傳感器原理及應用PPT教程

1、傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章第第2章章 傳感器概述傳感器概述2.1 2.1 傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類2.2 2.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章2.1 2.1 傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類 傳感器的作用傳感器的作用 傳感器的定義傳感器的定義 傳感器的組成傳感器的組成 傳感器的分類傳感器的分類傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章人體系統(tǒng)和機器系統(tǒng)比較人體系統(tǒng)和機器系統(tǒng)比較眼（視覺）眼（視覺）耳（聽覺）耳（聽覺）鼻（嗅覺）鼻（嗅覺）皮膚（觸覺）皮膚（觸覺）舌（味覺）舌（味覺）感知外界信息感知外界信息 大腦大

2、腦 肌體肌體2.1 2.1 傳感器的組成和分類傳感器的組成和分類1 1、傳感器的地位和作用、傳感器的地位和作用傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章傳感器傳感器是一個匯聚物理、化學、材料、電子、生物是一個匯聚物理、化學、材料、電子、生物工程等工程等多類型交叉學科多類型交叉學科，涉及傳感檢測原理、傳感，涉及傳感檢測原理、傳感器件設計、傳感器開發(fā)與應用的綜合技術。傳感器器件設計、傳感器開發(fā)與應用的綜合技術。傳感器技術是構成現(xiàn)代信息技術三大支柱之一技術是構成現(xiàn)代信息技術三大支柱之一 。傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章工工業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)傳感器

3、原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章智能建筑智能建筑降低能耗降低能耗提高操作者提高操作者工作效率工作效率提高樓宇內(nèi)提高樓宇內(nèi)部舒適程度部舒適程度提供高效的提供高效的設備管理手設備管理手段段監(jiān)控軟件監(jiān)控軟件縮短投資回收周期縮短投資回收周期降低培訓成本降低培訓成本傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章航空航天宇宙飛船航空航天宇宙飛船 飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、磁場、振動測量；磁場、振動測量；“阿波羅阿波羅10”10”飛船對飛船對32953295個參數(shù)個參數(shù)進行檢測，其中：進行檢測，其中：溫度傳感器溫度傳感器559559個個壓力傳

4、感器壓力傳感器140140個個信號傳感器信號傳感器501501個個遙控傳感器遙控傳感器142142個個整個宇宙飛船就是高性能傳感器的集合體整個宇宙飛船就是高性能傳感器的集合體智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源）智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度）智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動顯示、記錄公路壓力、溫度、車流量）智能公路（自動顯示、記錄公路壓力、溫度、車流量）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）未來世界未來世界傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章Human with Sensors傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章傳

5、感器還滲透到海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診傳感器還滲透到海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。血壓測定方法和輸出的結果血壓測定方法和輸出的結果傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章 廣義：廣義：傳感器傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學、生物）是一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規(guī)律轉換成

6、某種可用信號輸出的按一定規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置器件和裝置。 狹義：狹義：能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。 國家標準（國家標準（GB7665-87）：）：對傳感器（對傳感器（Transducer/Sensor）的定義：）的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。輸出信號的器件或裝置。2 2、傳感器的定義、傳感器的定義傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章 測量儀器一般由信號檢測器件和信號處理兩部分組成。測量儀器一般由信號檢測器件和信號處理兩部分組成。

7、這種能感應被測量的變化并將其轉換為其他物理量變化這種能感應被測量的變化并將其轉換為其他物理量變化 的器件就是的器件就是傳感器傳感器。輸入匹配輸入匹配放大變換放大變換被測信號被測信號輸出輸出檢測器件檢測器件信號處理信號處理廣義傳感器廣義傳感器傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章n傳感器定義有以下含義傳感器定義有以下含義它能完成檢測任務，是由敏感元件和轉換元件構成檢它能完成檢測任務，是由敏感元件和轉換元件構成檢測裝置；測裝置；輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；量、生物量等；能按一定規(guī)律將被測量轉換成電信號輸出，輸出量是

8、能按一定規(guī)律將被測量轉換成電信號輸出，輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；是氣、光、電物理量，主要是電物理量；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的對應關系。傳感器的輸出與輸入之間存在確定的對應關系。 n按使用場合不同又稱為：按使用場合不同又稱為：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器功用：傳感器功用：一感二傳一感二傳, ,即感受被測信息即感受被測信息, ,并傳送出去。并傳送出去。傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章3、傳感器的組成、傳感器的組成 輔助電

9、源輔助電源敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件轉換電路轉換電路被測量被測量電量電量敏感元件敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。關系的某一物理量的元件。轉換元件轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參量。轉換成電路參量?；巨D換電路基本轉換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉換電路（簡上述電路參數(shù)接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。物理、化學、物理、化學、生物信息生物信息傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章實際上，有些傳感器

10、很簡單，有些則較復雜，大多數(shù)實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數(shù)是是開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)。由敏感元件和轉換由敏感元件和轉換元件組成的傳感器元件組成的傳感器由于空間的限制或者其他原因由于空間的限制或者其他原因, ,轉換電路常裝入電箱中。轉換電路常裝入電箱中。然而，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電然而，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 由一個敏感元件組成由一個敏感元件組成的最簡單的傳感器的最簡單的傳感器質量塊質量塊壓電片壓電片

11、傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章4. 傳感器的分類傳感器的分類 物理型：物理型：化學型：利用電化學反應原理化學型：利用電化學反應原理 生物型：利用生物活性物質選擇性生物型：利用生物活性物質選擇性 結構型：取決于幾何尺寸和形狀結構型：取決于幾何尺寸和形狀物性型：取決于材料性質物性型：取決于材料性質按按傳感器的工作原理傳感器的工作原理傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章 按被測量按被測量溫度溫度、 流量流量、壓力、濕度、濃度、力學量、磁學量、壓力、濕度、濃度、力學量、磁學量、光學量、氣體成分等光學量、氣體成分等 根據(jù)傳感器輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號根據(jù)傳感器輸出信號：模擬信號

12、和數(shù)字信號 根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器器 傳感器的能量來源：能量控制型和能量轉換型傳感傳感器的能量來源：能量控制型和能量轉換型傳感器器 按可變電參量：電阻型、電感型或電容型按可變電參量：電阻型、電感型或電容型 按傳感器技術發(fā)展：聾啞傳感器按傳感器技術發(fā)展：聾啞傳感器(Dumb Sensor)(Dumb Sensor)、智、智能傳感器能傳感器(Smart Sensor)(Smart Sensor)、網(wǎng)絡化傳感器、網(wǎng)絡化傳感器(Networked (Networked Sensor)Sensor)其他分類其他分類傳感器原理及應用傳感器

13、原理及應用 第第2章章2.2 2.2 傳感器的特性與主要性能指標傳感器的特性與主要性能指標 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標 傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)指標傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)指標傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章n定義：定義： 傳感器特性：指輸入傳感器特性：指輸入x x（被測量）與輸出（被測量）與輸出y y之間的關系之間的關系靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化極慢時的關系靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化極慢時的關系動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快地變化時的關系動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快地變化時的關系2.2 傳感器的特性與主要性能指標傳感器的特性與主要性能指標2

14、.2.1 1 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標 2 23 3n n0 01 12 23 3n ny y = = a a + +a a x x+ +a a x x + +a a x x + + +a a x x式中：式中：a a0 0輸入量輸入量x x為零時的輸出量為零時的輸出量; ; a a1 1, a, a2 2, , , a, an n非線性項系數(shù)非線性項系數(shù)。傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章1 1測量范圍和量程測量范圍和量程 傳感器所能測量到的最小被測量（輸入）傳感器所能測量到的最小被測量（輸入）x xminmin與最大被與最大被測量（輸入）測量（

15、輸入）x xmaxmax之間的范圍稱為傳感器的測量范圍之間的范圍稱為傳感器的測量范圍（measuring rangemeasuring range）, ,表示為表示為Y YFSFS或（或（x xminmin，x xmaxmax） 。傳感器測量范圍的上限值與下限值之差傳感器測量范圍的上限值與下限值之差x xmaxmaxx xmin稱為稱為量程量程（spanspan）。例如一溫度傳感器的測量范圍是）。例如一溫度傳感器的測量范圍是-30-30+120,+120,那么該傳感器的量程為那么該傳感器的量程為150 150 。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章2 2靈敏度與靈敏度誤差靈敏度與靈敏

16、度誤差可見，傳感器輸出曲線的可見，傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。對線性就是其靈敏度。對線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度s s是一常數(shù)，與輸入量大小無關。是一常數(shù)，與輸入量大小無關。傳感器傳感器輸出的變化量輸出的變化量 y y與引起該變化量的與引起該變化量的輸入變化量輸入變化量 x x之比即為其之比即為其靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度(Sensitivity)(Sensitivity)，其表達式為，其表達式為線性：線性： S=y/x非線性：非線性： S=dy/dx 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章傳感器原理及應用傳感器原理

17、及應用 第第2章章靜態(tài)特性曲線可實際測試獲得。在獲得特性曲線之后，靜態(tài)特性曲線可實際測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說問題已經(jīng)得到解決。但是為了標定和數(shù)據(jù)處理可以說問題已經(jīng)得到解決。但是為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關系。這時可采用各種方法，的方便，希望得到線性關系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行其中也包括硬件或軟件補償，進行線性化處理線性化處理。3 3線性度線性度(Linearity)(Linearity)傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考傳感器的輸出輸入關系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性

18、等因素的情況下，其靜態(tài)特性靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程表示可用下列多項式代數(shù)方程表示：式中：式中：y y輸出量；輸出量； x x輸入量；輸入量； a a0 0零點輸出；零點輸出； a a1 1理論靈敏度；理論靈敏度； a a2 2、a a3 3、 、 a an n非線性項系數(shù)。非線性項系數(shù)。 各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章LLmaxmax一最大非線性誤差；一最大非線性誤差； y yFSFS滿量程輸出。滿量程輸出。在采用直線擬合線性化時，全量程范圍實際曲線

19、與其擬在采用直線擬合線性化時，全量程范圍實際曲線與其擬合曲線之間的最大偏差與滿量程輸出值之比，就稱為合曲線之間的最大偏差與滿量程輸出值之比，就稱為非非線性誤差或線性度，線性誤差或線性度，用相對誤差用相對誤差L表示：表示：一般來說，這些辦法都比較復雜。所以在非線性誤差不一般來說，這些辦法都比較復雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法采用直線擬合的辦法來線性化。來線性化。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選

20、擇擬合直線的主要出發(fā)點，應是獲得最小的非線性誤差。擇擬合直線的主要出發(fā)點，應是獲得最小的非線性誤差。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。另外，還應考慮使用是否方便，計算是否簡便。理論擬合；理論擬合；過零旋轉擬合；過零旋轉擬合；端點連線擬合；端點連線擬合； 端點連線平移擬合；端點連線平移擬合；最小二乘擬合最小二乘擬合maxmaxL LFSFSL L =100%100%Y Y傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章4 4遲滯遲滯0yxHmaxyFS遲滯特性遲滯特性m ma ax xH HF FS SH H = =1 10 00 0% %Y Y式

21、中式中 H Hmaxmax正反行程間輸出的最大差值。正反行程間輸出的最大差值。 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出對應于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。信號差值的最大者即為回程誤差。 傳感器在正傳感器在正( (輸入量增大輸入量增大) )反（輸入量減反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯遲滯。遲滯差值：遲滯差值：正反行程的差值。

22、正反行程的差值。遲滯誤差：遲滯誤差：傳感器在全量程范圍內(nèi)最大傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值遲滯差值Hmax與滿量程輸出值之比與滿量程輸出值之比傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章5 5重復性重復性(Repeatability)(Repeatability)yx0Rmax2Rmax1m ma ax xR RF FS SR R = =1 10 00 0% %Y Y重復性誤差可用正反行程的最重復性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即大偏差表示，即重復性是指傳感器在輸入按同一重復性是指傳感器在輸入按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時所方向做全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。得特性曲線不

23、一致的程度?；蛴脴藴什罨蛴脴藴什钣嬎?，表示如下：計算，表示如下：R Rmax1max1正行程的最大重復性偏差，正行程的最大重復性偏差， R Rmax2max2反行程的最大重復性偏差。反行程的最大重復性偏差。R RFSFS(23)(23) =100%100%Y Y傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章 分辨力用絕對值表示分辨力用絕對值表示, ,用與滿量程的百分數(shù)表示時稱為用與滿量程的百分數(shù)表示時稱為分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。 6 6分辨力與分辨率分辨力與分辨率 分辨力分辨力（resolutionresolution）: :指

24、傳感器能檢測到的最小的輸指傳感器能檢測到的最小的輸入增量的入增量的x xminmin的絕對值的絕對值。 有些傳感器有些傳感器, ,當輸入量連續(xù)變化時當輸入量連續(xù)變化時, ,輸出量只作階梯變輸出量只作階梯變化化, ,則分辨力就是輸出量的每個則分辨力就是輸出量的每個“階梯階梯”所代表的輸入所代表的輸入量的大小。量的大小。分辨率反映了傳感器檢測輸入微小變化的能分辨率反映了傳感器檢測輸入微小變化的能力。力。 影響傳感器分辨力的因素很多，如機械運動部件的摩影響傳感器分辨力的因素很多，如機械運動部件的摩擦、電路中的儲能元件和擦、電路中的儲能元件和A/DA/D的位數(shù)。在傳感器的測量的位數(shù)。在傳感器的測量范圍

25、內(nèi)，由于其輸入范圍內(nèi)，由于其輸入/ /輸出之間呈非線性關系，所以在輸出之間呈非線性關系，所以在不同輸入時分辨力不同，用不同輸入時分辨力不同，用max|max| x xminmin| |表示傳感器的表示傳感器的分辨力。用滿量程的百分數(shù)表示時稱為分辨率。分辨力。用滿量程的百分數(shù)表示時稱為分辨率。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章 被測量可能以各種形式隨時間變化，只要輸入量是時被測量可能以各種形式隨時間變化，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。其間的關系間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。其間的關系用動態(tài)特性方程描述。用動態(tài)特性方程描述。2.2.22.2.2、傳感器的動

26、態(tài)特性與動態(tài)指標、傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)指標 動態(tài)特性動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。 傳感器動態(tài)特性方程就是指在動態(tài)測量時，傳感器的輸傳感器動態(tài)特性方程就是指在動態(tài)測量時，傳感器的輸出量與輸入被測量之間隨時間變化的函數(shù)關系。出量與輸入被測量之間隨時間變化的函數(shù)關系。 它依賴于傳感器本身的測量原理、結構，取決于系統(tǒng)內(nèi)它依賴于傳感器本身的測量原理、結構，取決于系統(tǒng)內(nèi)部機械的、電氣的、磁性、光學的等各種參數(shù)，而且這個部機械的、電氣的、磁性、光學的等各種參數(shù)，而且這個特性本身不因輸入量、時間和環(huán)境條件的不同而變化。特性本身不因輸入量、時間和環(huán)境

27、條件的不同而變化。 使用傳感器時，根據(jù)動態(tài)特性及使用條件確定使用方法，使用傳感器時，根據(jù)動態(tài)特性及使用條件確定使用方法，同時估計給定條件下傳感器動態(tài)誤差、響應速度同時估計給定條件下傳感器動態(tài)誤差、響應速度(延遲時延遲時間間)和動態(tài)靈敏度。和動態(tài)靈敏度。傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章1110111101( )( )( )( )( )( )( )( )nnnnnnmmmmmmd y tdy tdy taaaa y tdtdtdtd x tdx tdx tbbbb x tdtdtdt傳感器動態(tài)特性可用下列微分方程描述傳感器動態(tài)特性可用下列微分方程描述下面只研究零階、一階、二階系統(tǒng)：下面

28、只研究零階、一階、二階系統(tǒng)：0 01 1n n- -1 1n n0 01 1m m- -1 1m m式式中中：a a , ,a a , , ,a a, ,a a , , b b , , b b , , , b b, , b b是是與與傳傳感感器器結結構構特特性性有有關關的的常常系系數(shù)數(shù)傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章1 1零階傳感器動態(tài)特性指標零階傳感器動態(tài)特性指標零階傳感器的輸出通過下列類型的方程與其輸入相聯(lián)系零階傳感器的輸出通過下列類型的方程與其輸入相聯(lián)系 y(ty(t)=)=kx(tkx(t) ) 傳感器的傳輸函數(shù)傳感器的傳輸函數(shù) G(sG(s)=k)=k傳感器的頻率特性傳感

29、器的頻率特性 G(jG(j)=k)=k k k：靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。：靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。零階傳感器是比例傳感系統(tǒng)，傳函恒定不變。因此，傳零階傳感器是比例傳感系統(tǒng)，傳函恒定不變。因此，傳感器的動態(tài)誤差和延遲兩者皆為零。感器的動態(tài)誤差和延遲兩者皆為零。上式的輸入上式的輸入輸出關系要求傳感器不包含任何儲能元件。輸出關系要求傳感器不包含任何儲能元件。例如，用來測量線性位移和旋轉位移的電位器型傳感器。例如，用來測量線性位移和旋轉位移的電位器型傳感器。 傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章2 2一階傳感器動態(tài)特性指標一階傳感器動態(tài)特性指標1 10 0d dy y( (t t) )a a+ +

30、a a y y( (t t) )= = x x( (t t) )d dt t在一階傳感器中包含一個儲能元件和另一些耗能元在一階傳感器中包含一個儲能元件和另一些耗能元件。輸入件。輸入x(tx(t) )和輸出和輸出y(ty(t) )由一階微分方程描述：由一階微分方程描述： 相應的傳遞函數(shù)為：相應的傳遞函數(shù)為： Y(s)KY(s)K= =X(s) X(s) s+1s+1K K靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度( (靜態(tài)增益靜態(tài)增益) ) ，K= 1/aK= 1/a0 0時間常數(shù)，時間常數(shù)，= a= a1 1/a/a0 0傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章 對初始狀態(tài)為零的傳感器對初始狀態(tài)為零的傳感器,

31、, 當輸入一個單位階躍信號當輸入一個單位階躍信號1 1由由于于x x( (t t) )= =1 1( (t t) )， X X( (s s) )= = ， 傳傳感感器器輸輸出出的的拉拉氏氏變變換換為為s s11Y(s)=H(s)X(s)=1ss0 0t t0 0 x x ( ( t t ) ) = =1 1t t 0 0傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章一階傳感器的單位階躍響應信號為一階傳感器的單位階躍響應信號為 相應的響應曲線如圖相應的響應曲線如圖2-72-7所示。由圖可見所示。由圖可見, , 傳感器傳感器存在慣性存在慣性, , 它的輸出不能立即復現(xiàn)輸入信號它的輸出不能立即復現(xiàn)輸入

32、信號, , 而是從零而是從零開始開始, , 按指數(shù)規(guī)律上升按指數(shù)規(guī)律上升, , 最終達到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感最終達到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應只在器的響應只在t t趨于無窮大時才達到穩(wěn)態(tài)值趨于無窮大時才達到穩(wěn)態(tài)值, , 但實際上當?shù)珜嶋H上當t=4t=4時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的98.2%, 98.2%, 可以認為已達到可以認為已達到穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)。越小越小, , 響應曲線越接近于輸入階躍曲線響應曲線越接近于輸入階躍曲線, , 因此因此, , 值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。 -y(t)= 1 -et傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章傳感器原理及應用傳

33、感器原理及應用 第第2章章二階傳感器包含兩個儲能元件和一些耗能元件。如，二階傳感器包含兩個儲能元件和一些耗能元件。如，由質量、彈簧和阻尼器構成的加速度傳感器，可變由質量、彈簧和阻尼器構成的加速度傳感器，可變電感、分布電容和匹配電阻構成的位移傳感器，均電感、分布電容和匹配電阻構成的位移傳感器，均為經(jīng)典的二階系統(tǒng)。傳感器輸入為經(jīng)典的二階系統(tǒng)。傳感器輸入x(tx(t) )和輸出和輸出y(ty(t) )由二由二階微分方程相聯(lián)系：階微分方程相聯(lián)系： 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：3 3二階傳感器動態(tài)特性指標二階傳感器動態(tài)特性指標2 22 21 10 00 02 2d d y y( (t t) )d dy y( (

34、t t) )a a+ +a a+ +a a y y( (t t) )= = b b x x( (t t) )d dt td dt t2 22 2n n2 22 22 2n nn nk kY Y( (s s) )1 1= = =X X( (s s) )s s + +2 2 s s+ +s s + +2 2s s+ +1 1時間常數(shù)，時間常數(shù)， ； n n固有頻率固有頻率, ,n n=1/ =1/ 阻尼系數(shù)，阻尼系數(shù)， ； k k靜態(tài)靈敏度，靜態(tài)靈敏度，k k=b b0 0/ /a a0 0 (常取為常取為1)2 20 0= =a a / /a a1 10 02 2= = a a / / 2 2

35、a a a a傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=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=0二階傳感器幅頻與相頻特性二階傳感器幅頻與相頻特性（a a）幅頻特性）幅頻特性 （b b）相頻特性相頻特性 當當00時，在時，在=1=1處處A A() )趨近趨近無窮大，這一現(xiàn)象無窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著稱之

36、為諧振。隨著的增大，振蕩現(xiàn)的增大，振蕩現(xiàn)象逐漸不明顯。象逐漸不明顯。 當當0.7070.707時，時，不再出現(xiàn)振蕩，這不再出現(xiàn)振蕩，這時時A A() )將隨著將隨著的增大而單調(diào)下降。的增大而單調(diào)下降。阻尼系數(shù)的影響阻尼系數(shù)的影響A()傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章二階傳感器的階躍響應二階傳感器的階躍響應單位階躍響應通式單位階躍響應通式n n傳感器的固有頻率；傳感器的固有頻率；傳感器的阻尼比傳感器的阻尼比特征方程特征方程2222nnnn +2+2+ = 0= 0根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：1 1）0 01( 1(有有/ /欠阻尼欠阻尼)

37、)：該特征方程具有共軛復數(shù)根：該特征方程具有共軛復數(shù)根 / )1(22, 1j方程通解方程通解 2 22 2- -t t/ /1 12 23 31 1- -1 1- -y y( (t t) )= = - -e eA A c co os st t+ + A A s si in nt t + + A A根據(jù)根據(jù)t t, ,y ykAkA求出求出A A3 3；根據(jù)初始條件；根據(jù)初始條件, 0)0(, 0)0(, 0yyt求出A1、A2，則令x=A222222d y/dt +2d y/dt +2dy/dt+y = kAdy/dt+y = kA傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章其曲線如圖其曲線

38、如圖, ,這是一衰減振這是一衰減振蕩過程蕩過程,越小越小, ,振蕩頻率越振蕩頻率越高高, ,衰減越慢。衰減越慢。tw0.021ttmm1 (1 (過阻尼過阻尼) )：特征方程具有兩個不同的實根：特征方程具有兩個不同的實根/ )1(22, 12 22 22 22 22 22 2- - - -1 1- -+ + - -1 1+ + - -1 1- - - - -1 1y y= =k kA A 1 1+ +e ex xp pt t - -e ex xp pt t2 2 - -1 12 2 - -1 13) =1(3) =1(臨界阻尼臨界阻尼) )：特征方程具有重根：特征方程具有重根-1/,-1/,過

39、渡函數(shù)為過渡函數(shù)為 t ty y t t = =k kA A 1 1- -e ex xp p( (- -t t/ /) )- - e ex xp p( (- -t t/ /) )上兩式表明，當上兩式表明，當11時，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是時，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個時間常數(shù)相同，由兩個一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個時間常數(shù)相同，后者兩個時間常數(shù)不同。后者兩個時間常數(shù)不同。過渡函數(shù)為過渡函數(shù)為傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章杭州微圖視覺科技有限公司杭州微圖視覺科技有限公司趙工趙工 1385803497813858034978機器視覺系統(tǒng)機器視覺系統(tǒng) 工業(yè)相

40、機工業(yè)相機 傳感傳感器器 工業(yè)鏡頭工業(yè)鏡頭傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章2.2 2.2 傳感器的特性與主要性能指標傳感器的特性與主要性能指標 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標 傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)指標傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)指標傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章n定義：定義： 傳感器特性：指輸入傳感器特性：指輸入x x（被測量）與輸出（被測量）與輸出y y之間的關系之間的關系靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化極慢時的關系靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化極慢時的關系動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快地變化時的關系動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快地變化時的關

41、系2.2 傳感器的特性與主要性能指標傳感器的特性與主要性能指標2.2.1 1 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標 2 23 3n n0 01 12 23 3n ny y = = a a + +a a x x+ +a a x x + +a a x x + + +a a x x式中：式中：a a0 0輸入量輸入量x x為零時的輸出量為零時的輸出量; ; a a1 1, a, a2 2, , , a, an n非線性項系數(shù)非線性項系數(shù)。傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第第2章章1 1測量范圍和量程測量范圍和量程 傳感器所能測量到的最小被測量（輸入）傳感器所能測量到的最小被測量（輸入）x xminmin與最大被與最大被測量（輸入）測量（輸入）x xmaxmax之間