传感检测技术及其应用 第1-3章

Y ( S ) bm S m + bm −1 S m −1 + L + b1 S + b0 G( s) = = X ( S ) a n S n + a n−1 S n−1 + LL a1 S + a0
其中 S = σ + jω 传递函数G(S)用于描述系统本身固有的特性， 传递函数G(S)用于描述系统本身固有的特性， G(S)用于描述系统本身固有的特性 而与输入量无关。 而与输入量无关。
优点： 优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态 响应。 响应。通解仅与传感器本身特性及初始条件有关 特解不仅与传感器的特性有关， ；特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入 量有关。 量有关。 缺点：求解麻烦， 缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传 感器的特性时显得更不方便。 感器的特性时显得更不方便。
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二、传感器的工作机理和分类 1.传感器工作机理 传感器工作机理 传感器的工作机理是基于各种物理、 传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生 物效应等，并受相应的定律和法则支配。 物效应等，并受相应的定律和法则支配。了解这些 定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应 传感器的开发。 传感器的开发。 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。 ＊守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律。 场的定律：如重力场、静电场、磁场等。 ＊场的定律：如重力场、静电场、磁场等。遵守场定 律的传感器可称为“结构型传感器” 律的传感器可称为“结构型传感器” 物质定律：表示物质本身内在性质的定律。 ＊物质定律：表示物质本身内在性质的定律。遵守物 质定律的传感器称为“物性型传感器” 质定律的传感器称为“物性型传感器”
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2.传感器的概念 2.传感器的概念 ＊传感器是人体五官—耳、眼、鼻、舌、皮肤的 耳
工程模拟物。 工程模拟物。
＊传感器广义概念是一种以一定的精确度将被测量转 传感器广义概念是一种以一定的精确度将被测量转 换为与之有确定对应关系的、 换为与之有确定对应关系的、易于精确处理 和测量 的某种物理量的测量部件或装置。 的某种物理量的测量部件或装置。 传感器狭义概念是能把外界非电信号转换为电信号 ＊传感器狭义概念是能把外界非电信号转换为电信号 输出的器件或装置。 输出的器件或装置。 随着科学技术的进步，传感器的“可用信号” ＊随着科学技术的进步，传感器的“可用信号”内涵 也会随之改变，如人们跨入光子时代，光信号将成 也会随之改变，如人们跨入光子时代，光信号将成 为更便于快速、高效处理与传输的“可用信号” 为更便于快速、高效处理与传输的“可用信号”了。
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需要外加电源才能将被测信号转化为电量，能量控 需要外加电源才能将被测信号转化为电量， 制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感） 制型传感器本身参数的改变（如电阻、电容、电感） 不起换能作用。 不起换能作用。
＊按输出信号的形式分类
▽模拟式：传感器输出模拟信号。大多传感器如此 模拟式：传感器输出模拟信号。 数字式：传感器输出数字信号。 ▽数字式：传感器输出数字信号。如编码器式传感 器。 工程习惯上常根据工作原理和被测量命名传感 工程习惯上常根据工作原理和被测量命名传感 电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。 器，电感式位移传感器，电容式加速度传感器等。
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▽化学型：利用电化学反应原理把有机和无机的化 化学型： 学物质的成分、 学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器 。 如接触燃烧气敏传感器等。 如接触燃烧气敏传感器等。 生物型： ▽生物型：利用生物功能物质作识别器件制成的传 感器。如酸度计传感器等。 感器。如酸度计传感器等。 ＊按能量转换关系分类 能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器） ▽能量转换型（无源型、发电型或主动型传感器） 不需要外加电源而将被测量转化为电量输出， 不需要外加电源而将被测量转化为电量输出，但其 负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、 负载能力有限，应用时需要注意。如热电偶、压电 式传感器等。 式传感器等。 能量控制型（有源型、被动型传感器） ▽能量控制型（有源型、被动型传感器）
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y
y
y
y
o
o
x x
o
x
o
x
(a) (a) (b) (c) (d)
(b)
(c)
(d)
y = a1 x
y = a1 x + a 3 x + a5 x + L
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y = a1 x + a 2 x 2 + a4 x 4 + L
y = a1 x + a 2 x 2 + a 3 x 3 + L
表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线 表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线
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2.动态数学模型 2.动态数学模型 传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变 输入量作用时，其输出－输入之间的关系， 输入量作用时，其输出－输入之间的关系，通常称 为响应特性。 为响应特性。 有些传感器虽然有良好的静态特性，但由于传 有些传感器虽然有良好的静态特性， 感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素， 感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素，使传感器 的输出量不仅与输入量有关， 的输出量不仅与输入量有关，而且还与输入量的变 化速度等有关，所以将导致严重的动态误差， 化速度等有关，所以将导致严重的动态误差，这就 必须认真研究传感器的动态响应特性，为此建立的 必须认真研究传感器的动态响应特性， 数学模型称为动态模型。常用的动态方程有： 数学模型称为动态模型。常用的动态方程有：微分 方程、传递函数、频率响应函数。 方程、传递函数、频率响应函数。
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（3）频率响应函数（频域内） 频率响应函数（频域内） 对于传感器或系统，其频率响应函数为： 对于传感器或系统，其频率响应函数为：初始条件为 零时，输出的傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比， 零时，输出的傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比， 即 m m −1
G( jω ) = G( S ) S = jω = bm ( jω ) + bm−1 ( jω ) + L+ b1 ( jω ) + b0 an ( jω )n + an−1 ( jω )n−1 + La1 ( jω ) + a0
的实部和虚部分开， 如将 G(jω)的实部和虚部分开，则有 G(jω)= P(ω)+ jQ(ω) 其中，P(ω)和 Q(ω)都是 的实函数， 其中，P(ω)和 Q(ω)都是ω的实函数，以频率ω为 横坐标， P(ω)和Q(ω)为纵坐标所绘的图形分别称 横坐标，以P(ω)和Q(ω)为纵坐标所绘的图形分别称 为系统的实频特性图与虚频特性图。 为系统的实频特性图与虚频特性图。 又若将G( 又若将G(jω)写成 G(jω)=A(ω)ejφ(ω) 其中
一、传感器测技术概念
1.传感检测技术作用（意义、重要性） 传感检测技术作用（意义、重要性） 传感检测技术作用 在自然界、社会生活、生产实践、 在自然界、社会生活、生产实践、科学实验等 活动中，存在各种各样的量， 活动中，存在各种各样的量，需要知道他们的存在 和大小。有些量大到能够被人们感知，有些量较小， 和大小。有些量大到能够被人们感知，有些量较小， 不能被人们感知。要测出人们感兴趣量的大小，就 不能被人们感知。要测出人们感兴趣量的大小， 要用到对这些量敏感的传感器，信号处理（调理） 要用到对这些量敏感的传感器，信号处理（调理） 电路， 电路，检测技术等…
传感检测技术 及其应用及其应用-研究生
郑州大学机械工程学院 机电一体化研究所 刘武发
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本课程的主要内容
1.常用传感器原理 1.常用传感器原理 3.传感器信号处理电路 3.传感器信号处理电路 4.典型传感器应用 4.典型传感器应用
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第1－3章 传感检测技术基础
压电式、磁电式传感器等。 压电式、磁电式传感器等。
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＊按工作机理分类 ▽物性型：依靠敏感元件本身的物理化学性质的变 物性型： 化实现信号变换。如压阻式传感器、 化实现信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器 等。 ▽结构型：依靠传感器结构参量的变化实现信号转 结构型： 如电容式、电感式传感器等。 换。如电容式、电感式传感器等。 ＊按基本效应分类 物理型： ▽物理型：利用某些变换元件的物理性质或某些功 能材料的特殊性能制成的传感器。 温度传感器。 能材料的特殊性能制成的传感器。如PN温度传感器。 温度传感器
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1.静态数学模型 1.静态数学模型 指在静态信号作用下（即输入量对时间t 指在静态信号作用下（即输入量对时间t的各阶导 数等于0 得到的数学模型。 数等于0）得到的数学模型。其静态数学模型为
y = a0 + a1 x + a 2 x 2 + L + a n x n 输入量； 式中 x − 输入量； y − 输出量； 输出量； a0 − 传感器零位输出； 传感器零位输出； a1 − 传感器的灵敏度； 传感器的灵敏度； a1 L a n − 非线性项待定常数。 非线性项待定常数。
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（1）微分方程（时域内） 微分方程（时域内）
dmx d m −1 x dx dny d n −1 y dy + a0 y = bm m + bm −1 m −1 + ... + b1 + b0 x a n n + a n −1 n−1 + ... + a1 dt dt dt dt dt dt
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＊统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来的法则。 统计法则：把微观系统与宏观系统联系起来的法则。 2.传感器的分类 2.传感器的分类 ＊按被测量分类 该分类法明确了传感器的用途， 该分类法明确了传感器的用途，便于使用者选 明确了传感器的用途 择传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、 择传感器，如位移传感器、力传感器、温度传感器、 压力传感器、流量传感器、速度传感器等。 压力传感器、流量传感器、速度传感器等。 ＊按工作原理分类 表明了传感器的工作原理， 该分类法清楚地 表明了传感器的工作原理，有 利于传感器的设计和应用， 电阻式、电感式、电容式、 利于传感器的设计和应用，如电阻式、电感式、电容式、