传感器技术ppt课件

bmddmxm t(t)bm1ddm1m tx(1t)..b.1dd(xtt)b0x(t)
在静态测量时，
y b0 x Sx a0
理想定常线性系统呈单调、线性比例的关系，即输入、输出
关系是一条理想的直线，斜率为常数。
.
2、实际测试系统输入输出之间的关系 实际测试系统是非理想定常线形系统，输入输出之间的关系
.
4.分类 ：
分类法 按被测量
种类 按工作原
理分类
按被测量 转换特征 （构成原
理）
按能量传 递方式
按输出量
型式 位移、温度、压力、流量 应变式、电容式、电感式、压电式、
光电式 结构型，如电容式，电阻应变片；
物性型，如压电式，水银温度计，双 金属片
能量控制型，如RLC式
能量转换型，如热电偶温度计 模拟式 数字式
与标称的输出范围A之比。 即 回程误差 ＝hi max 100%
A
.
5.漂移：指测试系统在输入不变的条件下，输出随时间而变化 的趋势。
产生原因：仪器自身结构参数的变化； 周围环境的变化（如温度、湿度等）对输出的影响。
最常见的漂移是温漂，即由于周围的温度变化而引起输出的变化。
进一步引起测试系统的灵敏度和零位发生漂移。
y
y
y0
0
零点漂移
x
0
x
.
灵敏度漂移
二、传感器的动态特性 传感器的动态特征是指在输入量随时间变化时,测试系统对输
入信号的响应特性。
1、动态特性的描述方法 （1）时域微分方程
andndyn(tt)an1dnd1nyt(1t)...a1ddy(tt)a0y(t) bmdm dxm t(t)bm1dm d1m tx(1t)..b.1ddx(tt)b0x(t)
n
H() Hi()
.
i1
3.负载效应：某系统由于后接另一系统而产生的种种现象。 实际情况下各环节相联时，后环节总是成为前环节的负载，
环节间总是存在着能量交换和相互影响，以致系统的传递函数 不再是各组成环节传递函数的叠加或相乘。
R1
Rm
R2
V
E
.
三、 实现不失真测试的条件
一、不失真传输
x(t)
y(t)
.
激励装置
被测 对象
传 感 器
信号 调理
信号 处理
显示 纪录
观察者
反馈、控制
简单测试系统(红外体温)
复杂测试系统(振动测量)
.
3. 传感器的构成
（1）组成：振动膜片、刚 性极板、电源和负载电阻
（2）原理 ： 振膜—一次敏感元件 电容器—敏感元件
被测声压
振膜
极距变化
电容变化
输出电压
平板电容
测量电路
Bi2 最小的直线。
.
（2）灵敏度 ☆ S＝ y x
作用：用来描述测试系统对输入信号变化的一种反应能力。 1、对于定常线性系统，其灵敏度恒为常数。 2、实际的测试系统，灵敏度为定度曲线上该点处切线的斜率。 3、量纲：取决于输入和输出量的单位。
.
（3）分辨力：测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。 通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。 数字测试系统－－输出显示系统的最后一位 模拟测试系统－－输出指示标尺最小分度值的一半 （4）回程误差：同一输入量的两条定度曲线之差的最大值 hi max
复数域－传递函数 H (s)
拉普拉斯变换对 傅里叶变换对
.ห้องสมุดไป่ตู้
传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数的关系： h(t)
s=j
H(s)
H()
.
二、环节的串联和并联 任何高阶系统均可看成若干个一阶系统或二阶系统的串联或并联。
1.环节的串联 两个传递函数分别为 H1(s) 和H2(s) 的环节串联，假设它们之间
0
()
0
4
例2:已知系统的输入 x(t)co 1 ts co 2ts，判断是否失真。
例3:已知系统的输入 x(t)cos0t ，判断是否失真。
.
电阻式传感器
一、变阻式传感器 1.结构：
R l
A
R kl x
S
dR dx
kl
R k
dR
.
S d k
2.测量电路：
不考虑外接电路影响时：
Uy
U0 Rp
1.原理：压阻效应
dR R(12)dd
d
L
LE
灵敏度：
S0
dR/
R
LE
.
两种应变片在工作原理上的区别： 金属应变片－金属材料受力后几何变形→电阻的相对变化 半导体应变片－半导体材料受力后电阻率变化→电阻的相对变化 2.特点： 优点：灵敏度高，分辨率高，横向效应，机械滞后小。 缺点：温度稳定性差，在较大应变下，非线性误差大。
H () Y X ( () ) Y X ( () )e e jj y x Y X ( () )e j( y x ) A () e j( )
A() 系统的幅频特性
() 系统的相频特性
H() 描述系统的简谐输入和其稳态输出的关系，不包含瞬
态响应信息。
例1:已知系统的频率响应函数 H() 1 ，求其幅频 1 j
.
说明
这种分类便于传感器的 管理
以传感器对信号转换的 原理命名
通过改变传感器元件的 参数实现信号转换。
依靠敏感元件本身物理 性质随被测量变化实现
信号转换。
传感器输出能量由外部 供给，但受被测量控制。
传感器输出量直接由被 测量能量转换而得。
输出量为模拟信号
输出量为数字信号
5 .传感器选用原则 1.灵敏度：传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量，
是通过实验方法测到的，通常是一条曲线——定度曲线。 3、描述静态特性的参数 （1）非线性度：定度曲线与拟合直线的接近程度。 常用百分数表示 非线性度 ＝B 100% A
.
拟合直线的确定，常用的主要有两种：端基直线和独立直线。 （1）端基直线是指通过测量范围的上下限点的直线。 显然用端基直线来代替实际的输入、输出曲线，其求解过程 比较简单，但是其非线性度较差。 （2）独立直线是指使输入与输出曲线上各点的线性误差
6.其它选用原则
.
6. 传感器技术的应用
1、日常生活
在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用 了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。
全自动洗衣机中的传感器： 衣物重量传感器，衣质传 感器，水温传感器，水质 传感器，洗净度传感器, 液位传感器，电阻传感器 (衣物烘干检测)。
透光率传感器 指纹传感器
没有能量交换，在初始条件为零的情况下，串联后的系统传递函 数为：
H (s ) Y X ( ( s s ) ) X Z ( (s s ) )Y Z ( (s s ) ) H 1 (s )H 2 (s )
.
n
若系统由n个环节串联而成，其传递函数为 H(s) Hi(s) i1
相应地，系统的频率响应为
n
H() Hi()
特性和相频特性及作图。
.
例２：设
x (t) x 0co0 t，sH()
1，
1 j
求系统的稳定输出。
（4）脉冲响应函数
系统的输入为单位脉冲函数,即 x(t)(t)时，系统的输出
即为脉冲响应函数 h (t )。它是对测试系统动态特性的时域描述。
系统的动态
特性描述
频域－频率响应函数 H () 时域－脉冲响应函数 h (t )
测试系统
x(t)
０
y (t )
２
３ １
ｔ
０ t0
ｔ
当输出信号为 y(t)A0x(t时t0)，系统就实现了不失真传输。
.
二、不失真测试条件
输入为 x (t ) ，输出为 y(t)A0x(tt0)
傅里叶变换可得：Y()＝ A 0X()ejt0
系统的频率响应为 H()Y X(( ))A0ejt0
幅频特性： A()A0 相频特性： ()－t0
测试系统不失真测试的条件。
A()
()
A0
0
0
－t0
.
思考题：若系统 A()A0 问此系统是否满足不失真测试条件？ ()0
例1:已知系统的幅频特性和相频特性如图，对于输入
x(t)co 1 ts co 2ts，求输出 y(t)，判断是否失真。
A()
1
0
()
1 2
0
1t0
2t0
－t0
.
A()
1
Rm1 l1 A 12 0A 03 l3 A 32 0A 0
于是， L N 20 A0 2
1.变气隙式：
灵敏度 SN20A0 常数 22
特点：灵敏度高，线性误差小，适于
测小位移。
.
2.变面积式
灵敏度
S N20 ＝常数 2
若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时
的电阻为R，则:
R l
A
.
如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，
dR dLdAd R LA
d R R(12)d (12)
灵敏度： S0 dR/R(12)
3.特点： 金属应变片的灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用于对 精度要求较高的测量。
.
三、压阻式传感器
香港理工AGV自动送货车模型
.
（4）故障诊断
石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄露检测。
.
（5）其他应用
航天
农业
交通
医疗
.
第二章 传感器的基本特性 一、静态特性：在静态测量情况下描述实际测试系统与理想定
常线性系统的接近程度 。
1、理想定常线性系统输入输出关系：
anddnyn(tt)an1ddn1nty(1t)... a1ddy(tt)a0y(t)
3.类型：半导体应变式传感器、扩散型压阻式传感器
.
三、应变片的应用 1.直接测定结构的应变或应力。 2.作为传感器的测量参数。
四、转换电路
应变 R 电压或电流的变化
R
.
4.4 电感式传感器 一、可变磁阻式传感器
变气隙式
按结构型式 变面积式 螺管式
.
线圈自感量为
L N2 Rm
当气隙较小，且不考虑磁路的铁损时，总磁阻
H () Y () X ()
(1)若已知 H ( s ) ,则在 sj中，令 s j ，将其代入 H ( s )
即得 H ( )
(2)若已知微分方程，作傅里叶变换，则 H () Y () X ()
(3)用实验方法求得：在初始条件全为零的条件下，同时测得
输入和输出，由其傅里叶变换求得。
.
物理意义：描述了系统的频率特性。
.
求法：对系统的微分方程作拉普拉斯变换求得。
例1：求一阶系统的传递函数，系统微分方程为
dy(t) y(t)x(t)
dt 例2：求振动系统 md2 dy t2 (t)cdy d(tt)ky(t)x(t)
的传递函数。
.
（3）频率响应函数 H ( ) 在初始条件为零的前提下，定义频率响应函数
求法：
即被测量稍有微小变化时，传感器即有较大的输出。 2.线性范围：线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。
3.响应特性：在所测频率范围内尽量保持不失真。
4.稳定性：经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。 影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
5.精确度:表示传感器的输出与被测量的对应程度。 传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择。
Rx
U0 xp
x
考虑外接电路影响时：
Uy
U0 x p Rp (1
x)
x R1
xp
.
3.特点： (1)结构简单、使用简便、稳定性好。 (2)分辨力低，受电阻丝直径的限制。适合大位移的测量。 (3)噪声大。
二、电阻应变式传感器
1.结构：丝式、箔式、金属膜片
2.工作原理：基于金属的电阻应变效应。
.
（2）传递函数H ( s ) 在初始条件为零的前提下，定义传递函数
H (s)X Y ( (s s) )b a m n s sm n b an m 1 1 s sn m 1 1 a b 1 s 1 s a b 00
其中s为复变量， sj
特点： H ( s ) 只反映系统本身的输出特性,与输入和初始状态无关。 H ( s ) 只反映系统的传输特性,与系统具体的物理结构无关。 H ( s ) 分母中的最高次幂n代表系统微分方程的阶数。
i1
其幅频特性：
n
A() Ai()
i1
相频特性：
()
n
i()
i1
2.环节的并联
系统总输出为 H (s ) Y X ( ( s s ) ) Y 1 (s X ) ＋ (s Y ) 2 (s ) H 1 (s ) ＋ H 2 (s )
n
若系统由n个环节并联而成，其传递函数为 H(s) Hi(s)
i1
系统的频率响应为
第一章 传感器技术概述 1. 传感器定义
传感器——将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物 理量的装置。
被测量
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从 狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信 号的装置。
.
2.传感器的作用
人体系统与机器系统的对应关系 传感器——类似于人的感觉器官，是人类感官的延伸。 作用：将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。
. 温湿度传感器
温度传感器
2、机械行业
（1）产品质量测量
在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其 性能质量进行测量和出厂检验。
机床加工精度测量
汽车扭距测量
.
（2）新产品开发
广州中鸣数码的机器狗
（3）自动控制
转动/移动位置传感器、力传感器、 视觉传感器、听觉传感器、接近距 离传感器、触觉传感器、热觉传感 器、嗅觉传感器。