传感器绪论与第一章

《传感器绪论与第一章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器绪论与第一章（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,传感器与检测技术,徐 小 玲,,广东石油化工学院自动化系测控教研室,Sensors & Testing Technology,2,3,电阻式远传压力表,感应式流量表,称重 传感器,CCD传感器,4,质子旋进式磁敏传感器,压阻式液位传感器,光敏传感器,温度传感器,5,风力参数传感器,地震检波器,反射式光敏传感器,磁、气、力敏传感器,超声 传感器,6,1仪表技术与传感器 http:/www.i- 2传感器世界 http:/ 3中国传感器 http:/ 4传感器技术 http:/www.sensor- 521IC中国电子网 http:/ 6传感器资讯网 http:/,参考网站,7,一 传感器的地

2、位和作用,传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器是获取信息的主要途径与手段。 没有传感器，现代化生产就失去了基础。 传感器是边缘学科开发的先驱。,第一章 绪 论,可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。,传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,8,二、传感器的定义与组成 1.定义 国家标准GB7665-87：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 2.组成 传

3、感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图见图0-1。,9,传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,图0-1 传感器组成框图,10,转换元件：转 换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。 基本转换电路：上述电感变化量接入基本转换电路(简称转换电路)，便可转换成 电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然

4、后输入到测控电路， 进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。,敏感元件：图0-2是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体1固接，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力pa相通，内部感受被测压力p。当p变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。,图0-2 气体压力传感器,11,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如图0-3热电偶。 有些传感器由敏感元件和转换

5、元件组成，没有转换电路，如图0-4压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,12,三、传感器的分类及对它的一般要求,传感器的分类 .按传感器的工作机理： 物理型、化学型、生物型等 .按构成原理： 结构型与物性型两大类。 .根据传感器的能量转换情况： 能量控制型和能量转换型两大类。 .按照物理原理： 电参量式传感器、半导体式传感器、压电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、热

6、电式传感器、波式传感器、射线式传感器、磁电式传感器 .按传感器的用途： 位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等等,下一页,13,物性型传感器是指依靠敏感元件材料本身物理变化来实现信号的变换。例如水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化变成水银柱的高低实现温度的测量。,结构型的传感器是依靠传感器结构参数的变化来实现信号的转换。例如：极距变化型电容式传感器就是通过极板间距离的变化来实现测量。,返回,14,能量转换型传感器也称为有源传感器,它能将非电能量转换为电能量。通常配有电压测量和放大电路，例如光电式传感器、热电式传感器属此类传感器。,能量控制型传感器又称为无源传感器，其本身不能

7、换能，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以必须具有辅助能源（电源）。例如电阻式、电容式和电感式等参数型传感器属此类传感器，此类传感器通常使用的测量电路有电桥和谐振电路。,返回,15,传感器的一般要求： 各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。但是有些一般要求却基本上是共同的，包括：,16,传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。,第一章 传感器的一般特性,传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。,当输入量随时间较快地变化时，这一

8、关系称为动态特性。,当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；,17,实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。,传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。,传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。,18,取决于传感

9、器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。,衡量传感器特性的主要技术指标,19,静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。,第一节 传感器的静特性,1线性度 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示： 式中：y输出量； x输入量； a0零点输出； a1理论灵敏度； a2、a3、 、 an非线性项系数。,各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。,y

10、=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn,20,通常用相对误差L表示： Lmax一最大非线性误差； yFS量程输出。,在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度,一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。,非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。,L=(Lmax/yFS)100%,理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合； 过零旋转拟合；最小

11、二乘拟合； 最小包容拟合,21,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 d)端点连线平移拟合,22,设拟合直线方程：,0,y,yi,x,y=kx+b,xI,最小二乘拟合法,最小二乘法拟合,y=kx+b,若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：,最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即,i=yi-(kxi+b),对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式,23,2迟滞,0,y,x,Hmax,yFS,迟滞特性,式中Hmax正反行程间输出的最大差值。 迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点

12、。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。,传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即,24,即得到k和b的表达式,将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。,25,3重复性,y,x,0,Rmax2,Rmax1,重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即,重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。,重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一

13、方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，yin，算出最大值与最小值之差或3作为重复性偏差Ri，在几个Ri中取出最大值Rmax 作为重复性误差。,Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。,26,4灵敏度与灵敏度误差,s=(k/k)100%,由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即,可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。,K=y/x,传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量 x之比即为其静态灵敏度，其表达式为,27,分辨力用绝对值表示

14、,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。,5分辨力与阈值,分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。,6稳定性,测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。,稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。,28,测试时先将传感器置于一定温度(如20),将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或

15、下降一定的度数(如5或10),再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。,8抗干扰稳定性,7温度稳定性,温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。,温度稳定性误差用温度每变化若干的绝对误差或相对误差表示,每引起的传感器误差又称为温度误差系数。,指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。 评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。,29,9静态误差,取2和3值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即,静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差,看成是随机分布,求出其标准偏差,即,静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。,yi各测试点的残差； n一测试点数。,30,与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度),10、精确度,准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。,精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被