第1章 引言 (传感器原理和其应用).ppt

第1章 引言 1.1 传感器的发展和作用 1.2 什么是传感器 1.3 传感器的分类 1.4 传感器的性能和评价 1.1 传感器的发展和作用 1.2 什么是传感器 定义1:一种以一定的精确度把被测量转换成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。 这一概念包括以下四方面含意： 1、传感器是测量装置，能完成信号获取任务。 2、它的输入量是一被测量，可能是物理量、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，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。 4、输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。 定义2：把非电量转换成电量的器件称为传感器。 1.2 什么是传感器 传感器与变送器的区别 按传统观念，传感器归入检测技术，变送器则属于自动化仪表。把非电量转换成电量的器件称为传感器。而变送器是从传感器发展起来的，凡能输出标准信号的传感器称为变送器。例；直流电流：4-20mA；0-10mA；电压：1-5V等，作为非标准信号的传感器，必须和特定的仪表或装置配套，才能实现检测和调节功能，例如：传感器+转换器方可输出标准信号。 1.3 传感器的分类 1.4 传感器的性能和评价 最小二乘法 原理：各次测量值的残余误差平方和最小。 如何求拟合直线： 令输出与输入满足下述关系：y=a+Kx（a和K的确定条件是使实际测量值与由方程给出的值y之间偏差为最小。假设实际校准有n个点，则第i个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为： 3. 灵敏度界限（阈值） 　　 输入改变Δx时, 输出变化Δy, Δx变小, Δy也变小。但是一般来说, Δx小到某种程度, 输出就不再变化了, 这时的Δx叫做灵敏度界限。  　　 存在灵敏度界限的原因有两个。一个是输入的变化量通过传感器内部被吸收, 因而反映不到输出端上去。 典型的例子是螺丝或齿轮的松动。螺丝和螺帽, 齿条和齿轮之间多少都有空隙, 如果Δx相当于这个空隙的话, 那么Δx是无法传递出去的。 4. 迟滞差 　　 输入逐渐增加到某一值, 与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等, 叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。 其值以满量程的输出YFS的百分数表示。  5. 稳定性 稳定性:传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。 理想特性的传感器是在加相同大小的输入量时，输出量总时大小相等。但实际上, 随着时间的推移, 大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化, 产生一种经时变化的现象。 分析传感器动态特性的步骤 1、写出微分方程； 2、拉氏变换—传递函数； 3、阶跃响应—动态误差； 4、写出频率特性—幅频特性、相频特性； 5、特性曲线——分析 1. 传递函数 　 　1) 定义 　　 假设传感器在输入输出存在线性关系的范围内使用,则可用线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性.在数学上用高阶常系数线性微分方程表示: 2) 系统的串联和并联 　 　两个各有G1(s)和G2(s)传递函数的系统串联后, 如果它们的阻抗匹配合适, 相互之间不影响彼此的工作状态, 如图1.4(a)所示, 则其传递函数为 3. 二阶（振荡）系统的动态响应 弹簧、 质量和阻尼振动系统（如图1.10 所示）及RLC串联电路是典型的二阶系统, 其微分方程如下: 相应的曲线如图1.11所示。  2） 二阶系统的阶跃响应 总结：传感器频率特性的好坏主要取决于传感器的固有频率ωn和阻力比ξ. 通常固有频率ωn至少应大于被测信号频率ω的3—5倍，即ωn≥（3—5） ω。 第一个脉冲的面积为f(0)Δτ,它的响应近似于幅值为f(0)Δτ的脉冲f(0)Δτδ(t)的响应, 即f(0)Δτg(t)。与此相类似, 第二个脉冲的面积为f(Δτ)Δτ, 它的响应近似于第二个脉冲f(Δτ)Δτδ(t-Δτ)的响应, 即f(Δτ)Δτg(t-Δτ)。 其中函数g(t)中的时间滞后Δτ, 是由于第二个脉冲发生在时刻Δτ, 更一般地, 与第n+1个脉冲相对应的脉冲发生在时刻nΔτ, 这个脉冲在时刻t的响应是 为求出h(t)的精确值,令Δτ趋于零; 因nΔτ=τ, 从而n趋于无限大。 这样Δτ→dτ, nΔτ→τ, 从而上述和式便变成了积分式 可见, 系统的时间响应, 就是该系统的脉冲响应与驱 动