传感器简介

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。 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:
l R A
（2）传递函数 H ( s ) 在初始条件为零的前提下，定义传递函数
Y(s) b ms m b m1s m1 b1s b0 H(s) X(s) a n s n a n 1s n 1 a1s a 0
其中s为复变量， s j 特点：
按被测量 结构型，如电容式，电阻应变片； 转换特征 （构成原 物性型，如压电式，水银温度计，双 理） 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
按能量传 递方式
按输出量
数字式
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， 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。 6.其它选用原则
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。
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
d 2 y (t ) dy (t ) c ky (t ) x(t ) 例2：求振动系统 m 2 dt dt
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
Y ( ) H ( ) X ( )
求法： (1)若已知 H ( s ),则在 s j中，令 s j ，将其代入 H ( s )
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
灵敏度漂移
x
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
d n y( t ) d n 1 y( t ) dy ( t ) an a ... a a 0 y( t ) n 1 1 n n 1 dt dt dt d m x(t) d m 1x ( t ) dx ( t ) bm b m 1 ...b1 b0 x(t) m m 1 dt dt dt
B 非线性度 ＝ 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
2 B i 最小的直线。
（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 ( )
拉普拉斯变换对
时域－脉冲响应函数 复数域－传递函数
h(t )
傅里叶变换对
H (s)
传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数的关系：
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 与标称的输出范围A之比。 即 回程误差 ＝
max
hi
max
A
100%
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。
例1:已知系统的幅频特性和相频特性如图，对于输入
x(t ) cos1t cos2t ，求输出 y(t ) ，判断是否失真。
A( )
1
( )
0
1 2
0

1t0 2t0
－t0

A( )
1
( )
0



4
0

例2:已知系统的输入 x(t ) cos1t cos2t ，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
l R A
1.结构：
R kl x
dR S kl dx
R k
dR S k d
2.测量电路：
不考虑外接电路影响时：
U0 U0 Uy Rx x Rp xp
U0 考虑外接电路影响时： U y x Rp x p (1 ) x R1 xp
（3）自动控制
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：
d n y (t ) d n 1 y (t ) dy(t ) an an 1 ... a1 a0 y (t ) n n 1 dt dt dt d m x(t ) d m 1 x(t ) dx(t ) bm b ... b b0 x(t ) m 1 1 m m 1 dt dt dt b0 y x Sx 在静态测量时， a0
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
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。 广州中鸣数码的机器狗
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 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
如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，
dR dL dA d R L A dR d (1 2 ) (1 2 ) R
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
平板电容
电容变化
测量电路
输出电压
4.分类 ：
Y ( ) (2)若已知微分方程，作傅里叶变换，则 H ( ) X ( )
即得 H ( )
(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。
Y ( ) e y Y ( ) j ( y x ) Y ( ) j ( ) H ( ) e A ( ) e X ( ) X ( ) X ( ) e j x
j
A( )
系统的幅频特性 系统的相频特性 Nhomakorabea ( )
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 ( ) 特性和相频特性及作图。
1 ，求其幅频 1 j
1 H ( ) 例２：设 x(t ) x0 cos0t ， ， 1 j 求系统的稳定输出。
（2）灵敏度 ☆
y S＝ 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
h(t)
H(s)
s=j
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 H 2 (s) 的环节串联，假设它们之间 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：
Y ( s) Z ( s) Y ( s) H ( s) H1 ( s ) H 2 ( s ) X ( s) X ( s) Z ( s)
不再是各组成环节传递函数的叠加或相乘。
R1
Rm
V
E
R2
三、 实现不失真测试的条件
一、不失真传输
x(t )
测试系统
y(t )
x(t )
y (t )
２ ３ １
０
ｔ
０ t0
ｔ
t0 ) 当输出信号为 y(t ) A0 x(t 时，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 ) A0 x(t t0 ) 傅里叶变换可得：Y ()＝A0 X ()e jt
0
系统的频率响应为
Y ( ) H ( ) A0 e jt0 X ( )
幅频特性： A( ) A0
相频特性： () －t0
测试系统不失真测试的条件。
A( )
( )
0
A0
0

－t0

思考题：若系统

A( ) A0
( ) 0
问此系统是否满足不失真测试条件？
若系统由n个环节串联而成，其传递函数为
n
H ( s) H i ( s)
i 1
n
相应地，系统的频率响应为 H ( ) H i ( )
其幅频特性： A( ) Ai ( )
i 1
n
i 1
相频特性： ( )
i( ) i
1
n
2.环节的并联
系统总输出为 H ( s) Y ( s) Y1 ( s)＋Y2 ( s) H1 ( s)＋H 2 ( s)
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。
透光率传感器
指纹传感器
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)。
温湿度传感器
温度传感器
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。
X ( s) X ( s)
若系统由n个环节并联而成，其传递函数为 H ( s) H i ( s)
i 1
n
系统的频率响应为
H ( ) H i ( )
i 1
n
某系统由于后接另一系统而产生的种种现象。 3.负载效应： 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
分类法 按被测量 种类 按工作原 理分类 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 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