[法学]第一章 传感器的概念及特性.ppt

1 传感器的定义 定义：能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。 作用：将被测非电量转换成便于放大、记录。 传感器的组成 ① 敏感元件(或称预变换器，也统称弹性敏感元件) 将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。 弹性敏感元件是传感器的心脏部分，它常由金属或非金属材料做成，当承受外力作用时，它会产生弹性变形；当去除外力后，弹性变形消失并能完全恢复其原来的尺寸和形状。 ② 传感元件 凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电量的器件称为传感元件（或称变换元件）。 如应变计、压电晶体、压磁式器件、光电元件及热电偶等。传感元件是利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。 说明: 并不是所有的传感器都包括敏感元件和传感元件两部分。 如热敏电阻、光电器件等。合二为一的传感器：如固态压阻式压力传感器等。 3 传感器的分类 按输入量分：传感器以被测物理量的命名 按工作原理分：传感器以工作原理命名 例如：气体压力传感器 由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一。直接能将被测量转换为电量输出。 压电传感器、光电池。热敏电阻等。 传感器技术的发展方向 新现象、新材料、新工艺、智能化传感器 传感器实例 温度传感器 压力传感器 传感器的特性 传感器的静态特性 静态特性主要指标 线性度 迟滞 重复性 灵敏度和灵敏度误差 分辨率和阈值 稳定性 温度稳定性 抗干扰能力 静态误差 （5）最小二乘直线拟合 基本含义：直线方程的形式为y=kx+b，且对于各个标定点（xi，yi）偏差的平方和最小的直线； 分辨率是指测量系统能测量到输入量最小变化的能力。 传感器的动态特性 ①一阶系统的零输入响应 ②一阶系统的冲激响应 ①二阶系统的零输入响应 ②二阶系统的冲激响应 典型例：图2-9所示弹簧－质量－阻尼系统其微分方程为 改写为 式中 m——系统运动部分的质量； c——阻尼系数； k——弹簧刚度； ——系统的固有圆频率； ——系统的阻尼比系数 cc——临界阻尼系数， 。 动态特性讨论： 图2-10为二阶测量系统的频率响应特性曲线。可见系统的频率响应特性好坏，取决于系统的固有频率 和阻尼比 。 频域分析 （1） ＜1， 时， 幅频特性平直，输出与输入为线性关系； 很小， 与 为线性关系。 系统的输出y(t)真实准确地再现输入x(t)的波形，这是测试设备应有的性能。 结论：为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形，在传感器设计或测量系统设计时，必须使其阻尼比 ＜1，固有圆频率 至少应大于被测信号频率 的（3～5）倍，即 ≥(3～5) 。 时域响应 自学 ③二阶系统的阶越响应 二阶系统的阶跃响应 * * * * * * 传感器的组成和分类 2 传感器的组成 膜盒 差动电感 电桥电路 气体压力传感器组成框图 P S L U0 mV T T0 B A 热电偶 I hf G 光电池 f + + + + + – – – – – Q 压电传感器 R RT R0 R U0 Ui 热敏电阻传感器 人与机器的机能对应关系图 外 界 对 象 感官 传感器 人脑 微机 肢体 执行器 传感器的作用和地位 液位传感器 静态特性：输入量为常量或变化极慢时传感器输入——输出特性。 动态特性：输入量随时间变化时的传感器的输入——输出特性。 传感器的静态特性 传感器的静态特性：通过静态标定，可得到测量系统的响应值yi和激励值xi之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。 传感器的静态特性可以用一个多项式方程表示，即 称为传感器的静态数学模型 非线性误差： ：非线性最大偏差 ：满量程输出 一、线性度 定义：在采用直线拟合线性化时，输入输出的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，称为非线性误差。 （3）端点连线 （2）过零旋转拟合 （1）理论拟合 （4）端点平移线 计算方法：n个测量点（xi，yi），第i个校准数据yi与拟合直线上相应值之间的残差为 根据平方和最小原理即 从而求得k和b的值 为最小值，即 二、迟滞 迟滞特性曲线 迟滞：亦称滞后量、滞后或回程误差，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大(