传感器原理第一讲 精选PPT.ppt

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1、传感器原理第一讲 第1页，此课件共54页哦 1.工作原理模型敏感元件转换元件测量电路电源被测量输出量转换元件(a)自源型输入输出热电偶-+第2页，此课件共54页哦(b)辅助能源型转换元件辅助电源输入输出第3页，此课件共54页哦l(C)补偿型环境影响转换元件转换元件转换电路电源输入输出环境影响转换元件转换元件转换电路电源输入输出差动补偿参比补偿第4页，此课件共54页哦 2.传感器的分类 1）依据输入量：压力，温度，速度，电荷，角度，气味 2）依据材料：半导体，陶瓷，金属，光纤，高分子 3）依据工作原理：电感式，电容式，应变式，压电式 4）依据基本效应：物理型，化学型，生物型 5）第5页，此课件共

2、54页哦二.传感器的一般数学模型和特性 1）静态模型 忽略迟滞和蠕变 ：输入量：输出量 ：零位输出 ：传感器的灵敏度：非线性项的待定常数迟滞：输入量正行程（增加）和反行程（减少）过程中，输出输入曲线的不重合现象蠕变：输出输入值随时间而变化的现象第6页，此课件共54页哦：当时，特点：通过原点直线方程线性灵敏度越大，越灵敏第7页，此课件共54页哦 例：y10-.18-.080.11.813 3x-1-.68-.5-.10.1.51第8页，此课件共54页哦 特点:线性差 不对称 原点附近有近似线性范围，但很窄。具有奇次项非线性第9页，此课件共54页哦 列：Y-3-0.65-0.1000.10.653

3、 x-1-0.5-0.100.10.51第10页，此课件共54页哦特点：通过原点 对称 原点附近在较大范围内近似线性第11页，此课件共54页哦 “a”均不为零特点：通过原点；原点附近在一定范围内 有线性近似。y 1-.344-.09 0.111.925x-1-.5-.01 0.1.51第12页，此课件共54页哦 2 2）静态特性指标）静态特性指标 静态特性：被测量稳态下的输出输入关系静态特性：被测量稳态下的输出输入关系 线性度：校准曲线与拟合直线间最大偏差线性度：校准曲线与拟合直线间最大偏差 与满量程输出值的百分比。与满量程输出值的百分比。a)a)校准曲线校准曲线：即实测值。：即实测值。测试条

4、件：标准大气压测试条件：标准大气压101.3+/-8KPa101.3+/-8KPa 温度：温度：2020（+/-)5C+/-)5C 相对湿度：相对湿度：85%85%无震动、无冲击、无加速度无震动、无冲击、无加速度 测试方法：一定等级标准器给出输入量测试方法：一定等级标准器给出输入量 测取相应输出量测取相应输出量 绘制成校准曲线绘制成校准曲线 拟合直线拟合直线：替代校准曲线的使输出输入线性化的直线：替代校准曲线的使输出输入线性化的直线 第13页，此课件共54页哦 b)表示：线性度表示：线性度 校校-拟间最大偏差拟间最大偏差 无输入时的输出无输入时的输出 c)拟合方法：拟合方法：拟合方法不同，线性

5、度表征值也不同拟合方法不同，线性度表征值也不同 理论拟合：拟合直线为理论直线（理论拟合：拟合直线为理论直线（0-满量程）满量程）端基拟合：把校准曲线两端点连线作为拟合直线端基拟合：把校准曲线两端点连线作为拟合直线 最佳拟合：使正负偏差相等最佳拟合：使正负偏差相等 最小二乘法：最小二乘法：第14页，此课件共54页哦 理论拟合 端点拟合 最佳拟合（理论线性度）（端基线性度）(独立线性度）第15页，此课件共54页哦第16页，此课件共54页哦 最小二乘法：原理：使各点误差的平方和为最小 设：有几个校准点 假定拟合直线为：对应于各个校准点，拟合直线与校准点的误差为求其最小：第17页，此课件共54页哦可以

6、求出：第18页，此课件共54页哦 灵敏度灵敏度 k(x)k(x)定义：稳态下，输出变化量与定义：稳态下，输出变化量与 输入变化量之比。输入变化量之比。理想传感器：理想传感器：一般传感器：其拟合的直线斜率一般传感器：其拟合的直线斜率K K非线性误差大时：非线性误差大时：影响灵敏度的因素：影响灵敏度的因素：工作点工作点 输入量输入量灵敏度界限：使输出变化的输入最小变化值灵敏度界限：使输出变化的输入最小变化值movie/movie/电影片段电影片段/vite-divx-ai.cd1.mpg/vite-divx-ai.cd1.mpg电影片段电影片段vite-vite-divx-ai.cd1.mpgdi

7、vx-ai.cd1.mpg第19页，此课件共54页哦 精确度（精度）精确度（精度）1 1）影响精确度的因素：）影响精确度的因素：a)a)随机误差：随机误差：同一测试者同一测试者 同一测量仪器同一测量仪器 反复测量反复测量 结果分散结果分散 同一被测量同一被测量 表示为精密度表示为精密度 ，表示分散程度。，表示分散程度。b)b)系统误差：由于测量系统的原因使测量结果有系统误差：由于测量系统的原因使测量结果有规律的偏离真值，表示为规律的偏离真值，表示为 正确度正确度 表示测量值与真值的符合程度。表示测量值与真值的符合程度。2)2)上述两因素之和即为精确度上述两因素之和即为精确度 第20页，此课件共

8、54页哦精确度等级精确度等级A 定义：表示在规定条件下，允许的最大定义：表示在规定条件下，允许的最大 绝对误差值对其测量范围的百分比。绝对误差值对其测量范围的百分比。：测量范围内允许的最大绝对误差：测量范围内允许的最大绝对误差 ：满量程输出满量程输出 A的一般标准：的一般标准：0.001,0.005,0.02,0.050.001,0.005,0.02,0.051.51.5，2.52.5例：满量程为例：满量程为10001000V V，A A的标准为：的标准为：0.050.05 此仪表允许的最大误差为此仪表允许的最大误差为0.5V第21页，此课件共54页哦 指传感器能够检测到的最小值指传感器能够检

9、测到的最小值 最小检测能力主要与传感器和系统噪音有关最小检测能力主要与传感器和系统噪音有关 迟滞：迟滞：对相同工作条件下，在全测量范围作对相同工作条件下，在全测量范围作 正行程和反行程中输入正行程和反行程中输入输出曲线不重输出曲线不重 合。合。重复性：输入按同一方向作全量程连续多次重复性：输入按同一方向作全量程连续多次 变动，其曲线不一致的程度。变动，其曲线不一致的程度。零点飘移：零点飘移：在零输入时随时间其输出的变化。在零输入时随时间其输出的变化。温漂：温漂：在温度变化时传感器输出值的变在温度变化时传感器输出值的变 化。化。最小监测量（分辨率）最小监测量（分辨率）第22页，此课件共54页哦3

10、）传感器的动态特性）传感器的动态特性l为什么要研究传感器的动态特性为什么要研究传感器的动态特性 变化的输入信号对输出的影响变化的输入信号对输出的影响 对传感器的应用重要对传感器的应用重要 对理解和研制高性能传感器重要对理解和研制高性能传感器重要第23页，此课件共54页哦 3）传感器的动态特性：传感器的动态特性：讨论动态特性的方法：讨论动态特性的方法：1建立物理模型建立物理模型 2建立数学模型建立数学模型 3求解方程求解方程 假设有如下近似：假设有如下近似：1工作范围在工作点附近工作范围在工作点附近线性的线性的 2系统参数不随时间变化系统参数不随时间变化定长的定长的（时间不变系统）（时间不变系统

11、）因此：因此：根据线性时不变系统的分析方法，任何线性系根据线性时不变系统的分析方法，任何线性系统都可以用线性常微分方程表示统都可以用线性常微分方程表示 对于以对于以 和和 表示输出与输入表示输出与输入LTI系统系统 和和 表示总可以用表示总可以用n阶线性常微方阶线性常微方 程相联系。程相联系。第24页，此课件共54页哦 动态特性定义动态特性定义：对于随时间变化的信号其输出的响应特性：对于随时间变化的信号其输出的响应特性 分析方法：分析方法：根据其工作机理根据其工作机理建立数学模型建立数学模型 得到运动方程得到运动方程求解运动方程求解运动方程得到动态响应特性得到动态响应特性 直观理解：输出应准确

12、地再现输入的状态直观理解：输出应准确地再现输入的状态 否则得不到完整的所需信号，否则得不到完整的所需信号，实际上实际上，理想的传感器不存在，实际情况的，理想的传感器不存在，实际情况的 描述与结论即动态特性。描述与结论即动态特性。讨论方法的可信度：系统模型的近似：线性的，定常的讨论方法的可信度：系统模型的近似：线性的，定常的 线性的：满足比例特性又同时满足叠加特性线性的：满足比例特性又同时满足叠加特性 定常的：参数不随时间变化定常的：参数不随时间变化 分析的合理性：大多数传感器都工作在其工作点附近分析的合理性：大多数传感器都工作在其工作点附近 前面分析了工作点附近有线性区前面分析了工作点附近有线

13、性区第25页，此课件共54页哦第26页，此课件共54页哦传感器的阶：n=0 为零阶传感器 n=1 为一阶传感器 n=2 为二阶传感器 n=3 为高阶传感器第27页，此课件共54页哦传递函数 G(s)=L(响应函数)/L(激励函数)LY(t)=Y(t)exp(-st)dt=Y(s)LX(t)=X(t)exp(-st)dt=X(s)第28页，此课件共54页哦第29页，此课件共54页哦频率特性幅频特性：A()为传递函数 的幅值，是的函数相频特性：为传递函数的幅角()=arctanW()第30页，此课件共54页哦第31页，此课件共54页哦传递函数的分解传递函数的分解 代数方程的性质：代数方程的性质：基

14、基 本本 定定 理理：在复数域中至少有一个根：在复数域中至少有一个根基本定理推论基本定理推论：每个每个n次代数方程在复数域中有次代数方程在复数域中有n个根，且只有个根，且只有 n个根个根 任意任意实数方程数方程 f(x)=0 的复根只可能是成的复根只可能是成对的共的共 轭复根，个数是偶数复根，个数是偶数 第32页，此课件共54页哦 任意任意实系数奇次方程系数奇次方程 f(x)=0 至少有一个至少有一个实根根 任意任意实系数偶次方程系数偶次方程 f(x)=0 至少有一正一至少有一正一负两个两个实根根 每个每个实系数多系数多项式都可以分解式都可以分解为实系数的一次因式和二次因式之系数的一次因式和二

15、次因式之积 l由于由于 是实数多项式，符合上述条件，故有：是实数多项式，符合上述条件，故有：W(s)=其中：其中：第33页，此课件共54页哦 任意任意实系数奇次方程系数奇次方程 f(x)=0 至少有一个至少有一个实根根 任意任意实系数偶次方程系数偶次方程 f(x)=0 至少有一正一至少有一正一负两个两个实根根 每个每个实系数多系数多项式都可以分解式都可以分解为实系数的一次因式和二次因式之系数的一次因式和二次因式之积 l由于由于 是实数多项式，符合上述条件，故有：是实数多项式，符合上述条件，故有：系统由若干系统由若干0阶、阶、1阶、阶、2阶系统组成，阶系统组成，1阶、阶、2阶是最基本响应阶是最基

16、本响应 W(s)=l其中第34页，此课件共54页哦系统的串联、并联系统的串联、并联 设：两个系统设：两个系统 G(s)1,G(s)2G(s)1,G(s)2 串联：在其阻抗匹配时（互不影响工作）串联：在其阻抗匹配时（互不影响工作）G(s)=G(s)1G(s)=G(s)1G(s)2G(s)2 并并联：G(s)=G(s)1+G(s)2+G(s)=G(s)1+G(s)2+串串联 并并联G(s)1G(s)2G(s)2G(s)1第35页，此课件共54页哦第36页，此课件共54页哦第37页，此课件共54页哦第38页，此课件共54页哦l特点：输出幅值随输入频率提高而下降特点：输出幅值随输入频率提高而下降l输出

17、相位随输入频率提高而加大输出相位随输入频率提高而加大第39页，此课件共54页哦第40页，此课件共54页哦第41页，此课件共54页哦Bode图：=0.05=0.1=0.4=0.7=1.0=0.1=0.5 =1.0=0.05-40db 2000-90-180/0第42页，此课件共54页哦第43页，此课件共54页哦五 传感器的阶跃响应 讨论阶跃响应是因为阶跃信号是基本瞬变信号 1零阶：输出输入成正比。2一阶：第44页，此课件共54页哦第45页，此课件共54页哦不同阻尼的响应曲线不同阻尼的响应曲线：=0=0.2=0.6=1.0=1.5=0=0.2=0.6=1.0=1.5第46页，此课件共54页哦六 动

18、态特性的评价：大多传感器是近似于0、1、2阶或其组合 比上述分析复杂。一般是通过实验同条件 指数来表示其动态特性。1与频率响应有关指数：(1)频带：增益值保持在一定值内的频率范围 (2)时间常数：，越小频带越宽 (3)固有频率：2与阶越响应的有关指数：(1)时间常数：近似于一阶传感器 响应曲线上升至稳定值的63.2时所需时间。(2)上升时间t输出由稳定值10变化到90所需时间 (3)响应时间：输出到达稳定值的95所需时间 (4)超调量：输出超出稳定值的最大量 (5)峰值时间：阶越响应达到第一峰值所需时间 第47页，此课件共54页哦七、传感器的理论基础七、传感器的理论基础引言：引言：一般课题的研

19、究方法与骤一般课题的研究方法与骤1）课题来源：）课题来源：用户、实际、创想用户、实际、创想2）课题条件：）课题条件：有界、半无届、无界有界、半无届、无界3）课题分析：查资料、课题难点、解决思路、）课题分析：查资料、课题难点、解决思路、方案及方案论证方案及方案论证4）方案设计：理论、分析、计算、设计）方案设计：理论、分析、计算、设计5）实验室样机）实验室样机7）中试）中试8）批量生产）批量生产第48页，此课件共54页哦理论基础理论基础1）定律）定律 守恒定律：能量、动量、电荷、守恒定律：能量、动量、电荷、场的定律：动力场、光场、电磁场、场的定律：动力场、光场、电磁场、物质定律：胡克定律、热平衡现

20、象、物质定律：胡克定律、热平衡现象、传输现象、量子现象、传输现象、量子现象、2）法则法则 统计法则：热噪声电压、统计法则：热噪声电压、3）效应）效应 光电效应光电效应第49页，此课件共54页哦电光效应电光效应磁光效应磁光效应电磁效应电磁效应热电效应、热释电效应热电效应、热释电效应热磁效应热磁效应压电效应压电效应压阻效应压阻效应压磁效应压磁效应约瑟夫效应（约瑟夫效应（Josephson)(量子干涉效应）量子干涉效应）多普勒效应多普勒效应第50页，此课件共54页哦声电、声光效应声电、声光效应声多普勒效应声多普勒效应放射线效应放射线效应击波（冲击波）效应击波（冲击波）效应吸附效应（表面场效应）吸附效

21、应（表面场效应）与化学有关效应：与化学有关效应：克顿效应（旋光性物质）克顿效应（旋光性物质）中盐效应中盐效应 饱和效应饱和效应 电泳效应、电泳效应、第51页，此课件共54页哦第二章：应变式传感器第二章：应变式传感器l问题与思路问题与思路1.一般课题的研究方法一般课题的研究方法 课题：用：用户提出；提出；实际遇到，想定（遇到，想定（发明明 创造）造）课题条件（背景）：条件（背景）：有界：限定条件，有限有界：限定条件，有限创造空造空间；半无界：有限条件，半无界：有限条件，较大大创造空造空间；无界：很无界：很大大创造空造空间 研究和分析研究和分析课题 第52页，此课件共54页哦（3）动态特性l 应力在材料中传播是有速度限制的 例如：在钢中 5000M/S 胶层中 1000M/S传感器结构：第53页，此课件共54页哦6.应用 （1）弹性敏感元件 作用：把各种物理量转换成形变 例如：温度、压力、加速度 要求：变形能力大 基本类型：柱形：第54页，此课件共54页哦