《传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第1章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器及其信号调理技术 教学课件 ppt 作者 徐湘元 第1章（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Techniques of Sensors and Their Signal Condition 传感器及其信号调理技术 Electronic Courseware 电子课件 (与机械工业出版社同名书配套使用),【内容提示】 检测技术作为获取信息的主要手段，在社会生产、科学实验和国防建设中起着重要的作用。本章概述检测技术的组成、传感器的分类和基本特性，同时给出了测量误差概念和测量基本方法,最后对未来检测技术的发展作了预测。这些内容对后续章节的进一步学习与掌握具有铺垫和指导用。,1.1 检测技术概要,图1-1 检测系统组成,1.1.1 检测系统的组成,检测技术 (measuring techni
2、que) 是研究信息的提取、转换及其处理的一门应用技术科学。一个完整的检测系统包括三部分：传感器 (sensortransducer)、信号调理器 (signal conditioner) 和输出单元 (output unit) ，其结构如图1-1 所示。,第1章 概述,传感器：将被测量（非电量）转换成电信号的器件或装置，一般由敏感元件、转换元件及其辅助部分组成。它涉及物理、化学、生物等多学科原理与知识，是检测系统中最重要的环节，决定着检测器的主要特征。 信号调理器：对传感器输出的电信号进行加工处理的单元，目的是使电信号规范化、标准化，便于与后续显示或应用环节衔接。主要有放大、滤波、非线性处理
3、和信号变换等几大功能块，使用的工具主要是电子技术和计算机技术。 输出单元：对经过信号调理后的电信号进行显示、记录，或者传输至数据通信接口、控制执行装置等环节。这些涉及仪表、控制、计算机等学科领域，主要的问题有信号显示、数据采集与接口等。 除此以外，检测技术还涉及到测量误差、信号分析与处理、以及抵抗干扰等方面的知识与技术。,在当今的物质世界中，电信号是一种产生比较容易、加工比较成熟、传输和使用比较方便的信号形式。所以，检测系统一般是先将非电量转变为与之成一定比例关系的电量，然后通过对其进行加工调理，变为易与后续电路衔接的标准形式。在这一过程中，传感器是实现非电量到电量转换的关键工具，而实现这种转
4、变的是敏感元件和转换元件。,1.1.2 获取信息的传感器,虽然现有的敏感和转换元件种类各式各样，感应和转换原理也千差万别，承接的被测量形形色色，但它们却有一个共同点，那就是最终都要输出与被测量相关的电信号。只是这种电信号在质量上参差不齐，问题不少，一般难以满足后续工作的要求，迫切需要加工处理。,1.1.3 传感信号的调理,传感器输出的信号是一种原始的待处理电信号，一般不方便直接使用，需要进行加工处理，这就是传感信号的调理。传感信号的调理属检测系统的后续信号处理环节，其内容和技术具有一定的共性，也就是说，不论是哪类传感器，原则上都需经过这些技术处理，才能方便后续使用，只是具体到不同的传感器及其使
5、用目的，处理的侧重点不同而已。,一般说来，经各种传感器输出的电信号普遍存在有这类问题：输出信号微弱、噪声大、输入输出之间不是线性关系、输出信号需要变换成其他形式传和使用，等等。如果将这些未经处理的电信号直接送入仪表、控制器、执行器和计算机接口，将会出现各种问题，使得系统不能正常工作。所以，信号加工调理是检测系统不可或缺的一环。传感器输出信号加工处理的内容主要包括：测量信号的放大、滤波、非线性校正、信号变换、采样保持、模数转换等。,1.1.4 输出环节,经过传感器和信号调理之后，输出的电信号往往是受理执行单元需要的标准信号形,式，如 4-20mA 的电流，数字编码等。输出环节的表现形式包括：显示
6、仪表和屏幕、记录仪和打印机、数据通信接口、控制执行装置等等。,1.2 传感器,最初，人类观察和认识自然现象只能依靠自身的感觉器官，如眼、鼻、耳、舌、皮肤等，以及极为简单的工（量）具。随着科学技术的发展、社会的进步，今天的人类获取外部信息的手段和工具已经有了极大的进步。从观察微生物的显微镜，到探测宇宙的射电望远镜，从工业生产线上的探头，到气象、水文、地质的监测，到处都需要对我们关心的对象提供及时准确的信息，这就是检测问题。而实现检测功能的主要器件或装置就是传感器，并由此派生出传感器信号的调理和输出等系列问题。,1.2.1 传感器的组成与分类,传感器是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输
7、出信号的器件或装置。面对各种各样的被测量，如热、光、力、磁、速度、湿度、浓度等，如何将它们正确地反映出来，并加以量化表述，然后将此信号输出，或显示，或实施，或提供给决策单元？这就是传感器的功能和作用。就目前科学技术发展水平而言，能够担当此任的，首选就是电子技术。这是因为，相对而言，人类对于电气和电子的认识比较深刻，技术上也比较成熟。先将各类被测量通过传感器的敏感元件和转换元件，转化为电量，然后对传感器是能感受规定的被测量其进行加工、传输、显示和实施。,传感器一般由敏感元件、转换元件及其辅助环节组成。其中，敏感元件直接感受和响应被测量，其输出可能是电量，也可能是另一非电量，但它们与被测量有对应关
8、系；转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（如电阻、电感等）或者电量；辅助环节主要是支持被测量转换成电量的部分，例如，如果转换元件的结果是电路参数，该环节就将电路参数转换为电量，如电压、频率等形式。,由此可以看出，传感器的组成并不是一个固定的模式。有的仅需要敏感元件就可将被测量转换为电量（例如热电偶），有的需要经过敏感元件和转换元件，才能转变成电量（例如压电式加速度传感器），有的则需要经过敏感元件、转换元件和辅助环节，才能转换成电量。这正是传感器多样性和复杂性的体现。,迄今为止，传感器已经发展了很多类型，按照不同的划分标准，可有不同类别。目前较为普遍的划分标准有两种：一是按输入被测量分
9、，二是按工作原理分。 按输入被测量分的传感器见表1-1。,表1-1 按被测量分的传感器,1.2.2 传感器的基本特性,鉴于传感器在检测系统中的地位重要、作用显赫，为了便于传感器的设计、评价和选择，有必要对其基本特性作些介绍。这里说的传感器基本特性是指传感器的输入与输出之间的关系特性，它包括静态特性(static characteristic)和动态特性(dynamic characteristic)，可用基本参数和技术指标来描述，其参数包括静态参数与动态参数两大类。,表1-2 按工作原理分的传感器,按工作原理分的传感器见表1-2，本书基本上是按此标准来对传感器进行叙述的。,1静态特性,传感器经
10、特性：当被测量的各值处在稳定状态的时候，传感器的输出值与输入值之间 的数学表达式、曲线或数表所表述的主要性质。描述传感器的静态特性的基本参数和技术,阈值：传感器的输入从零开始缓慢增加时，达到某一最小值才使传感器输出变化，称此最小输入值为阈值，该值为传感器最小可测出的输入量。 分辨力：传感器的输入从非零的任意值缓慢增加，超过某一输入增量后输出才变化,该输入增量称为传感器的分辨力。它说明传感器可测出的最小输入变量。该值除以满量程输入值，然后乘 100% 即为分辨率。,性能指标有：灵敏度、阈值、分辨力、线性度、滞后度、精度等。 （1） 灵敏度（sensitivity）：传感器在稳定条件下，输出变化量
11、与输入变化量之比。对于线性传感器，灵敏度为,这里 k 为常数， 为输入变化量， 为输出变化量。对于非线性传感器有,其中，d 为微分算子，y 为输出，x 为输入。,（2）阈值与分辨力 (threshold value, and resolutionresolving ability),(3) 线性度（linearity）：度量传感器输出输入之间线性程度的一种指标，定义为输出输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即,其中， 为输出与拟合直线之间最大偏差绝对值， 为满量程输出。 越小，线性度越好。当然，理想直线（拟合直线）的确定不同， 值会有差异。 如图1-2。,图1-2 线性度示意
12、图,（4） 滞后度（degree of hysteresis）,传感器输入量增大行程（正行程）和输入量减小行程（反行程），输出输入特性曲线不重合，称为滞后。滞后误差又称回程误差，或者变差：,其中， 为正反行程间，对应某一输入，例如， 时，输出最大 偏差； 为 x 由小到大时的输出值， 为 x 由大到小时的输出值，如图1-3所 示， 为满量程输出。,图1-3 滞后度示意图,（5）精确度（definition / precision） 精密度：对具有某特点的被测量，由同一人、用同一传感器在短时间内连续重复测量多次，以检验测量结果的分散程度。它表示随机误差大小。 准确度：传感器输出值与真值的偏离程度
13、。 精确度：简称精度，它是精密度和准确度的综合，即系统误差和随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度。精确度涉及真值，由于真值的不可知性，所以它仅是一个定性的概念。,传感器输入不变，输出量随时间变化而发生的缓慢变化。它反映传感器的稳定性。产生原因是传感器结构或者环境。 零漂 (zero drift / zero shift) ：输入为零时产生的漂移。,（6）漂移（drift）,2动态特性,在测量过程中，许多被测量是随时间变化的动态信号，这就要求传感器的输出能够及时准确地反映这种动态变化。传感器的动态特性就是传感器在测量动态信号时，传感器输出对于随时间变化的输入量的响应特性。它反映传感器测量
14、动态信号的能力。 在实际检测过程中，如果传感器选择不当，输出量不能跟随输入量的快速变化，将会导致较大的测量误差，所以，研究传感器的动态特性有着十分重要的意义。 系统的动态响应特性一般用微分方程、传递函数、单位脉冲响应函数和频率响应函数 等数学模型来进行研究。由于传感器的动态特性取决于传感器本身和输入信号形式，所以工程上常用正弦信号和阶跃信号作为输入，通过对传感器输出响应的分析，获得对传感器动态特性的评定。,例如，给传感器输入一个阶跃输入信号，传感器输出就有一个阶跃响应，据此响应曲线可以确定传感器的过渡过程时间、延迟时间、超调量等，从而可以对传感器动态特性作出具体的评价。 对于数字式传感器而言，
15、主要问题是在工作中不要丢数。为此，输入量的变化速度是一个关键因素。所以，数字式传感器动态特性的指标是：输入量的临界速度。,1.2.3 传感器的标定和校准,1传感器的标定（calibration）,用标准设备产生标准非电量（或用基准量），来确定传感器输出量（电量）与输入量（非电量）之间关系的过程，就是传感器的标定。传感器的标定要在与使用条件相似的环,标定活动所需的设备及其要求：被测非电量（标准）发生器、被测非电量测试仪、待标定传感器配接的信号调理器、显示、记录器等。标定设备应有足够精度，符合国家计量量值传递规定，其量程范围与被标定传感器的范围相当，性能稳定可靠。 标定内容：静态标定和动态标定。静
16、态标定用于确定传感器的静态特性指标；动态标定用于确定动态性能指标。 静态标定：输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞后度等静态指标。 动态标定：通过确定其线性工作范围、频率响应函数、幅频和相频特性曲线、阶跃响应曲线等，来确定传感器频率响应范围、幅值误差、相位误差、时间常数等,境和状态下进行。,2传感器的校准（alignment / adjustment） 传感器在使用了一定时间后，需定期对其基本性能和参数进行检测，判断其是否可以继续使用。如果可以继续使用，应对有变化的主要指标进行数据修正，确保传感器测量精度，这一过程就是传感器校准。校准的内容与标定大致相同。 值得一提的是，本节所谈的传感器基本特性和传感器标定、校准是针对传感器的，而考虑了信号调理环节后的检测器（或称检测系统）基本特性可能会有些变化，例如，线性度可能有改善，检测器的标定和校准也因追加了信号调理器后，也会
