吉林大学：《机电一体化》课程电子教案（PPT教学课件）第二章 传感器及测量系统（2.1-2.6）

第二章传感器及测量系统(1) 吉林大学机械电子工程学科 赵丁选

第二章 传感器及测量系统(1) 吉林大学 机械电子工程学科 赵丁选

2.1传感器及测量系统概述 ■在机电一体化产品中,传感器及测量系统是一个十 分重要的环节 是获取信息与处理信息的手段 只有在获得既准确又可靠的信息基础上,才能实现 自动化,节省能源和原材料,提高机器效率 信息采集与处理:模拟量←→数字量。AD转换器、 DA转换器。 2021年2月21日 2.1传感器及测量系统概述 2

2021年2月21日 2.1 传感器及测量系统概述 2 2.1 传感器及测量系统概述 ◼ 在机电一体化产品中，传感器及测量系统是一个十 分重要的环节 ◼ 是获取信息与处理信息的手段 ◼ 只有在获得既准确又可靠的信息基础上，才能实现 自动化，节省能源和原材料，提高机器效率。 ◼ 信息采集与处理：模拟量←→数字量。A/D转换器、 D/A转换器

发展趋势: (1)集成化:集成(传感器、放大器、运算器、补偿器等); 组合(不同功能的传感器);排列(成矩阵) (2)多功能化:如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等 多功能传感器。 (3)智能化:不但能对外界信号进行转换与测量,同时还具 有记忆存储、运算及数据处理等功能 (4)数字化:数字显示与微处理机的应用,使传感器应用更 为方便,可提高稳定性及精度,简化结构。 2021年2月21日 2.1传感器及测量系统概述 3

2021年2月21日 2.1 传感器及测量系统概述 3 ◼ 发展趋势： (1)集成化：集成（传感器、放大器、运算器、补偿器等）； 组合（不同功能的传感器）；排列（成矩阵）。 (2)多功能化：如温度与湿度、气敏与湿度、速度与长度等 多功能传感器。 (3)智能化：不但能对外界信号进行转换与测量，同时还具 有记忆存储、运算及数据处理等功能。 (4)数字化：数字显示与微处理机的应用，使传感器应用更 为方便，可提高稳定性及精度，简化结构

22模拟量传感器及测量电路 传感器及测量电路:物理量、化学性能→电信号 F(U,I,f 模拟量传感:(1)直接传感器;(2)差动传感器(信 号相加,干扰相减);(3)补偿传感器(抗干扰) 模拟量传感器性能指标:精确度、稳定性、输入/输 出特性 图2-2-1模拟量传感器及其测量电路结构 2021年2月21日 2.2模拟量传感器及测量电路 4

2021年2月21日 2.2 模拟量传感器及测量电路 4 2.2 模拟量传感器及测量电路 ◼ 传感器及测量电路：物理量、化学性能→电信号 ∝F（U，I，f） ◼ 模拟量传感：(1)直接传感器； (2)差动传感器（信 号相加，干扰相减）；(3)补偿传感器（抗干扰）。 ◼ 模拟量传感器性能指标：精确度、稳定性、输入/输 出特性。 图2-2-1模拟量传感器及其测量电路结构

2.3模拟量传感器性能指标 2.3.1精确度 精确度指标:共有三个:精密度、准确度、精度。 在工程上常用精度等级来表示传感器的精度(相对误 差) 传感器的精度等级一般分为 0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,,1.5,2.54.0,5.0和60。 A=观足范围内的最大绝对误差×100% 传感器的测量上下限之差 2021年2月21日 2.3模拟量传感器性能指标

2021年2月21日 2.3 模拟量传感器性能指标 5 2.3 模拟量传感器性能指标 2.3.1精确度 ◼ 精确度指标：共有三个：精密度、准确度、精度。 ◼ 在工程上常用精度等级来表示传感器的精度（相对误 差）。 ◼ 传 感 器 的 精 度 等 级 一 般 分 为 ： 0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,…,1.5,2.5,4.0,5.0和6.0。 A = 100% 传感器的测量上下限之差 规定范围内的最大绝对误差

232稳定性 传感器的稳定性有两个方面: (1)稳定度: 传感器的输出在所有条件恒定的情况下,于规定的 时间内,维持其值不变的能力。如:3.454mV/h (2)影响量: 传感器的输出在外界条件变化的情况下而引起输出 的变化量。例0.002mV℃ 2021年2月21日 2.3模拟量传感器性能指标 6

2021年2月21日 2.3 模拟量传感器性能指标 6 2.3.2稳定性 ◼ 传感器的稳定性有两个方面： (1)稳定度： 传感器的输出在所有条件恒定的情况下，于规定的 时间内，维持其值不变的能力。如：3.454mV/h。 (2)影响量： 传感器的输出在外界条件变化的情况下而引起输出 的变化量。例0.002mV/℃

2.33输入/输出特性 分类:静特性、动特性 1、静特性 定义:静特性是指输入量不随时间而变化,只考虑它 们之间的静态关系 ■静特性的主要指标:线性度、灵敏度与滞环。 (1)线性度:是指传感器输入喻输出特性曲线用一条直线来 近似代替时其准确程度。传感器输入与输出的典型特 性曲线如图2-3-1所示。 2021年2月21日 2.3模拟量传感器性能指标 7

2021年2月21日 2.3 模拟量传感器性能指标 7 2.3.3输入／输出特性 ◼ 分类：静特性、动特性。 1、静特性 ◼ 定义：静特性是指输入量不随时间而变化，只考虑它 们之间的静态关系 ◼ 静特性的主要指标：线性度、灵敏度与滞环。 (1)线性度：是指传感器输入/输出特性曲线用一条直线来 近似代替时其准确程度。传感器输入与输出的典型特 性曲线如图2-3-1所示

b 图2-3-1传感器输入/输出的曲型特性曲线 (2)灵敏度:传感器输出量增量与输入量增量之比,即传 感器输入/输出特性曲线上各点的斜率 (3)滞环:传感器输入输出静特性在输入量上升时和下降时 输出特性的不一致性 2021年2月21日 2.3模拟量传感器性能指标 8

2021年2月21日 2.3 模拟量传感器性能指标 8 (2)灵敏度：传感器输出量增量与输入量增量之比，即传 感器输入／输出特性曲线上各点的斜率。 (3)滞环:传感器输入/输出静特性在输入量上升时和下降时 输出特性的不一致性。 图2-3-1传感器输入/输出的曲型特性曲线

滞环误差和滞环率为: F= B×100% 1×100% hm hm v max 滞环是由于传感器吸收能量所产生,所以滞环效应常 伴着死区效应 krifI 图2-3-2滞环与滞环误差图 2-3-3一阶动力学系统 2021年2月21日 2.3模拟量传感器性能指标

2021年2月21日 2.3 模拟量传感器性能指标 9 ◼ 滞环误差和滞环率为: 滞环是由于传感器吸收能量所产生，所以滞环效应常 伴着死区效应。 100% 100% - max h m max d c max h m =  =  y y y y E  c y - y = d  图2-3-2滞环与滞环误差图 2-3-3一阶动力学系统

2、动特性 定义:当输入量随时间变化很快时,输入量与输 出量之间的动态关系 传感器输入/输出的动态特性是含有时间变量的 微分方程。 表达式为: m+h∠Lm+.+b、+b bx(t) 式中 对线性系统来说是常数 y、y)、…、ym—输出信号的各阶导数 输入信号xt)与输出信号y(t)具有相同的量纲。 2021年2月21日 2.3模拟量传感器性能指标 10

2021年2月21日 2.3 模拟量传感器性能指标 10 2 、动特性 ◼ 定义：当输入量随时间变化很快时，输入量与输 出量之间的动态关系。 ◼ 传感器输入／输出的动态特性是含有时间变量的 微分方程。 ◼ 表达式为： bn y (n)+bn-1 y (n-1)+…+b1 y (1)+b0 y=bx(t) 式中：b0、b1、…、bn——对线性系统来说是常数 y、y (1)、…、y (n)——输出信号的各阶导数 ◼ 输入信号x(t)与输出信号y(t)具有相同的量纲