传感器原理与应用技术-第二版-1-概述课件.ppt

1、同学们好！同学们好！n主要内容主要内容汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量全自动洗衣机中的传全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水器，衣质传感器，水温传感器，水质传感温传感器，水质传感器，透光率光传感器器，透光率光传感器(洗净度洗净度)液位传感器，液位传感器，电阻传感器电阻传感器(衣物烘干衣物烘干检测检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声

2、卡:A/D卡卡+D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服图示为某公司楼宇自动化系统。图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、监测、照明控制、空调控制、停车管理、水停车管理、水/废水管理和电废水管理和电梯监控。梯监控。烟雾传感器 亮度传感器 人体探测器机器狗机器狗机器人服务员机器人服务员AGVAGV自动送货车自动送货车 香港理工香港理工AGV模型模型医学医学手环产品GrandBand小米手环小米手环产品产品功能功能上市时间上市时间Nike运动健身，支持活动类型追踪，时间显示，蓝牙4.0，仅支持IOS。2013年11月三星运动

3、监测，接收任何手机的通知信息，心率检测，2014年04月LG 运动监测，心率检测，显示手机通知信息，来电提醒，高度计。2014年06月华为运监测测、睡眠监测、蓝牙耳机、收听音乐、来电显示、语音播报、蓝牙通话、时间显示。2014年06月中兴运动监测、睡眠监测和智能闹钟、来电提醒2014年07月小米运动监测，睡眠监测，免密解锁手机，电子ID。2014年07月Fuel Band SEGear FitLife bandTalk Band 市售智能手环产品还有：市售智能手环产品还有：微软微软 Fitbit Flex MisfitUP24SONYbong2OPPOTCL畅玩畅玩咕咚手环咕咚手环vivofi

4、t360儿童卫士儿童卫士运动监测、睡眠监测、健康监测、智能提醒、安全定位运动监测、睡眠监测、健康监测、智能提醒、安全定位、手机伴侣、社交、运动数据云储存、时间显示、电子手机伴侣、社交、运动数据云储存、时间显示、电子ID麦克风、3轴加速计、陀螺仪、光线感应器、体温计、紫外线传感器，电容传感器、光学心率计、GPS、可测量紧张程度的皮肤电反应探测器以及新增加的气压计光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量航天航天7 7、传感器与环境保护、传感器与环境保护NOX NO+NO2dust sootH2SH2O

5、HC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 烟尘浊度测量烟尘浊度测量 农业农业41 压 力 作 用 膜片形变（应变）应变片电阻改变 敏感元件敏感元件传感元件传感元件46基本物理量基本物理量派生物理量派生物理量位移位移线位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等度等角位移角位移旋转角、偏转角、角振动等旋转角、偏转角、角振动等速度速度线速度线速度速度、振动、流量、动量等速度、振动、流量、动量等角速度角速度转速、角振动等转速、角振动等加速度加速度线加速度线加速度振动、冲击、质量等振动、冲击、质量等角加速度角加速度角振动、扭矩、转

6、动惯量等角振动、扭矩、转动惯量等力力压力压力重量、应力、力矩等重量、应力、力矩等时间时间频率频率周期、记数、统计分布等周期、记数、统计分布等温温 度度热容量、气体速度、涡流等热容量、气体速度、涡流等光光光通量与密度、光谱分布等光通量与密度、光谱分布等1.3.1 1.3.1 ）（11 2210 nnxaxaxaay）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn2.2.）（31 0 dtetysYst 011011bsbsbsXasasasYmmmmnnnn ）（41 011011 asasabsbsbsXsYsHnnn

7、nmmmm5758 ）（则则：51 21 sHsHsHsHr 对于较为复杂的系统，可以将其看作是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。一些较为简单系统的串联与并联。xy sH1 sH2 sHn59 ）（则则：61 21 sHsHsHsHpxy sH1 sH2 sHn1.4.1 1.4.1 ）（71 00100 FSymaxE）（81 1 xay）（91 44220 xaxaxay）（101 55331 xaxaxay（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（1）（2）（3）三种形式所呈现

8、的非线性程度三种形式所呈现的非线性程度 ）（111 xfdxxdfdxdySn）（121 xykyx0Rmax2Rmax1）（131 100%yRFSmaxR H66）（141 100%yHFSmaxH ）（）（151 10032%yFS ）（161 222 RHL TtTT0tt0当给静止的传感器输入一个单位阶跃函当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号数信号 （1-171-17）时，其输出特性称为阶跃响应特性。时，其输出特性称为阶跃响应特性。00 10 tttu图图1-6 1-6 阶跃响应特性阶跃响应特性tdtrtpppts00.100.500.901.00y(t)t ）（181 0010

9、0 yytypp dtetyYdtetysYtst j00j dtetxXt j0j ）（191 jjjjjjj011011 asasabsbsbXYHnnnnmmmm 201 jjjjj）（eAeXYXYH XYHA j即即 ）（211 j22 IRHHHA jj jjXYIH,XYRHmIeR ）（221 jjYRejXj11 XYImtgHHtgRI由（由（1-21-2）式，零阶系统的微分方程为）式，零阶系统的微分方程为 ）（231 00 tXbtYa ）（241 00 tKXtXabtY或或 ）（251 00 KabjXjYsXsYsH 零阶传感器的传递函数和频率特性为：零阶传感器的传

10、递函数和频率特性为：）（261 001 xbyadtdya）（271 Kxydtdy ）（281 1 sKXsYs ）（291 1 sKsXsYsH 01aa 00abK jK)j(X)j(Y)j(H 112 )(K)(A )(arctg)(时时，当当1 )(K)(A 负号表示相位滞后负号表示相位滞后 ）（341 1 /teKAy）（351 632011 KA.)e(KA)(y ）（331 0t 0 0 AttxKxydtdy tx01输出的初值为输出的初值为0,随着时间推移随着时间推移y接近于接近于1；当；当t=时时,在一阶系统中在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。时间常数值是

11、决定响应速度的重要参数。图图 1-7 1-7 一阶传感器一阶传感器CKK x(t)=F(t)y(t)例例1-1：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统输入量输入量 为为F(t)=Kx(t)，输出量为位移，输出量为位移y(t)，分析，分析系统的频率响应特性。系统的频率响应特性。解：根据牛顿第二定律：解：根据牛顿第二定律：fC+fK=F(t)或或 txtydttdyKC tKxtKydttdyCtKyfdttdyCfkc 则则：，其其中中）（361 1111ssKCsH为时间常数为时间常数令令H(S)中的中的s=j,即即=0，则，则1j1jH由由(jj)可以分析该系统

12、的幅频特性可以分析该系统的幅频特性和相频特性和相频特性：arctg11A20TTdtdThsmc ,01hsmcaa100abKmcdQdT dtTThsdQ)(0图图1-8 1-8 一阶测温传感器一阶测温传感器解：解：1110 hsmcjjK)j(T)j(T)j(H 11122 )hsmc()(K)(A )hsmc(arctg)(arctg)()e(KAT/t 1)e(ATtmchs 1（3 3）二阶传感器的数学模型）二阶传感器的数学模型所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器。很多传感器，如振动传感器、压力传传感器。很多传感器，如振动传感器、压

13、力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：感器等属于二阶传感器，其微分方程为：）（371 001222 xbyadtdyadtyda 00012202xabydtdyaadtydaa 或或201200002 aaaaaabK ；令令静态灵敏度静态灵敏度阻尼比阻尼比 ）（则：则：381 121 022 sxssyssnn 固有频率固有频率,0=1/）（391 22002 ssKsH ）（401 2200220 jjKjH ）（411 2120220 KA）（421 2tanarc2020 )(阻尼比阻尼比 的影响较大，不同阻尼比情况下相对幅的影响较大，不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵

14、敏度之比的曲线如图。频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707A()当当0时，在时，在=1处处A()趋近无穷大，这一现象称之为趋近无穷大，这一现象称之为谐振。谐振。随着随着的增大，谐振现象逐渐不明显。的增大，谐振现象逐渐不明显。当当0.707时，不再出现谐振，这时时，不再出现谐振，这时A()将随着将随着的增的增大而单调下降。大而单调下降。0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0

15、.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0()二阶传感器的阶跃响应特性二阶传感器的阶跃响应特性 随阻尼比随阻尼比 的不同，有几种不同的解：的不同，有几种不同的解：y/K2 21 10 0t t=0=01.51.51 10.60.60.20.2KAydtdydtyd2222 01/tsinkAty /)j(,2211 方程通解方程通解 3222111AtsinAtcosAe)t(y/t 根据根据t t，y ykAkA，求出求出A A3 3；据初始条件；据初始条件 求出求出A A1 1、A A2 2则则,)(y,)(y,t00000 2221111arctantsin)/texp(kAtyy/K210t=01.510.60.2 /)(,1221 texptexpkAy 112111211222222=1(=1(临界阻尼临界阻尼)：特征方程具有重根：特征方程具有重根-1/-1/,过渡函数为过渡函数为 )/texp(t)/texp(kAty 1待标定待标定传感器传感器已知非电量已知非电量输入量输入量标准标准设备设备输出量输出量电量电量