荡衰减过程，又称过阻尼状态。,2.2.3传感器的动态特性,特征方程：,特征根：,2020/9/14,传感器原理与应用,32,2.2.3传感器的动态特性,二阶传感器单位阶跃响应,2020/9/14,传感器原理与应用,33,2.2.3传感器的动态特性,传感器的时域动态性能指标,时间常数：一阶传感器

11、输出上升到稳态值的63.2%所需的时间。,延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。,上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。,一阶传感器的时域动态性能指标,2020/9/14,传感器原理与应用,34,2.2.3传感器的动态特性,二阶传感器的时域动态性能指标,峰值时间tp： 二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。,超调量： 二阶传感器输出超过稳态值的最大值。,衰减比d：二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。,2020/9/14,传感器原理与应用,35,2.2.3传感器的动态特性,传感器频率响应特性 传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性称为

12、频率响应特性。 传感器输入为正弦信号时，输出响应仍然是同频率的正弦信号。 频率响应法主要研究传感器的输出与输入的幅值比和相位差的变化。,2020/9/14,传感器原理与应用,36,2.2.3传感器的动态特性,一阶传感器的频率特性,用j代替s,频率特性：,传递函数：,幅频特性:,相频特性：,2020/9/14,传感器原理与应用,37,2.2.3传感器的动态特性,一阶传感器频率响应特性 (a) 幅频特性； (b) 相频特性,2020/9/14,传感器原理与应用,38,2.2.3传感器的动态特性,截止频率：是指幅值比下降到零频率幅值比的 倍时所对应的频率。 一阶传感器截止频率为1/。 截止频率反映传感器的响应速度，截止频率越高，传感器的响应越快。,2020/9/14,传