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1、湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院第六讲第六讲传感器分类及测试系统静态特性传感器分类及测试系统静态特性工程测试技术基础工程测试技术基础学习要求：学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类2.2.建立测试系统的概念建立测试系统的概念 3.3.了解测试系统特性对测量结果的影响了解测试系统特性对测量结果的影响 4.4.了解测试系统特性的测量方法了解测试系统特性的测量方法湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是一种以一定精确度把被测量按一定规传感器是一种以一定精确度把被测量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。律转换成便于处理和传输
2、的另一种物理量的装置。物理量物理量电量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。传感器分类传感器分类湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2. 2. 传感器的构成传感器的构成传感器由传感器由敏感器件敏感器件与与转换电路转换电路组成。敏感器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。转换电路则是对敏感器件输出的电信号进行放大、转换电路则是对敏感器件输出的电信号进行放大
3、、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 dV湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3. 3. 传感器的分类传感器的分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度,厚度,位移,速度,转数,加速度, 旋转角, 质量,重量,力,力矩热工量热工量: : 温度,热量,比热，压力(真空度),流速, 流量,物位物理化学量物理化学量: :气体(液体)密度,湿度,黏度,浓度, 盐度,化学成分生物医学量生物医学量: :血压,眼压,体温,血流,心电, 心音,心博,触觉,听觉声声,光光,电电,磁磁,热热,机机湖北工业大学机械学院湖北工业大学
4、机械学院机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式流体式, ,辐射式辐射式等等. .2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. .( (无源传感器无源传感器) ) 如如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部(有源传感器有源传感器)供
5、给能量的变化供给能量的变化.如如:电阻应变片电阻应变片.基座质量块压电晶片弹簧湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1）由外部辅助能源供给传感器工作，则被测量来控制能）由外部辅助能源供给传感器工作，则被测量来控制能量的变化。如：电阻应变仪，电感测微仪，电容测振仪量的变化。如：电阻应变仪，电感测微仪，电容测振仪能量控制型可分为两种类型：能量控制型可分为两种类型：2）由外部能源供给激励信号发生器，激励信号发生器以）由外部能源供给激励信号发生器，激励信号发生器以信号激励被测对象，传感器接收被测对象对激励信号的信号激励被测对象，传感器接收被测对象对激励信号的响应。响应。如超声波探伤，激光散斑测量应变
6、。如超声波探伤，激光散斑测量应变。测量对象辅助能源传感器测量对象信号发生器传感器辅助能源湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院传感器的数学模型传感器的数学模型传感
7、器作为感受被测量信息的器件，总是希望它能按照一定的规律输出有用信号,因此,需要研究其输入输出之间的关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。理论和技术上表征输入输出之间的关系通常是以建立数学模型来体现，这也是研究科学问题的基本出发点。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院输入输出关系静态特性动态特性微分方程描述湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院传感器的静态数学模型静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示：式中x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1
8、为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示；a2,a3,an为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 传感器静态数学模型有三种有用的特殊形式：1.理想的线性特性 通常是所希望的传感器应具有的特性，只有具备这样的特性才能正确无误地反映被测的真值。2. 仅有偶次非线性项 其线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为该曲线的斜率，一般传感器设计很少采用这种特性。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3. 仅有奇次非线性项 其线性范围较寛，且相对坐标原点是对称的，线性度较好，灵敏度为该曲线的斜率。 使用时一般都加以线性补偿措施，可获得较理想的线性特性。
9、湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院除（a）为理想特性外，其它都存在非线性，都应进行线性处理。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院传感器的特性与技术指标传感器的特性与技术指标传感器能否将被测非电量的变化不真地变换成相应的电量，取决于传感器的基本特性。传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测值处于稳定状态时,传感器的输出与输入的关系,主要由线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等性能来描述。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1.线性度Linearity线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，
10、又称非线性误差。 在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，即线性拟合。非线性误差或线性度通常用相对误差表示：YFS为满量程输出，Lmax为最大非线性绝对误差湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院目前常用的拟合方法有：目前常用的拟合方法有： 理论拟合；理论拟合； 过零旋转拟合；过零旋转拟合； 端点连线拟合；端点连线拟合； 端点连线平移拟合；端点连线平移拟合； 最小二乘拟合；最小二乘拟合； 最小包容拟合等。最小包容拟合等。端基直线端基直线 独立直线独立直线湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院设拟合直线
11、方程为最小二乘拟合最小二乘拟合 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2i为最小值，即湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 在获得k和b之值后代入式拟合直线方程即可得到拟合直线，然后按前式残差公式求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2.灵敏度Sensitivity灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率对于非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量.湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3.迟滞现象(回程误差）传感器在正向行程（
12、输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。在行程环中同一输入量xi对应的不同输出量yi和yd的差值叫滞环误差，最大滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率磁性材料的磁滞、弹性材料迟滞现象、以及机械结构中的摩擦和游隙等原因湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院4.重复性重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。传感器输出特性的重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。重复性误差属于随机误差,常用标准差表示:湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院5.分辨力Reso
13、lution传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。最小输入量用表示,由于在全量程范围内,各测量区间的不完全相同,因此分辨力用最大的表示。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院6.稳定性Stability稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院7.漂移Drifting传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移
14、包括零点漂移和灵敏度漂移；也可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院8.综合误差计算静态误差精度Precision或或用精度来表示精度是指仪器指示值和被测量真值的符合程度，精度是由非线性、迟滞、温度变化、漂移等一系列因素所导致的不确定度之和。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院传感器的静态特性传感器输入输出输入输出电磁场供电冲击与振动温度外界影响线性迟滞重复性灵敏度干扰稳定性漂移 稳定性分辨力与阈值输入输出误差因素理想实际湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械
15、学院传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。的问题。 1 1、灵敏度、灵敏度一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)b)量程范围。量程范围。 c)c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2 2 响应特性响应特性 传传感感器器的的响响应应特特
16、性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保持不失真的测量条件。保持不失真的测量条件。 实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。延迟，但总希望延迟的时间越短越好。 物性型传感器：压电效应，光电效应结构型传感器：电感，电容，磁电式湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院3 3 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作在线性区域
17、内，是保证测量精度的基本条件。作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。 测力量程：取决于弹性材料的弹力极限近似线性，非线性误差在允许限度之内湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院4 4 稳定性稳定性稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定性的因素是时间与环境。定性的因素是时间与环境。为了保证稳定性，在选择传感器时应注意：为了保证稳定性，在选择传感器时应注意：1.根据环境条件选择传感器；根据环境条件选择传感器；2.创创造造条条件件或或保保持持良良好好环环境境，在在传传感感器器长长期期
18、工工作作而而不不需需经经常常地地更更换换或或校校准准时时，应应对对传传感感器器的的稳稳定性有严格的要求。定性有严格的要求。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院传传感感器器工工作作方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触测测量量、破破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。6 6 测量方式测量方式 5 5 精确度精确度 传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测测量量的对应程度。的对应程度。精度是与评价测试装置产生的测量误差大小有关精度是与评价测试装置产生
19、的测量误差大小有关的指标的指标。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标:量程范围、过载能力灵敏度指标:灵敏度、分辨力、满量程输出精度有关指标:精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标:固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间温度指标:工作温度范围、温度误差、间谍漂移、温度系数、热滞后抗冲振指标:容许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其他环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧
20、使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率。各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质结构特点等安装方式、馈线电缆等湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感传感器电感传感器型号:NI8-M18-LIU技术参数测量范围：1.5mm测量长度：mm输出：U,0.10V(PIN4,黑)线性误差:3工作电压:15-30VDC连接方式:电缆温度范围:-10度至+70度防护等级:IP67杭州黑山科技有限公司传感器技术指标示例传感器技术指标示例 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电容式传感器(3351/1151)|技术性能精度：调校量程的0.1、0.2稳定性：最大量程的
21、0.2（12个月）温度范围：-40104温度影响：零点误差为量程的0.2555量程误差为量程的0.555静压范围：DP13.8MPaHP31.2MPaDR6.9MPa静压影响零点变化量：0.5超压极限：APGP13.8MPaDRDPHP同静压范超压影响零点变化量：1.5隔离膜片材料：316L不锈钢哈氏合金C蒙乃尔钽南京梅特朗测控仪表有限公司湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院IM05系列电感式接近开关系列电感式接近开关湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院MC-AF型半导体应变计主要技术指标:型号：AF1-60基底尺寸（mm）：95硅片尺寸(mm)：60.40.06电阻值()：60灵敏系
22、数：1005%电阻温度系数(1/)：0.08灵敏度温度系数(1/):0.12%最大工作温度():80工作电流(mA):25极限应变(u)；6000湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院型号型号:HAU1-HK-611:HAU1-HK-611井下高温压力传感器井下高温压力传感器 不锈钢结构，激光焊接，外形尺寸小，重量轻。精度高，性能稳定可靠，量程范围广。连接螺纹：M101,适用于石油测井、内燃机、压缩机、试验机等高温高压、恶劣环境场合的压力测量。主 要 技 术 指 标:测量范围 HK-611 010,15,20,25,30,40,50,60,80,100,150 MPa输出灵敏度 1.22mV
23、/V基本误差 0.1;0.2;0.3;0.5%F.S工作温度 -30+125; -40+150；-40+175零点温度影响 0.010.02%F.S /10输出温度影响 0.03%F.S/10激励电压512（高精度直流稳压电源）VDC绝缘电阻 1000M/100VDC输入电阻 6003500输出电阻 6003500零点输出 0.5mV安全过负荷率 120%F.S长期稳定性：零点0.1%F.S/年灵敏度 0.2%F.S/年湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院技术参数供电:电流输出型+24VDC（10%）电压输出型+1226VDC显示精度:湿度1.5RH(0100RH,23)温度0.3(-20
24、60)输出精度:湿度2RH(0100RH,23)温度0.5(-2060)电路工作温度:-20+60探头工作温度:-40+85长期稳定性:湿度1%RH/年温度0.1/年响应时间:小于15s（1m/s风速）输出信号:电流输出型420mADC电压输出型05VDC负载能力:电压输出型大于3K电流输出型小于500传感器特性:重复性：0.5RH，0.1年漂移：1RH，标准=工作湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院国家标准测力机（国家一级计量中心）一等标准测力机（省、部一级计量站）二等标准测力机（市、企业计量站）三等标准测力机、传感器工程测试、试验装置测试用传感器基准器一等标准器二等标准器三等标准器基准
25、标准工作标准允许测量误差0.001%0.01%0.1%(0.30.5)%1%力值传递系统湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院一、传感器的静态标定静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测其输出，给定标定曲线标定曲线、标定方程标定方程和标定常数标定常数，计算其灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标。静态标定设备（标准值发生器）有：力标定设备（砝码、拉式测力计等）压力标定设备（水银压力计、麦氏真空计、活塞压力计）温度标定设备（铂电阻温度计、铂铑-铂热电偶、基准光电高温比较仪等）标定设备的要求：足够的精度，至少比被标定的传感器高一个精度等级，符合国家量值传递规定，经计量部门检定合格；
26、量程范围与被标定传感器的量程相适应；性能稳定可靠，使用方便，能适应多种环境。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院二、传感器的动态标定动态标定是检验测试传感器的动态性能指标。通过确定其线性工作范围线性工作范围、频响函数频响函数、幅频特性幅频特性和相频特性曲线相频特性曲线、阶跃响应曲线阶跃响应曲线，来确定传感器的频率响应范围频率响应范围、幅值幅值误差和相位误差误差和相位误差、时间常数时间常数、阻尼比阻尼比、固有频率固有频率等。动态标定是检验测试传感器的动态性能指标。通过确定其线性工作范围线性工作范围、频响函数频响函数、幅频特性幅频特性和相频特性曲线相频特性曲线、阶跃响应曲线阶跃响应曲线，来确定
27、传感器的频率响应范围频率响应范围、幅值幅值误差和相位误差误差和相位误差、时间常数时间常数、阻尼比阻尼比、固有频率固有频率等。标准动态激励设备有：激振器、激波管、周期与非周期函数压力发生器绝对标定法比较标定法湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院振动台功率放大器信号发生器频率计放大器电压表读数显微镜光源待标定传感器振幅测量法(绝对标定法)工作原理：振动台产生简振作为输入，振幅由读数显微镜读出，振动频率由频率计指示，若测出传感器的输出电量，可计算得到位移、速度、加速度传感器的动态灵敏度；若改变振动频率，保持其它量不变，就可获得传感器的频率响应。夹具湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院振动台功
28、率放大器信号发生器放大器电压表待标定传感器标准传感器背靠背测量法(比较标定法)工作原理：灵敏度已知的标准传感器和待标定传感器背靠背安装在振动台上，同时感受相同的振动信号。可用于标定加速度、速度和位移传感器。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院测试系统特性测试系统特性 测试系统的静态特性测定是一种特殊的测试，测试系统的静态特性测定是一种特殊的测试，它是选择经过校准的它是选择经过校准的“标准标准”静态量作为测试系统静态量作为测试系统的输入，求出其输入、输出特性曲线。所采用的的输入，求出其输入、输出特性曲线。所采用的“标准标准”输入量误差应当是所要求测试结果误差的输入量误差应当是所要求测试结果误
29、差的1/3 1/3 1/51/5 或更小。或更小。 具体的标定过程如下：具体的标定过程如下： 1.1.作输入作输入- -输出特性曲线输出特性曲线 2.2.求重复性误差求重复性误差 3.3.求作正反行程的平均输入求作正反行程的平均输入- -输出曲线输出曲线 4.4.求回程误差求回程误差 5.5.求作定度曲线求作定度曲线 6.6.求作拟合直线，计算非线性误差和灵敏度求作拟合直线，计算非线性误差和灵敏度湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性案例：案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量物料配重自动测量系统的静态参数测量 灵敏度灵敏度=y/x=y/x非线性度非线性度=B/A100%=B/A100%回程误差回程误差= =(hmax/A)100%(hmax/A)100%测量范围：测量范围：
