传感器的基本概念-ppt课件.ppt

1、第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 什么是传感器什么是传感器 传感器的作用和地位传感器的作用和地位 传感器应用领域传感器应用领域 传感器的定义和组成传感器的定义和组成 传感器分类传感器分类 传感器技术的特点传感器技术的特点 传感器的需求、水平、现状传感器的需求、水平、现状 传感器与传感器技术发展趋势传感器与传感器技术发展趋势 传感器的一般特性传感器的一般特性 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)什么是传感器 传感器是获取信息的工具。 传感器（ Transducer 或 Sensor ），俗称探头，有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。 是指那些对某一确定的信息具有感受（或响

2、应）与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)密封型压力变送器密封型压力变送器 压阻式压力传感器压阻式压力传感器电容式差压变送器电容式差压变送器 旋转差动变压器旋转差动变压器电涡流传感器电涡流传感器电感式接近开关电感式接近开关第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)热电偶热电偶热敏电阻热敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏三极管光敏三极管压电加速度传感器压电加速度传感器第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)旋转编码器旋转编码器激光位移传感器激光位移传感器霍尔电压传感器霍尔电压传感器超声物位开关超声物位开关 第1章 传感器的基本概

3、念(绪论 一般特性)传感器的作用和地位作用： 传感器位于系统之首，其作用相当于人的五官，直接敏感外界信息。是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号（一般为电信号）。自动测控系统第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)地位：传感器技术与通信技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。 传感器技术是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。如果没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取就成为一句空话，通信技术和计算机技术就成了无源之水。 “没有传感

4、器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。所以国内外都将传感器技术列为重点发展的高技术。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器应用领域 传感器的应用范围很广，从航天、航空、兵器、船舟、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、能源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇宙开发等领域至农、林、牧、副、渔业，甚至人们日常生活的各个方方面面，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器技术。 也可以说，传感器已几乎应用到各个领域。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器定义：传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物

5、量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。 国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是： 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成。传感器定义和组成 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组成。v 并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。 如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如：压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。 组成：敏感元件转换元件信号调理电

6、路辅助电路被测量非电量其他量非电量电量电信号标准信号电量第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)1. 敏感元件（预变换器）：是指传感器中能直接感受或响应被测量（非电量）并输出与之成确定关系的其他量（非电量）的部分。 （在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件）。2. 转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）的部分。3. 信号调理电路：是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和

7、控制的有用电信号的电路。 类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路、放大器、振荡器、阻抗变换、补偿及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路等。4. 辅助电路：通常指电源，即交、直流供电系统。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 例如，应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变（形变）；弹性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量，电阻应变片就是转换元件。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器分类 传感器种类繁多，功能各异。 由于同一被测量可用不同转换原理实现探测，利用同一种物理法则、

8、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器，而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域，故传感器有不同的分类法。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)其它分类：按输出信号的传送方式：电传送、气传送（易燃、易爆环境）和光传送（抗干扰、绝缘能力强）；位式作用（开关作用）和连续作用；有触点及无触点（利用晶体管或晶闸管的通断发出信号）；常规式及灵巧式（Smart， 处理电路使用单片机，功能丰富、使用灵活）；接触式（敏感元件必须和被测物质接触）及非接触式；普通型、隔爆型（在内部电路和周围易燃气体之间采取了隔离措施，允许使用在有一定危险性的环境

9、里）及本安型（本质安全型，依靠特殊设计的电路保证在正常工作及故障状态下都不会引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的场所）。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器技术的特点 传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。它已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。与其它学科相比，它具有如下技术特点: 内容范围广且离散 传感器可涉及到的内容广而离散的特点主要体现在传感器技术可利用的物理学、化学、生物学、电子学等学科中的基础“效应”、“反应”、“机理”不仅为数甚多，而且它们往往彼此独立、甚至是完全不相关。2. 知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓 由于传感器技术是以材料的电、磁、光、声、热

10、、力等功能效应和功能形态变换原理为基础，并综合了物理学、化学、生物工程、微电子学、材料科学、精密机械、微细加工、试验测量等方面的知识和技术而形成的一门科学。由此可见，传感器技术是学科交错应用极多，知识密集极高，与许多基础科学和专业工程学有着极为密切关系的技术。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)3. 技术复杂、工艺要求高 传感器的制造涉及了许多高新技术，如集成技术、薄膜技术、超导技术、微细或纳米加工技术、粘合技术、高密封技术、特种加工技术以及多功能化、智能化技术等。因此，传感器的制造工艺难度很大，要求很高。4. 功能优、性能好 传感器功能优良主要体现在其功能的扩展性好、适应性强。具体地

11、说，传感器不但具备人类“五官”所具有的视、听、触、嗅、味觉功能，而且还能检测五官不能感觉到的信息，同时还能在人类无法忍受的高温、高压等恶劣环境下工作。性能好体现在传感器的量程宽、精度高、可靠性好等方面。5. 品种繁多、应用广泛 由于现代信息系统中待测的信息（待测量）很多，而且一种待测量往往可用几种传感器来测量，因此，传感器产品品种极为庞杂、繁多。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器的需求、水平、现状 由于传感器技术的重要性，80年代以来国际上出现了“传感器热”。日本把传感器技术列为八十年代十大技术之首，美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之一，英国传感器销售额1990年比1

12、980年增长24倍。传感器技术之所以受到如此看重并获得极为迅速发展的原因是： 1.微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展，而获取信息的工具传感器处于明显拖后腿的状态，形成推动传感器技术发展的动力。 2. 广阔的市场和强烈的社会需求是传感器技术发展的又一强劲推动力，传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的程度。80年代，日本、西欧市场传感器销售值年增长率为：30%40%。90年代全世界年增长率约为8.8。90年代以来各方面对传感器的需求也越来越强烈。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器市场结构 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)90年代国内市场各主要行业传感器的用量

13、电力系统 140 万件 化工系统 80 万件 钢铁系统 130 万件 能源管理与炉窑控制 4000 万件 汽车行业 4400 万件 机床行业 1500 万件 文化办公机械 200 万件 各类仪器仪表 3 亿件 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 一个电站 需要 5000 台传感器及其仪表； 一个钢铁厂 需要 20000 台传感器及其仪表； 大型石油化工厂 需要 6000 台传感器及其仪表； 大型发电机组 需要 3000 台传感器及其仪表； 一部汽车 需要 30 至 100 台传感器； 一架飞机 需要 3600 台传感器； 所以说，传感器的市场需求非常庞大。其根本原因就是因为“传感器位于

14、系统之首”，“是现代信息技术系统的源头”。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 自动化过程都包括有三种主要功能块：传感器、计算机(或微处理器)、执行器。v 传感器相当于人的五官，时时检测“对象”的状态及其相应的物理参量，并及时馈送给计算机；v 计算机相当于人的大脑，经过运算、分析、判断，根据“对象”状态偏离设定值的方向与程度，对执行器下达修正动作的命令；v 执行器相当于人的手脚，按大脑的命令对“对象”进行操作。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 透视人类自动化的历史进程，我们看到： 首先，人们发展了执行器，如水磨、蒸汽机、内燃机、电机、各种阀体等。然后，计算机的出现，通过扩展计算

15、机程序的“智能”，产生了“信息革命”。现在，人们正在通过应用传感器来扩展“感觉”，去获得信息数据，以便校正自动化过程中的偏差，并能根据各种情况的变化做出实时正确的处理。 在实际应用中，需要三个功能块（传感器、计算机、执行器）都经济耐用，有良好的性能价格比。 目前随着计算机、执行器的的迅猛发展，传感器的价格性能比相对来说却居高不下，传感器、计算机、执行器性能价格比的下降幅度为 3 : 10 : 1000，传感器与其它两个功能块的发展形势不相适应，制约了自动化的发展。 需要大力发展传感器。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 传感器技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术。如果不建立我国

16、自己的传感器产业，而一味依赖从国外进口传感器来满足需要，将使我国国民经济及国防力量的加强受到制约，因此必须尽快地发展我国的传感器产业。 我国传感器的产业结构存在的主要问题是企业分散、实力不强、市场开拓不力。我国从事传感器研究和生产的单位约1300家，居世界第一，但真正形成一定规模的却寥寥无几。多数企业是低水平的重复，处在生产的初级阶段。 传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于科学研究的水平，而我国在传感器研究方面科研投入强度偏低，科研设备落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展。我国传

17、感器行业的状况第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 世界传感器的种类约有2万种，而我国经过“八五”、“九五”的发展目前也仅有3000多种，尚有大量的品种需要我们去开发。同时，我国传感器产品的技术水平与国外有较大差距，主要是长期稳定性和可靠性较差，限制了其应用领域和产业的发展。 虽然我国传感器产业的现状还不能适应国民经济发展的需要，产品技术水平与国外相差15年左右，但是从统一市场的观点看，我国具有传感器的广阔市场，所以我国传感器产业发展的前途还是光明的。 国家科委于1987年4月制定的传感器发展政策白皮书中确定了“必须大力发展传感器技术，特别是要把新型传感器技术作为信息技术中优先领域予以发

18、展”。1991年12月30日中共中央关于制定国民经济和社会发展的十年规划和“八五”计划的建议中第21条明确了要“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 国家对提高我国传感器研究水平采取了一系列的措施，如在中国科学院建立了传感技术国家重点实验室；在沈阳仪器仪表工艺研究所建立了传感器国家工程研究中心；国家计委将传感器技术研究列为国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关项目；国家科委在“863”计划高技术项目中也列入了有关传感器技术研究。通过上述措施不仅使我国传感器研究水平与国外的差距迅速减小，而且在科研单位及高校中形成了一支具有较高水平的传感器研

19、究队伍，如沈阳仪器仪表工艺研究所、中国科学院合肥智能机械研究所、中国科学院上海微系统所、清华大学、复旦大学等单位均有专业研究队伍，他们目前均在知识创新及技术创新方面开展研究工作。 “八五”、“九五”期间，我国有关传感器产业的相关专业部门，如信息电子部、机械工业部等，都分别组织有关科研和生产的专家制订我国“传感器产业发展规划”，规划的制订将有序地调整我国传感器产业结构，迅速合理地发展传感器产品，这无疑对建立我国传感器产业有积极的作用。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器与传感器技术发展趋势 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是增加品种、减小体积和

20、重量，向标准化、固态化、集成化、多功能化、数字化、图像化、智能化方向发展。标准化： 不同厂家的产品，在硬件、软件、通信规程、连接方式等方 面互相兼容、互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。固态化： 采用半导体、电介质、强磁性体、陶瓷等材料。集成化： 将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导 体技术将其制作在同一芯片上。多功能化：传感器具有多种参数的检测功能。数字化： 用数字信号取代模拟信号，提高可靠性和抗干扰能力。图像化： 传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量，而开始研究 从一维、二维到三维空间的测量问题，如二维图像传感器等。智能化： 将信号检测、驱动回路和信号处理回路等外

21、围电路全部集成在 一块基片上，使它具有自诊断、远距离通信、自动调整零点和 量程等功能。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器的一般特性 一种传感器就是一种系统，一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性。 从传感器的静态输入输出关系建立的数学模型叫静态模型； 从传感器的动态输入输出关系建立的数学模型叫动态模型。 传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。 由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入输出特性也不同，因此存在所谓的静态特

22、性和动态特性。 为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态特性和动态特性，才能使信号(或能量)按规律准确地转换。 静态模型 动态模型 静态特性 动态特性 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)静态模型 式中 x 输入量； y 输出量； a0 零位输出； a1 传感器线性灵敏度，常用K 或S 表示 a2 ，an 非线性项的待定系数。 nnxaxaxaay2210 静态模型是指在静态信号情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。 一般可用多项式来表示： 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)动态模型 动态模型指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和

23、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等来描述。1. 微分方程 绝大多数传感器都属模拟（连续变化）系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。 xbtxbtxbtxbyatyatyatyammmmmmnnnnnn0111101111dddddddddddd式中 x 输入量 y 输出量 a n , a n-1 , , a0 和 b m , b m-1 , , b0 为传感器的结构参数（是常量）。对于传感器，除 外，一般取 b 1 , b2 , , bm为0。 00b第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)2. 传递函数 在分析、设计和应用传感器时，传递函数的概念非常有

24、用。传递函数是输出量和输入量之间的数学表示。如果传递函数已知，那么由任一输入量就可求出相应的输出量。 传递函数的定义是输出信号和输入信号之比。 011011aDaDabDbDbDXDYDHnnnnmmmmD（算子） d/dt 这种形式的传递函数对瞬变输入特别有用。对于线性系统，瞬变输入所产生的输出由于它只出现一次而不重复，通常直接表示为时间函数y(t)，它是这个传感器微分方程的解。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 对y(t)进行拉氏变换的初始条件是 t 0，y (t)= 0。这对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均符合上述初始条件。从上式可知，它与输入量无关

25、，只与系统结构参数a i ，b i 有关。因此，可以简单而恰当地描述其输出与输入关系。 只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意两者，第三者便可方便地求出。这时可见，无需了解复杂系统的具体内容，只要给系统一个激励信号x(t)，使可得到系统的响应y(t) ，系统特性就能被确定。 011011aSaSabSbSbSXSYSHnnnnmmmmy(t)的拉氏变换Y(S)和x(t)的拉氏变换X(S)的比为拉氏传递函数H(S)：第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。静态数学模型 a0= 0 时，表示静态特性曲线

26、通过原点。此时静态特性有四种典型情况： nnxaxaxaay22101. 理想线性 （图a）2. 具有 x 奇次阶项的非线性 （图b） 3. 具有 x 一次及偶次阶项的非线性 （图c） 4. 具有 x 奇、偶次阶项的非线性 （图d）4433221xaxaxaxay44221xaxaxay55331xaxaxayxay1第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 除图(a)为理想线性特性外（几乎每一种传感器都不具备如此特性，即都存在非线性），其余均为非线性关系。 仅具有奇次方的多项式模型，图(b)，在原点附近一定范围内其本上是线性特性。 在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性最接近直线的一小

27、段，此时原点可能不在零点。以图（d）为例，如取 ab 段，则原点在 c 点。 传感器静态特性的非线性，使其输出不能成比例地反映被测量的变化情况，而且对动态特性也有一定影响。因此在使用非线性传感器时，必须对传感器输出特性进行线性处理。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)传感器的静态特性主要由下列几种性能指标来描述传感器的静态特性主要由下列几种性能指标来描述: 1. 线性度（非线性误差）线性度（非线性误差） 2. 灵敏度灵敏度 3. 重复性重复性 4. 迟滞（回差滞环）现象迟滞（回差滞环）现象 5. 精确度（精度）精确度（精度）6. 分辨率分辨率 7. 稳定性稳定性 8. 漂移漂移 第1章

28、传感器的基本概念(绪论 一般特性)线性度（非线性误差） 所谓传感器的线性度就是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。又称为非线性误差。 非线性误差可用下式表示： %100maxFSYYE式中Y max 输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差； YFS 输出满量程值。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而，基准直线不同，所得线性度也不同。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)灵 敏 度 传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量y与输入增量x比值，常用Sn 来表示。即 xySn 对于线性传感器，其灵敏度就

29、是它的静态特性的斜率，如图 (a) 所示。即 xyySn0 非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图 (b) 所示，即用 d y / d x 表示传感器在某一工作点的灵敏度。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)重 复 性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小。不重复性一般采用下式的极限误差式表示： %100maxFSxYE式中max输出最大不重复误差； YFS 满量程输出值。 不重复性误差一般属于随机误差性质，按极限误差公式计算不太合理。不重复性误差可以通过校准测得。根据随机误

30、差的性质，校准数据的离散程度随校准次数不同而不同，其最大偏差值也不一样。因此，重复性误差E z 可按下式计算： %10032FSzYE式中 为标准偏差，可用贝赛尔公式求得。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)迟滞(回差滞环)现象 迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行程和反向(输入量减小)行程期间，辅出-输入特性曲线不重合的程度。 对于同一大小的输入信号 x ，在 x 连续增大的行程中，对应某一输出量为 yi ，在 x 连续减小过程中，对应于输出量为 yd 之间的差值叫做滞环误差，这就是所谓的迟滞现象。该误差用 E 表示为 diyyE 在整个测量范围内产生的最大滞环误差用m 表示，

31、它与满量程输出值 YFS 的比值称为最大滞环率 E max ，即 %100maxFSYmE第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)精确度（精度） 说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。 1. 精密度 它说明测量结果的分散性。即对某一稳定的对象（被测量）由同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次（等精度测量），其测量结果的分散程度。精密度越小说明测量越精密（对应随机误差）。 2. 正确度 正确度说明测量结果偏离真值的程度，即示值有规则偏离真值的程度。指所测值与真值的符合程度（对应系统误差）。 3. 精确度 它含有精密度与正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程

32、度。在最简单的场合下可取两者的代数和。通常精确度是以测量误差的相对值来表示的。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)分 辨 率 传感器的分辨率是在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量x min。有时也用该值相对满量程输入值的百分数( )表示。稳 定 性 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期稳定性描述其稳定性。 所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。 %100minFSXx第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)漂 移 传感器的漂移是

33、指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。 漂移包括零点漂移（零漂）和灵敏度漂移等。 零点漂移：传感器在无输入（或输入值不变时），每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值）。 %100FSoYY零漂 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移（温漂）。 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。 温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移程度。一般以温度变化1输出最大偏差与满量程的百分比来表示。 %100maxTYFS温漂max 输出最大偏差；T 温度变化范围 式中Yo最大零点偏差（或相应偏差）第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)动态特性

34、 动态特性是指当被测量随时间变化时，传感器的输出-输入特性。 传感器的动态特性是传感器在测量中非常重要的问题，它是传感器对输入激励的输出响应特性。一个动态特性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的曲线，即输出-输入具有相同类型的时间函数。 在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。 有良好的静态特性的传感器，未必有良好的动态特性。 由于激励传感器信号的时间函数是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性，只能通过对几种特殊的输入时间函数，如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等来研究其响应特性。在频域内通常

35、利用正弦函数研究传感器的频率响应特性。最常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号，对应的方法为阶跃响应法和频率响应法。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)阶跃响应阶跃响应 当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号 0,10,0tttu时，其输出特性称为阶跃响应特性。 衡量阶跃响应特性的几项指标：(1)最大超调量 p : 响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示。当稳态值为1，则最大百分比超调量 %100yytypp最大超调量能说明传感器的相对稳定性。(2)延滞时间 td td 是阶跃响应达到稳态值50所需要的时间。第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性)（3）上升时间 tr它有几种定义

36、：响应曲线从稳态值的10%90%；从稳态值的595%；从零上升到第一次到达稳态值所需的时间。对有振荡的传感器常用，对无振荡的传感器常用描述。（4）峰值时间 tp响应曲线到第一个峰值所需的时间。（5）响应时间 ts 响应曲线衰减到稳态值之差不超过5或2时所需要的时间，有时称为过渡过程时间。 上述是时域响应的主要指标。对于一个传感器，并非每一个指标均要提出，往往只要提出几个被认为是重要的性能指标就可以了。 第1章 传感器的基本概念(绪论 一般特性) 下面以测量水温的实际过程为例进行讨论。用一只热电偶测量某一容器的液体温度T，若环境温度为T0，把置于环境温度之中的热电偶立即放入容器中(设TT0)，这时热电偶的测量参数发生突变，即从T0突然变化到T；但热电偶并不能立即从T0上升到T，而是如图所示，逐渐地从T0上升到T值。热电偶的温度从T0上升到T，经历了时间t0t的过渡过程。如果不注意到这一过程，测温结果必定会产生很大的误差。从t0t的过程中，测试曲线终值与温度从T0T的阶跃波形存在差值，这个差值就是动态误差。显然，这是由热电偶对动态参数(T0T)适应性能(响应)所产生的。 总的来说，产生动态误差的原因，一方面是激励信号的变化，另一方面是由于传感器测量电路、机械惯性、延时等原因而产生。