现代传感器技术概述PPT.ppt

传感器原理 授课教师：彭杰纲 ;基本情况;传感器概述;传感器应用领域;传感器定义（1）;传感器定义（2）;二、传感器的分类 ;传感器的分类（1）;按工作机理分类;传感器的分类（2）;按原理分类的传感器;按用途分类的传感器;传感器的分类（3）;三、传感器基础知识;传感器基础知识（1）;3.1、传感器静态特性;传感器静态特性（1）;线性度;图1-2 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 ;不同的拟合方式;测量范围;传感器静态特性（2）;传感器静态特性（3）;传感器静态特性（4）;分辨力;传感器静态特性（5）;3.2、传感器动态特性;传感器的动态特性（1）;动态输入信号;为了说明传感器的动态特性, 下面简要介绍动态测温的问题。 在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下, 都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计）, 这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t, 而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t℃需要经历一段时间, 即有一段过渡过程, 如图 1 - 9 所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。 ;图1-7 动态测温;造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻, 使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。 这种热惯性是热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有, 只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。 动态特性除了与传感器的固有因素有关之外, 还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动特性时, 通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。  ;时域分析法;传感器的动态特性（2）;一阶传感器 瞬态响应特性 传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时, 有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法, 传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。  1) 一阶传感器的单位阶跃响应 在工程上, 一般将下式: ; 视为一阶传感器单位阶跃响应的通式。 式中x(t)、 y(t)分别为传感器的输入量和输出量,均是时间的函数, 表征传感器的时间常数, 具有时间“秒”的量纲。  一阶传感器的传递函数： ;一阶传感器的单位阶跃响应信号为  y(t)=1-e-  相应的响应曲线如图1-9所示。 由图可见, 传感器存在惯性, 它的输出不能立即复现输入信号, 而是从零开始, 按指数规律上升, 最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值, 但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%, 可以认为已达到稳态。τ越小, 响应曲线越接近于输入阶跃曲线, 因此, τ值是一阶传感器重要的性能参数。 ;图1-9 一阶传感器单位阶跃响应; 2) 二阶传感器的单位阶跃响应 二阶传感器的单位阶跃响应的通式为 ;传感器输出的拉氏变换:  H(s)=H(s)X(s)= ;图1-10 二阶传感器单位阶跃响应;阶跃响应过渡过程中的特性参数;频率响应特性;频率响应（1）;频率响应（2）; 2. 频率响应特性 传感器对正弦输入信号X(t)=Asin(ωt),的响应特性, 称为频率响应特性。 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。 1) 一阶传感器的频率响应 将一阶传感器的传递函数中的s用jω代替后, 即可得频率特性表达式, 即 ; 从式两式和图1-11看出, 时间常数τ越小, 频率响应特性越好。当ωτ 1时, A（ω）≈1, Φ（ω）≈0, 表明传感器输出与输入为线性关系, 且相位差也很小,输出y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。 因此, 减小τ可改善传感器的频率特性。  ; 2) 二阶传感器的频率响应 二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为 ; 图 1 - 12 为二阶传感器的频率响应特性曲线。 从上述