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1、第1页，本讲稿共32页 将被测非电量信号转换为与之有确定对应关将被测非电量信号转换为与之有确定对应关将被测非电量信号转换为与之有确定对应关将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器。器、换能器或探测器。器、换能器或探测器。器、换能器或探测器。1.2.1 1.2.1 1.2.1 1.2.1 传感器的定义传感器的定义传感器的定义传感器的定义第2页，本讲稿共32页3 1.2.2 1.2.2 1.2.2 1.2.2 传感器
2、的组成传感器的组成传感器的组成传感器的组成敏感敏感敏感敏感元件元件元件元件辅助电路辅助电路辅助电路辅助电路传感传感传感传感元件元件元件元件 被测被测被测被测非电量非电量非电量非电量 有用有用有用有用非电量非电量非电量非电量有有有有 用用用用电电电电 量量量量信号调节信号调节信号调节信号调节转换电路转换电路转换电路转换电路电电电电 量量量量图图图图1-1 1-1 1-1 1-1 传感器组成框图传感器组成框图传感器组成框图传感器组成框图第3页，本讲稿共32页敏感元件：敏感元件：敏感元件：敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与直接感受被测非电量并按一定规律转换成与直接感受被测非电量并按一定
3、规律转换成与直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。被测量有确定关系的其它量的元件。被测量有确定关系的其它量的元件。被测量有确定关系的其它量的元件。传感元件：传感元件：传感元件：传感元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电又称变换器。能将敏感元件感受到的非电又称变换器。能将敏感元件感受到的非电又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。量直接转换成电量的器件。量直接转换成电量的器件。量直接转换成电量的器件。第4页，本讲稿共32页敏感元件传感元件压力传感器示例压力传感器示例压力传感器示例压力传感器示例第5页，本讲稿共32页第6页，本讲稿共32页信号
4、调节与转换电路：信号调节与转换电路：信号调节与转换电路：信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转能把传感元件输出的电信号转能把传感元件输出的电信号转能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。路。路。路。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电路辅助电路辅助电路辅助电路通常
5、包括电源等。通常包括电源等。通常包括电源等。通常包括电源等。第7页，本讲稿共32页1 1 1 1按工作机理分类：根据物理和化学按工作机理分类：根据物理和化学按工作机理分类：根据物理和化学按工作机理分类：根据物理和化学 等学科的原理、规律和效应进行分类等学科的原理、规律和效应进行分类等学科的原理、规律和效应进行分类等学科的原理、规律和效应进行分类2 2 2 2按被测量分类：根据输入物理量的按被测量分类：根据输入物理量的按被测量分类：根据输入物理量的按被测量分类：根据输入物理量的 性质进行分类。性质进行分类。性质进行分类。性质进行分类。3 3 3 3按敏感材料分类：根据制造传感器按敏感材料分类：根
6、据制造传感器按敏感材料分类：根据制造传感器按敏感材料分类：根据制造传感器 所使用的材料进行分类。可分为半所使用的材料进行分类。可分为半所使用的材料进行分类。可分为半所使用的材料进行分类。可分为半 导体传感器、陶瓷传感器等。导体传感器、陶瓷传感器等。导体传感器、陶瓷传感器等。导体传感器、陶瓷传感器等。1.2.3 1.2.3 1.2.3 1.2.3 传感器的分类传感器的分类传感器的分类传感器的分类第8页，本讲稿共32页基本物理量派生物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速度振动、冲击、质量
7、等角加速度角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等时间频率周期、记数、统计分布等温 度热容量、气体速度、涡流等光光通量与密度、光谱分布等第9页，本讲稿共32页4.4.4.4.按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。为有源传感器和无源传感器两大类。为有源传感器和无源传感器两大类。为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转
8、换有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器。器。器。器。如如如如:压电式、热电式、电磁式等。压电式、热电式、电磁式等。压电式、热电式、电磁式等。压电式、热电式、电磁式等。第10页，本讲稿共32页无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非
9、电量仅对传感无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源(电能电能电能电能)。如如如如:电阻式、电容式和电感式等。电阻式、电容式和电感式等。电阻式、电容式和电感式等。电阻式、电容式和电感式等。5.5.5.5.其他：按用途、学科、功能和输出信号的性质等进其他：按用途、学科、功能和输出信号的性质等进其他：按用途、学科、功能和输出信号的性质等进其他：按用途、学科、功能和输出信号的性质等进行分类。行分类。
10、行分类。行分类。第11页，本讲稿共32页 从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入的关系和特性，从而，程式或函数表征传感器的输出和输入的关系和特性，从而，程式或函数表征传感器的输出和输入的关系和特性，从而，程式或函数表征传感器的输出
11、和输入的关系和特性，从而，用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的静态输入通常从传感器的静态输入通常从传感器的静态输入通常从传感器的静态输入-输出关系和动态输入输出关系和动态输入输出关系和动态输入输出关系和动态输入-输出关系输出关系输出关系输出关系两方面建立数学模型。两方面建立数学模型。两方面建立数学模型。两方面建立数学模型。1.3 1.3 1.3 1.3 传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述传感器的数学模型概述传感器的数学模
12、型概述第12页，本讲稿共32页1.3.1 1.3.1 静态模型静态模型静态模型静态模型 静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般如果不考虑蠕动效应和迟滞特
13、性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：可用多项式来表示：可用多项式来表示：可用多项式来表示：第13页，本讲稿共32页 1.3.2 1.3.2 1.3.2 1.3.2 动态模型动态模型动态模型动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数描述。动态模型通常采用微分
14、方程和传递函数描述。动态模型通常采用微分方程和传递函数描述。动态模型通常采用微分方程和传递函数描述。第14页，本讲稿共32页 1.1.1.1.微分方程微分方程微分方程微分方程 大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。统的一般方法是采用微分方程。统的一般方法是采用微分方程。统的一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数在实际的模型建立过程中，一
15、般采用线性常系数微分方程来描述输出量微分方程来描述输出量微分方程来描述输出量微分方程来描述输出量 y y和输入量和输入量和输入量和输入量 x x 的关系。的关系。的关系。的关系。第15页，本讲稿共32页 其通式如下：其通式如下：其通式如下：其通式如下：a an n,a an-n-1 1a a0 0和和和和b bmm,b bm-m-1 1b b0 0 为传感器的结构为传感器的结构为传感器的结构为传感器的结构参数。除参数。除参数。除参数。除b b0 0 0 0外，一般取外，一般取外，一般取外，一般取b b1 1,b b2 2b bmm为零为零为零为零.第16页，本讲稿共32页如果如果如果如果y y
16、(t t)在在在在t t00时，时，时，时，y y(t t)=0=0，则，则，则，则y y(t t)的拉氏变换可定义为的拉氏变换可定义为的拉氏变换可定义为的拉氏变换可定义为 2.2.传递函数传递函数传递函数传递函数 式中式中式中式中s s=+jj，00。对微分方程两边取拉氏变换，则得对微分方程两边取拉氏变换，则得对微分方程两边取拉氏变换，则得对微分方程两边取拉氏变换，则得第17页，本讲稿共32页定义输出定义输出定义输出定义输出y y y y(t t t t)的拉氏变换的拉氏变换的拉氏变换的拉氏变换Y Y(S S)和输入和输入和输入和输入x x(t t)的拉氏变换的拉氏变换的拉氏变换的拉氏变换X
17、 X(S S)的比为该系统的传递函数的比为该系统的传递函数的比为该系统的传递函数的比为该系统的传递函数HH(S S)，则，则，则，则对对对对y y(t t)进进进进行行行行拉拉拉拉氏氏氏氏变变变变换换换换的的的的初初初初始始始始条条条条件件件件是是是是t t00时时时时，y y(t t)=0)=0。对对对对于于于于传传传传感感感感器器器器被被被被激激激激励励励励之之之之前前前前所所所所有有有有的的的的储储储储能能能能元元元元件件件件如如如如质质质质量量量量块块块块、弹弹弹弹性性性性元元元元件件件件、电电电电气元件等均符合上述的初始条件。气元件等均符合上述的初始条件。气元件等均符合上述的初始条件
18、。气元件等均符合上述的初始条件。第18页，本讲稿共32页19对对对对于于于于多多多多环环环环节节节节串串串串、并并并并联联联联组组组组成成成成的的的的传传传传感感感感器器器器，若若若若各各各各环环环环节节节节阻阻阻阻抗抗抗抗匹匹匹匹配配配配适适适适当当当当，可可可可忽忽忽忽略略略略相相相相互互互互间间间间的的的的影影影影响响响响，传传传传感感感感器器器器的的的的等等等等效效效效传传传传递递递递函函函函数数数数可可可可按代数方式求得。按代数方式求得。按代数方式求得。按代数方式求得。显显显显然然然然HH(s s)与与与与输输输输入入入入量量量量x x(t t)无无无无关关关关，只只只只与与与与系系
19、系系统统统统结结结结构构构构参参参参数数数数有有有有关关关关。因因因因而而而而HH(s s)可可可可以以以以简简简简单单单单而而而而恰恰恰恰当当当当地地地地描描描描述述述述传传传传感感感感器器器器输输输输出出出出与与与与输输输输入入入入的的的的关关关关系。系。系。系。第19页，本讲稿共32页若传感器由若传感器由若传感器由若传感器由r r r r个环节串联而成个环节串联而成个环节串联而成个环节串联而成 对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。统的串联与并联。第20页，本讲稿共32页21若传感器由若传感器由若传感器由若传感器由
20、p p p p个环节并联而成个环节并联而成个环节并联而成个环节并联而成第21页，本讲稿共32页1.4.1 1.4.1 静态特性静态特性静态特性静态特性 1.4 1.4 1.4 1.4 传感器的基本特性传感器的基本特性传感器的基本特性传感器的基本特性1 1 1 1线线线线性性性性度度度度：输输输输出出出出量量量量与与与与输输输输入入入入量量量量之之之之间间间间的的的的实实实实际际际际关关关关系系系系曲曲曲曲线线线线偏偏偏偏离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示:max
21、max输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差最大偏差最大偏差最大偏差y yFSFS输出满量程值输出满量程值输出满量程值输出满量程值第22页，本讲稿共32页传感器的静态模型有三种有用的特殊传感器的静态模型有三种有用的特殊传感器的静态模型有三种有用的特殊传感器的静态模型有三种有用的特殊 形式：形式：形式：形式：（1 1）理想的线性特性理想的线性特性（2 2）仅有偶次非线性项仅有偶次非线性项（3 3）仅有奇次非线性项仅有奇次非线性项第23页，本讲稿共32页（1）（2）（3）三种形
22、式所呈现的非线性程度 图图图图1-2 1-2 1-2 1-2 三种特殊形式的特性曲线三种特殊形式的特性曲线三种特殊形式的特性曲线三种特殊形式的特性曲线 第24页，本讲稿共32页2.2.2.2.灵敏度：灵敏度：灵敏度：灵敏度：在稳态下输出增量与输入增量的比值：在稳态下输出增量与输入增量的比值：在稳态下输出增量与输入增量的比值：在稳态下输出增量与输入增量的比值：对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在非线性传感
23、器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。某一工作点的灵敏度。某一工作点的灵敏度。某一工作点的灵敏度。第25页，本讲稿共32页3.3.3.3.重复性：重复性：重复性：重复性：输入量按同一方向作输入量按同一方向作输入量按同一方向作输入量按同一方向作全程多次测试时，所得特全程多次测试时，所得特全程多次测试时，所得特全程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。性曲线不一致的程度。性曲线不一致的程度。性曲线不一致的程度。图图图图1-3 1-3 1-3 1-3 重复性重复性重复性重复性yx0Rmax2
24、Rmax1第26页，本讲稿共32页4.4.4.4.迟滞（回差滞环）现象：迟滞（回差滞环）现象：迟滞（回差滞环）现象：迟滞（回差滞环）现象：表明传感器在表明传感器在表明传感器在表明传感器在正向行程和反正向行程和反正向行程和反正向行程和反向行程期间，向行程期间，向行程期间，向行程期间，输出输出输出输出-输入特性输入特性输入特性输入特性曲线不重合的曲线不重合的曲线不重合的曲线不重合的程度。程度。程度。程度。H0 0 x x y yy yFSFS x xFSFS图图图图1-4 1-4 1-4 1-4 迟滞特性迟滞特性迟滞特性迟滞特性第27页，本讲稿共32页对对对对于于于于同同同同一一一一大大大大小小小
25、小的的的的输输输输入入入入信信信信号号号号x x，在在在在x x连连连连续续续续增增增增大大大大的的的的行行行行程程程程中中中中，对对对对应应应应某某某某一一一一输输输输出出出出量量量量y yi i，与与与与在在在在x x x x连连连连续续续续减减减减小小小小的的的的行行行行程程程程中中中中，对对对对应应应应某某某某一一一一输输输输出量出量出量出量y yd d之间的差值叫之间的差值叫之间的差值叫之间的差值叫滞环误差滞环误差滞环误差滞环误差，即所谓的迟滞现象。，即所谓的迟滞现象。，即所谓的迟滞现象。，即所谓的迟滞现象。在在在在整整整整个个个个测测测测量量量量范范范范围围围围内内内内产产产产生生
26、生生的的的的最最最最大大大大滞滞滞滞环环环环误误误误差差差差用用用用 mm表表表表示示示示，它它它它与与与与满量程输出值的比值称最大滞环率：满量程输出值的比值称最大滞环率：满量程输出值的比值称最大滞环率：满量程输出值的比值称最大滞环率：第28页，本讲稿共32页5 5 5 5分分分分辨辨辨辨率率率率与与与与阈阈阈阈值值值值 ：传传传传感感感感器器器器在在在在规规规规定定定定的的的的范范范范围围围围所所所所能能能能检检检检测测测测输输输输入量的最小变化量。入量的最小变化量。入量的最小变化量。入量的最小变化量。阈阈阈阈值值值值是是是是使使使使传传传传感感感感器器器器的的的的输输输输出出出出端端端端产
27、产产产生生生生可可可可测测测测变变变变化化化化量量量量的的的的最最最最小小小小被被被被测输入量值，即零点附近的分辨力。测输入量值，即零点附近的分辨力。测输入量值，即零点附近的分辨力。测输入量值，即零点附近的分辨力。6 6 6 6稳稳稳稳定定定定性性性性：在在在在室室室室温温温温条条条条件件件件下下下下，经经经经过过过过相相相相当当当当长长长长的的的的时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。第29页，本讲稿共32页7 7 7 7漂漂漂漂
28、移移移移：在在在在外外外外界界界界的的的的干干干干扰扰扰扰下下下下，输输输输出出出出量量量量发发发发生生生生与与与与输输输输入入入入量量量量无无无无关关关关的的的的、不需要的变化。不需要的变化。不需要的变化。不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移漂移包括零点漂移和灵敏度漂移漂移包括零点漂移和灵敏度漂移漂移包括零点漂移和灵敏度漂移 。零零零零点点点点漂漂漂漂移移移移和和和和灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度漂漂漂漂移移移移又又又又可可可可分分分分为为为为时时时时间间间间漂漂漂漂移移移移和和和和温温温温度度度度漂漂漂漂移。移。移。移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢时间漂移是指在规定
29、的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。变化。变化。变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。第30页，本讲稿共32页8 8 8 8静态误差（精度）静态误差（精度）静态误差（精度）静态误差（精度）静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与其静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与其静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与其静态误
30、差是传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。理论输出值的偏离程度。理论输出值的偏离程度。理论输出值的偏离程度。求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其标准偏差机分布，求出其标准偏差机分布，求出其标准偏差机分布，求出其标准偏差 ，取，取，取，取2 2 2 2 或或或或3 3 3 3 值即为传感器的静态误值即为传感器的静态误值即为传感器的静态误值即为传感器的静态误差。或用相对误
31、差表示：差。或用相对误差表示：差。或用相对误差表示：差。或用相对误差表示：也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项误差综合而得，即误差综合而得，即误差综合而得，即误差综合而得，即第31页，本讲稿共32页1.1.1.1.动态误差动态误差动态误差动态误差在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为动态误
32、动态误动态误动态误差差差差。1.4.2 1.4.2 1.4.2 1.4.2 动态特性动态特性动态特性动态特性 图图图图1-5 1-5 1-5 1-5 热电偶测温过程热电偶测温过程热电偶测温过程热电偶测温过程测试曲线测试曲线测试曲线测试曲线动态误差动态误差动态误差动态误差TtTT0tt0例：用一只热电偶测量某一例：用一只热电偶测量某一例：用一只热电偶测量某一例：用一只热电偶测量某一容器的液体温度容器的液体温度容器的液体温度容器的液体温度T T T T，若环境，若环境，若环境，若环境温度为温度为温度为温度为T T T T0 0 0 0，把置于环境温度，把置于环境温度，把置于环境温度，把置于环境温度之中的热电偶立即放入容器之中的热电偶立即放入容器之中的热电偶立即放入容器之中的热电偶立即放入容器中（若中（若中（若中（若T T T T T T T T0 0 0 0)。第32页，本讲稿共32页