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1、第一章 傳感器的工作特性與評價,傳感器特性包括總特性和工作特性： 總特性是指傳感器和被測對象以及后續(xù)儀器組成的測量系統(tǒng)的輸入與輸出的匹配，傳感器的機械特性及工作特性。 工作特性是指傳感器輸入與輸出的關系。理想情況下是一一對應的。,傳感器的工作特性,傳感器的工作特性包括： 1、靜態(tài)特性：在室溫條件下（15-35度， 相對濕度小于90%，壓強：88-108KPa ） ， 沒有任何沖擊、振動和加速度，所測變化很 緩慢時，對傳感器性能（輸入與輸出關系） 的描述。 2、動態(tài)特性：隨時間變化的被測量與傳感器輸 出間的關系。,其它特性,3、環(huán)境特性：包括運行環(huán)境特性和非運行環(huán)境 特性。 4、可靠

2、性：指傳感器的概率壽命。 本章主要介紹傳感器靜態(tài)特性、動態(tài)特性 和可靠性。,第一章 第一節(jié) 傳感器的靜態(tài)特性,當被測量處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出信號（Y）與輸入信號（X）間的關系可表示為： Y = f（X）， 初條件：X=0 Y=0。 描述靜態(tài)特性的重要指標有：靈敏度、線性度、重復性和遲滯等。,1、靈敏度系數(shù)（K）,當輸入量變化 時，輸出量有相應的變化 ： 靈敏度系數(shù) 定義為： 簡稱靈敏度。 說明： 時 ，為線性傳感器； 時，為非線性傳感器。 量綱：輸出單位/輸入單位,,,,,,,靈敏度系數(shù)（續(xù)）,物理意義：表示

3、輸出信號隨輸入信號的變化程度。 任何傳感器都有一定的測量范圍，一般來說， 靈敏度越高，測量范圍越窄。,2、線性度（ ）,理想的傳感器輸出與輸入的關系是線性的，即 有： 。 而實際上傳感器輸入與輸出的關系大多是非線 性的。 線性度是描述這種非線性程度的指標。為此引 入靜態(tài)特性曲線，即輸入信號（X）與輸出信號 （Y）的關系曲線： Y = f（X） 并且要對該曲線進行線性化處理。,,,靜態(tài)特性曲線的線性化,當靜態(tài)特性曲線的非線性項的方次不高，輸入量的變化范圍不大時，可用切線或割線代替實際的靜態(tài)特性曲線的某段，以使其近似線性。該切線或割線被稱為擬合直線。 常用的確定擬

4、合直線的方法有： 端點連線擬合（端基法） 理論擬合（切線法） 最小二乘法擬合 分段折線逼近擬合（計算機處理） 上述擬合方法中以最小二乘法確定擬合直線精度最高,線性度的定義,線性度是用來說明靜態(tài)特性曲線偏離某條擬合直線的程度，定義為： ：是測量范圍內兩線輸出值的最大偏差； ：滿量程的輸出值。,,,線性度,可以看出，線性度的大小是以一定的擬合直線為基礎而得到的；擬合直線不同，線性度的大小也不同，所以選擇擬合直線的出發(fā)點，應是獲得最小的線性度。 線性度常稱為非線性偏差。 根據(jù)線性度的大小可以確定測量范圍；反之依然。,,3、遲滯差（ ）,在全測量范圍內校準時，在同一次校準過程中，當輸入逐漸增

5、加到某一值（正行程），與輸入由高到低逐漸減小到剛才相同的輸入值時（反行程），輸出值經常是不一致的，這種現(xiàn)象就稱為遲滯。定義遲滯差為： ：為正行程與反行程曲線間輸出值的最大偏差。其產生原因是機械結構和制作工藝的缺陷。,確定靜態(tài)特性指標的方法,測定傳感器的靜態(tài)特性曲線y-x； 利用最小二乘法等確定擬合直線； 根據(jù)擬合直線，給出靈敏度和線性度； 給出傳感器的其他靜態(tài)特性指標。,第一章 第二節(jié) 傳感器的動態(tài)特性,傳感器的輸入是變化較快的連續(xù)信號，或是沖擊信號，或是周期性輸入信號，則此時傳感器輸入與輸出的關系將是隨時間變化的函數(shù)。 動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性。它

6、包括頻率特性和暫態(tài)響應特性。,一、頻率特性,設輸入量為周期信號，輸出信號與輸入信號比 的幅值 稱為系統(tǒng)的幅頻特性；兩者的相位差 稱為相頻特性；無論幅頻特性還是相頻特性一般都是 隨輸入信號的頻率而改變的。 幅頻特性與相頻特性合稱頻率特性，該特性用以 評價傳感器在波形復雜的周期信號作用下的復現(xiàn)誤差,,,頻率特性與動態(tài)品質的關系,可以證明：當（1） =Const； （2） = 時， 則在滿足上述關系的區(qū)間內（ ），各種 諧波所組成的任意復雜的波形都能被精確的復 現(xiàn)。 通過對傳感器頻率特性的分析，可以發(fā)現(xiàn)傳 感器在結構或參數(shù)配制上的缺陷。,,傳感器的“階”和三種

7、不同階的傳感器,多數(shù)物性型傳感器的動態(tài)性能可用一階微分方程描述；而在電氣系統(tǒng)中具有電阻、電容和電感的電路呈現(xiàn)二階頻率響應，同樣具有阻尼的質量、彈簧等機械系統(tǒng)亦可用二階微分方程描述。與此相關的傳感器被稱為一階或二階傳感器；零階傳感器是簡單的、理想的線性傳感器。,零階傳感器,有微分方程： 即有 =k和 =0。 其幅頻和相頻特性曲線見右圖。 可以看出： 零階傳感器無幅值失真 和相位延遲，具有理想的 動態(tài)特性。,,一階傳感器,一階傳感器的微分方程為： 變形后有： 式中 ； ； 。故有頻 率特性：,,,,,,一階傳感器（續(xù)）,則幅頻和相頻特性為： 討論：（1）當

8、 時，有 ，此時輸出 波形與輸入波形近似一致； （2）當 時，有 ，表明 輸出量的滯后最小。 可以看出： 對于一階傳感器，在 時頻率特性較好。,,二階傳感器,二階傳感器的微分方程為： 、 、 和 是結構或材料常數(shù)，上式變形后： 其中固有頻率 （ ）；阻尼比,,,,,二階傳感器（續(xù)）,頻率特性為： 幅頻特性則為： 和相頻特性：,二階傳感器（續(xù)）,討論：（1）當 一定且 時，有 和 ，即有較好的頻率特性； （2）當

9、 ，有 和 傳感器無響應； （3）當 且 時，傳感器出現(xiàn)諧振， 波形嚴重失真； （4） 的影響：在 一定， 時， 幅頻特性曲線有最寬的平直段，即頻率 特性最好。,二階傳感器（續(xù)）,綜上所述，對于二階傳感器 在 , 時頻率特性較好。,二、暫態(tài)響應特性,同樣利用一階和二階微分方程，在輸入信號 為階躍信號時，可分析傳感器的時域響應，或 稱暫態(tài)響應。 暫態(tài)響應由兩個部分組成，第一個部分是正 確反映輸入信號的，其結論與對頻率特性的分 析結果一致。,暫態(tài)響應特性（續(xù)）,第二個部分是由輸入作用引起的，它反映了傳感器中能

10、量存儲過程和消耗過程間的動態(tài)平衡。 根據(jù)階躍響應前沿部分的某些特征，定義了傳感器的動態(tài)響應指標，如時滯、上升時間等（自學）。,第一章 第三節(jié) 傳感器的可靠性,傳感器的可靠性是指儀器的使用壽命問題。它包括儀器的安全性和維修性等。理論基礎之一是概率論和數(shù)理統(tǒng)計。 幾個基本概念 （1）可靠性定義：在確定的時期內和確定的外界條件下，傳感器系統(tǒng)工作在允許的性能水平的概率。可靠性符號為： 。,,可靠性（續(xù)）,（2）不可靠性定義：在確定的時期內和確定的外界條件下，傳感器系統(tǒng)不能工作在允許的性能水平的概率。不可靠性符號為： 。 二者有： （3）平均壽命（MTTF）：對不可修復的產品為其故障壽命的均值

11、。,,可靠性（續(xù)）,（4）故障率（ ）：是每個設備在每單位時間內的平均故障次數(shù)（常為年故障率）。多數(shù)系統(tǒng)和元件在工作時間內近似是常數(shù)。 可靠性模型 是根據(jù)可靠性的觀點用數(shù)學表達式去評價產品的特征。通過模型分析能得到反映產品可靠性的實際狀況。,可靠性模型,常用基本模型有串聯(lián)和并聯(lián)模型等。 （1）串聯(lián)模型：它通過所有部件的正常工作來保證系統(tǒng)的正常功能。 系統(tǒng)的可靠度R為： ：各部件的可靠度。,,可靠性模型（續(xù)）,（2）并聯(lián)模型：在并聯(lián)系統(tǒng)中，所有部件全發(fā)生故障時，信號才不能從輸入端達到輸出端。 此時系統(tǒng)的故障率為各部件故障率的乘積： 該系統(tǒng)通過冗余設計， 以提高系統(tǒng)的可靠性。,可靠度分配,可靠度的設計包括以下幾個方面： 可靠性目標確定； 可靠度的分配； 系統(tǒng)可靠性調整； 設計內容。 可靠性的設計可參考浙江大學 陳裕全、李光著的P.32。,傳感器的選擇標準,與測試條件有關的事項； 與傳感器性能有關的事項； 與使用條件有關的事項； 與購買和維修有關的事項。,第一章主要內容,靜態(tài)特性定義；主要指標（靈敏度、線性度和遲滯）； 動態(tài)特性的評價標準；零階、一階和二階傳感器的頻率特性結論；暫態(tài)響應特性 傳感器的可靠性,