01-绪论

sn y s1 s2 y0 s10 s20 sn 0
结论：
①灵敏度变化引起的相对误差等于各个环节相对误差的代数和 ②可相互补偿
控制科学与工程系 27
②在有噪声情况下：
y N 0 s10 s20 sn 0 N n 1 S n 0 y0 x0 s10 sn 0 1 N1 N2 [ N0 ] x0 s10 s10 s20 N 0 N1 N n 1 x0 x1 xn 1
si si 0 si
①整个系统的性能指标与各环节性能指标的关系？ ②各环节性能的运筹？
控制科学与工程系 26
在理想条件下：
y0 s10 s20 sn 0 x0
①元件灵敏度发生变化
si si 0 si
y y0 y s1s2 sn x0
忽略灵敏度扰动高阶无穷小 sm sn 0
yi (V )
次数
xi 105 ( Pa)
0
正行程 反行程 正行程 反行程 正行程 反行程
1
2
3
4
5
1
0.0020 0.2015 0.4005 0.6000 0.7995 1.0000
0.0030 0.2020 0.4020 0.6010 0.8005
0.0025 0.2020 0.4010 0.6000 0.7995 0.9995 0.0035 0.2030 0.4020 0.6015 0.8005 0.0035 0.2020 0.4010 0.6000 0.7995 0.9990 0.0040 0.2030 0.4020 0.6010 0.8005
控制科学与工程系
23
6 传感器性能与结构的关系
直接变换型
差动型
平衡型—含有反馈环节 冗余型
控制科学与工程系
24
结构与传感器抗干扰能力的关系？ 在此问题定义下，设环境对传感器的影响表现为灵敏 度变化△S和—个等效的噪声N 。
x y S+△S
N
控制科学与工程系
25
（1）直接变换型
①灵敏度扰动模型： ②加性噪声信号模型 问题：
（2）促进基础学科研究 （3）推动经济发展、社会进步 （4）现状
控制科学与工程系 4
2 传感技术的内涵及特征
从自然信源获取信息
测量模型
多传感器数据融合
信号获取
传感器
测量电路
结 构
环 境 适 应 性
静 动 态 性 能
激 励 方 式
功 能 芯 片
信 号 检 出
控制科学与工程系
5
定义：传感技术是利用功能材料从自然信源获取信息，
并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现 代科学与工程技术，它涉及材料科学、工艺技术、传感 器原理、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测 试、应用及评价改进等活动。
特征：
事物的本质是： z＝f〔x, y〕 但是，由于观察本身的内在影响，只能得到 z’＝f’(x，y，观察者)
控制科学与工程系
控制科学与工程系 1
3 考核方法
总成绩主要由如下3部分组成：
① 考试卷面成绩
② 实验成绩 ③ 作业等
（约70%）
（约15%） （约15%）
控制科学与工程系
2
第一章
绪论
传感器与检测技术的地位与作用 传感技术的内涵及特征 传感技术的发展趋势 传感器的定义与分类 传感器的基本特性 传感器性能与结构的关系
6
3 传感技术的发展趋势
传感器性能的改善
差动技术、平均、补偿与修正、抑制干扰、稳定性处理等
开展基础理论研究
新原理、新材料、新工艺、新功能
传感器的集成化、智能化、网络化
控制科学与工程系
7
4 传感器的定义、组成与分类
4.1 定义 能感受（响应）规定的被测量，并按一定规律转换成可用 信号输出的器件或装置。
控制科学与工程系
21
5.2 .2 频率特性及其动态品质之间的关系
（1）一阶传感器
（2）二阶传感器 （3）频域性能指标 通频带、工作频带、相位误差
控制科学与工程系
22
5.2 .3 时域响应特性及其动态品质指标
●时间常数： ●延迟时间：达到稳态值50% ●上升时间：达到稳态值90% ●峰值时间： ●响应时间： ●超调量：
几种直线拟合方法示意图 (a) 理论拟合； (b) 过零旋转拟合； (c) 端点连线拟合； (d) 端点平移拟合
控制科学与工程系 12
（2）灵敏度
灵敏度定义为输出量的微小增量与相应的输入量微小增 量的比值。
控制科学与工程系
13
①灵敏度的高低是选择和设计传感器的重要依据之一； ②当传感器输出是几种因素作用的结果时，可以分别对各个
10
（1）线性度
线性度（非线性误差）用来说明静特性曲线偏离某种拟合直
线的程度，通常以其最大偏差△ym与满量程值(测量范围)yFS
的比值来表示：
控制科学与工程系
11
几种常用直线拟合方法：
(a) 理论拟合 (b) 过零旋转拟合 (c) 端点连线拟合（端基法） (d) 端点平移拟合 (e) 最小二乘法
将被测量离散为若干微小间隔，传感器能可靠地分辨
的最小间隔称为分辨力。
控制科学与工程系
18
（9）精确度（精度）
精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标
正确度、精密度、精确度
2 2 2 L H R
仪表精度等级 ： 又称准确度级, 是按国家统一规定的允许误差大小划分成的 等级。引用误差的百分数分子作为等级标志。
△Xm
x (5) 回差
当传感器同时具有死区和滞环两种非线性因素时，其综合影 响是复杂的，通常称为回差。
控制科学与工程系 16
（6 ）重复性
表示传感器在同一工作条件下，输入按同一方向作
全量程、连续多次重复测量时所得特性曲线的一致
程度。
R
max
yFS
100 %
max ：正反行程标准偏差最大值
因素确定其灵敏度；
③构成系统时，灵敏度与电路的放大倍数类同，即环节串联 时灵敏度相乘，并联时灵敏度相加。
控制科学与工程系
14
（3 ）迟滞
表示传感器在正、反行程期间输出一输入曲线的不重合程度。
y
ym H 100 % yFS
△ym
x
控制科学与工程系
Байду номын сангаас15
(4) 死区 在此区间，输入量的变化不引起输出的变化。 y
5.1 传感器的静态特性 稳态工作条件下的输出—输入关系。 稳态工作状态是指传感器的输入量恒定或缓慢变化而 输出量也达到相应的稳定时的工作状态。
y a0 a1x a2 x an x
2
n
主要指标：
灵敏度、 线性度、 迟滞、死区、重复性、 噪声电平 、 分辨率、精度
控制科学与工程系
2 3
作业：1-7、1-9
控制科学与工程系 35
噪声扰动模型：
si si 0 si
分别考虑系统各环节有灵敏度变化和有加性噪声输 入时，系统输出信号的相对误差
控制科学与工程系 36
结论：
①总误差等于各变换环节输入端的噪信比总和 ②总灵敏度一定，提高前面元件灵敏度可降低总噪声
③尽量降低第一个元件的噪信比
控制科学与工程系
28
（2） 差动型
问题： 并联系统有何优点？
控制科学与工程系
29
控制科学与工程系
30
（3） 平衡型
问题：如何在有限的条件下实现高品质的传感器？
控制科学与工程系 31
微分方程： 传递函数：
d n y (t ) d n 1 y (t ) d m x (t ) an an 1 a0 y (t ) bm b0 x(t ) n n 1 m dt dt dt
一阶传感器
H ( s)
1 s 1
二阶传感器：
2 n H ( s) 2 2 s 2n s n
A A 100% YFS
我国仪表精度等级有：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、 0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。
控制科学与工程系 19
5.2 传感器的动态特性
反映传感器对于随时间变化的输入量的 响应特性。
控制科学与工程系
20
5.2 .1 动态数学模型
控制科学与工程系
3
1 传感器与检测技术的地位与作用
（1） 是现代测控系统中的关键环节
①信息论的凸性定理 传感器决定了获取的信息量，一旦获取信息后，在以后的数据处理、特 征提取和识别中，只能对它进行变换，使之成为更易于识别的形式，但 不能产生表征信息源本质的新信息。 ②支持的反馈是控制科学的基本思想
传感器与检测技术
1 教学目的 2 教材和参考书目 教材： 传感器原理及其应用 王化祥 天津大学出版社 参考书目： ① 传感器原理及其设计基础 徐恕宏 华中理工大学出版社 ② 新编传感器技术手册 李科杰主编 国防工业出版社 ③ Sensors and signal conditioning. Pallas Areny, Ramon. New York 1991
控制科学与工程系
32
控制科学与工程系
33
（4） 冗余型
问题： 如何实现高可靠性的传感器？ 结论： 通过冗余配置传感器实现高可靠性。
控制科学与工程系
34
作业：1.
设有压力传感器的校准数据列于下表，试求（1）端基拟合 直线；（2）端基线性度；（3）滞环误差；（4）重复性误 差；（5）精度（λ=3）。
4.2 组成
敏感元件（预变换器）、 转换元件、测量电路