传感器与检测技术第2章传感器概述ppt课件.ppt

第2章传感器概述2.1传感器的定义、组成和分类
一、传感器的定义
传感器是一种把被测量（主要是非电量）转换成便于传输、应用的输出信号的器件或装置。
传感器又称为敏感元件(在电子技术领域，则强调的是对信号的敏感程度)、检测器(在测量领域，通常强调的测量结果）、转换器(在超声波技术中，则强调的是能量的转换)等。这些提法在含义上有些狭窄,而传感器一词是使用最为广泛而且是概括性最强的用语。 传感器的输出信号可以是气量、光量、电量。但主要是电量,它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式,如电压、电流、电容、电阻等,输出信号的形式由传感器的原理确定。图2-1传感器组成框图 传感器的分类方法很多。但常用的分类方法有两种:2.2传感器的基本特性
传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。
一、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，输出与输入的关系。它的特点是输入量x与输出量y之间的关系式中不含有时间变量。通常可用下式表示：

式中：a0——是输入量x为零时的输出量；
a1，a2，…，an——是非线性系数。 衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度,迟滞和重复性等。
1.线性度
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。通常用实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差ΔLmax与满量程输出值YFS之比γL来表示,即图2–2几种直线拟合方法(a)零点切线拟合;(b)过零旋转拟合;(c)端点连线拟合;(d)端点平移拟合; 2．灵敏度
灵敏度是指传感器的输出变化量Δy与引起此变化的输入变化量Δx的之比，用S表示。即x 3.迟滞
传感器在输入量由小到大或由大到减小的变化期间，其输入-输出特性曲线不重合的现象称为迟滞,如下图2-4所示。
迟滞大小一般由实验确定。通常把传感器在全量程范围内的最大迟滞差值ΔHmax（或一半）与满量程输出值YFS之比成为迟滞误差，用γH表示，即:134.重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度,如下图2-5所示。重复性误差属于随机误差,常用标准偏差表示,也可用正反行程中的最大偏差表示,即15二、传感器的动态特性
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。它不但与输入信号有关，而且与传感器的结构（即动态特性方程）有关。
1.传感器的动态特性方程
传感器的动态输入输出关系一般可用下面的微分方程来表示。式中：x是传感器的输入信号，通常是时间的函数，
y是传感器的输出信号，也是时间的函数，
a0,a1,…,an,,b0,b1,…,bm是与传感器结构有关的常数。
(1)零阶系统
在方程(2－6)中，除了a0，b0外，其他的系数均为零，即 (2)一阶系统
在方程(2－6)中，除了a0，a1，b0外，其他系数均为零，即 (3)二阶系统
在方程(2－6)中，除了a0，a1，a2，b0外，其他系数均为零，即当ξ≥1时，称它为二阶惯性系统，
当ξ＜1时，称它为二阶振荡系统，2.瞬态响应特性（即时域分析）
(1)一阶传感器的单位阶跃响应
一阶传感器的动态特性方程为： 对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号
t≤0
t＞0
时,则x（t）的拉氏变换为图2－7一阶传感器的单位阶跃响应曲线(2)二阶传感器的单位阶跃响应
二阶传感器的微分方程为 在单位阶跃输入下，传感器输出的拉氏变换:(3)单位阶跃瞬态响应特性的主要指标
①峰值时间tp：传感器输出达到第一个峰值所需的时间
②延时时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需时间
③上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需时间
④超调量σ：传感器输出超过稳态值的最大值。 *3.频率响应特性（即频域分析）
传感器对正弦输入信号的响应特性,称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。
(1)一阶传感器的频率响应
将一阶传感器的传递函数中的s用jω代替后,即可得频率特性表达式,即相频特性从式（2-15）、（2-16）和图2-9看出,时间常数τ越小,频率响应特性越好。当ωτ<<1时,A(ω)≈1,Φ(ω)≈0,表明传感器输出与输入为线性关系,且相位差也很小,输出y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。因此,减小τ可改善传感器的频率特性。(2)二阶传感器的频率响应
二阶传感器的频率特性表达式31从式（2-18）、（2-19）和图2-10可见,传感器的频率响应特性好坏主要取决于传感器的固有频率ωn和阻尼比ξ。
当ξ<1,ω<<ωn时,A(ω)≈1,Φ(ω)≈0,此时,传感器的输出y(t)再现了输入x(t)的波形。通常固有频率ωn至少应大于被测信号频率ω的3～5倍,