传感器技术1-传感器技术基础-中英对照.ppt

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,Sensor/Transducer Technology,传感器技术,Instructor:Dr.,Jinbo,Fu(,符金波,),Ph.D.of Mechanical Engineering,Penn State Univ.,USA,M.S.of Electrical Engineering,Penn State Univ.,USA,M.S.of Mechanical Engineering,Penn State Univ.,USA,M.E.of Precision Instrument,Tsinghua,Univ.,PRC,B.E.of Precision Instrument,Tsinghua,Univ.,PRC,Office Address:,Room528,Central Building,Tel:[phone];,Email:fjb,第一章：传感器技术基础,Chapter1:the basics of sensor technology,1.2,传感器的一般数学模型,General mathematical model,1.1,1.2,1.3,1.4,传感器的特性与指标,Characteristics and performance index,改善传感器性能的技术途径,Tech methods for performance improvement,传感器合理选用,(,自学,),Proper selection on sensors,1.5,传感器的标定与校准,Sensor calibration,1.1,传感器的一般数学模型,传感器的,数学模型,(mathematic model),是指传感器的,输入,(input),输出,(output),关系,传感器的,静态模型,(static model),：,y=a,0,+a,1,x+a,2,x,2,+.+,a,n,x,n,线性模型,(linear model),：,y=a,0,+a,1,x,或,y=ax,动态模型,(dynamic model),微分方程,(differential equation),(,见课本,11,页，式,1-3),传递函数,(transfer function),(,见课本,11,页，式,1-4),1.2,传感器的特性与指标,传感器的,静态特性,(static characteristics),静态特性表示传感器在被测量各个值处于,稳定状态,(stable status),时的输入输出关系，也即当输入量为,常量,(constant),，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性,。静态特性主要考虑,非线性,(nonlinearity),和,随机性,(randomness),等因素。,线性度,(degree of linearity),线性度又称非线性，是表征传感器输出,-,输入校准曲线,(calibration curve),与所选定的,拟合直线,(fitted straight line),（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用,相对误差,(relative error),来表示线性度误差，即,传感器的,静态特性,(static characteristics),线性度,(degree of linearity),选定的,拟合直线,(fitted straight line),不同计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并应考虑使用与计算方便。下面是几种常用的拟合方法：,理论直线法,(Method of theoretic line),端点直线法,(Method of end-point line),最佳直线法,(Method of best line),最小二乘法,(Method of least squares),1.2,传感器的特性与指标,1.2,传感器的特性与指标,传感器的,静态特性,(Static characteristics),回差,(,Hysteresis,),（滞后,delay,、迟滞,lag,）,（请注意回差与线性度的差别）,重复性,(,Repeatability,),重复性反映传感器的,重复精度,(precision of repeating),，用,统计指标,(statistic index),表示。,重复性误差,(repeatability error),反映的是,校准数据,(calibration data),的,离散程度,(degree of dispersion),，属,随机误差,(random error),。,1.2,传感器的特性与指标,传感器的,静态特性,(Static characteristics),灵敏度,(,Sensitivity,),分辨力（分辨率）,(,Resolution,),分辨力是指在规定,测量范围,(range of measurement),内能测出的输入量的,最小变化量,(minimum change),。有时用该值相对,满量程,(Full Scale F.S.),输入值之,百分数,(percentage),表示，则称为分辨率。分辨力与精度,(precision),和灵敏度不同。,1.2,传感器的特性与指标,传感器的,静态特性,(Static characteristics),阈值,(,Threshold,),阈值是指能使,传感器输出端,(port of output),产生可测变化量的,最小被测输入量值,(minimum input of measurement),，实际上是,零位,(zero point),附近的分辨力。,稳定性,(,Stability,),又称,长期,(long term),稳定性，即传感器在相当长的时间内仍保持其,性能,(performance),的能力。,稳定性用一段时间后的传感器输出与,起始标定,(initial calibration),时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的,有效期,(period of expiration),来表示。,1.2,传感器的特性与指标,传感器的,静态特性,(Static characteristics),漂移,(,Drift,),漂移是指在一定,时间间隔,(time frame),内，传感器的输出量存在与被测量,无关的,(unrelated),、,不需要的,(unnecessary),变化。漂移包括,零点漂移,(zero drift),和,灵敏度漂移,(sensitivity drift),。,零点漂移和灵敏度漂移又分为,时间漂移,(time drift),和,温度漂移,(temperature drift),。,1.2,传感器的特性与指标,传感器的,静态特性,(Static characteristics),静态误差（精度）,(,Precision,),静态误差是评价传感器的,综合性能指标,(overall performance index),指传感器在满量程,(full range),内的任何一点输出值相对其,理论值,(theoretical value),的可能,偏离程度,(degree of deviation),，它表示采用该传感器进行,静态测量,(static measurement),时所得结果的,不确定度,(uncertainty),。,一般表示为一定置信概率下的相对误差,(relative error),。,1.2,传感器的特性与指标,传感器的,动态特性,(Dynamic characteristics),幅频特性,(,Amplitude-Frequency characteristics,),和,相频特性,(,Phase-Frequency characteristics,),将各种频率不同而幅值相等的,正弦信号,(sinusoidal signal),输入传感器，其它输出正弦信号的幅值,(amplitude),、相位,(phase),与输入信号频率之间的关系,1.2,传感器的特性与指标,传感器的,动态特性,(Dynamic characteristics),阶跃响应特性,(,characteristics,of step response),零阶环节（比例环节）,(zero order system),一阶环节,(first order system),二阶环节,(second order system),1.2,传感器的特性与指标,基本参数指标,(Basic specification indexes),量程指标,(indexes regarding scale of measurement),：,量程范围,(range of measurement),、过载能力,(overload capacity),等,灵敏度指标,(indexes regarding sensitivity),：,灵敏度,(sensitivity),、满量程输出,(full scale output),、分辨力,(resolution),、输入输出阻抗,(I/O impedance),等,精度方面的指标,(indexes regarding precision),：,精度,(,误差,),(precision),、重复性,(repeatability),、线性,(linearity),、回差,(Hysteresis),、灵敏度误差,(sensitivity error),、阈值,(threshold),、稳定性,(stability),、漂移,(drift),、静态总误差,(overall static error),等,动态性能指标,(indexes regarding dynamic performances),：,固有频率,(characteristic frequency),、阻尼系数,(damping coefficient),、频响范围,(frequency range),、频率特性,(frequency,charateristics,),、时间常数,(time constant),、上升时间,(rise time),、响应时间,(response time),、超调量,(overshoot),、衰减率,(attenuation ratio),、稳态误差,(stationary error),、临界速度,(critical velocity),、临界频率,(critical frequency),等,1.2,传感器的特性与指标,环境参数指标,(Environmental specification indexes),温度指标,(temperature related indexes),：,工作温度范围,(range of working temperature),、温度误差,(temperature error),、温度漂移,(temperature drifting),、灵敏度温度系数,(temperature coefficient of sensitivity),、热滞后,(thermal hysteresis),等,抗冲振指标,(shock&vibration related indexes),：,振幅值,(amplitude),、加速度,(acceleration),、冲振引起的误差等,其他环境参数,(other environmental indexes),：,抗,潮湿,(humidity),、抗介质,腐蚀,(erosion),、抗,电磁场干扰,(electromagnetic interference),能力等,1.2,传感器的特性与指标,可靠性指标,(Reliability indexes),其他指标,(other indexes),工作寿命,(operating life),、,平均无故障时间,(mean time w/o failure),、,保险期,(expiration period),、,疲劳性能,(fatigue performance),、等,使用,(operation),方面：,供电方式,(,直流、交流、频率、波形等,),、电压幅度与稳定度、功耗、等,结构,(structure),方面：,外形尺寸、重量、外壳、材质、结构特点等,安装连接,(installation and connection),方面：,安装方式,(installation method),、馈线,(feed cable),、电缆,(power cable),等,1.3,改善传感器性能的技术途径,Approaches to improve the performance of sensors,传感器的,误差来源,(sources of error),内部原因,(,internal causes,),传感器内部产生的,噪声,(noises),，包括,敏感元件,(sensitive element),、转换元件,(,transducing,element),和转换电路元件,(transforming circuit element),等产生的噪声以及电源产生的噪声。例如真空光电管放射不规则电子,(vacuum phototube emits irregular electrons),，半导体载流子,(charge carriers of semiconductor),扩散,(diffusion),而产生的噪声。,尽量减小噪声。例如，降低元件的温度可以减小,热噪声,(thermal noises),，对,电源变压器,(power source transformer),采用,静电屏蔽,(electrostatic shielding),可以减小,交流,(alternating current AC),脉动噪声,(impulsive noises),等。,1.3,改善传感器性能的技术途径,传感器的,误差来源,(sources of error),外部原因,(,external causes,),从外部混入传感器的噪声，按其产生原因可分为,机械噪声,(mechanical noises),（如振动,vibration,，冲击,shock,）、,音响噪声,(acoustic noises),、,热噪声,(thermal noises),（如因,热辐射,heat radiation,使元件相对位移或性能变化）、,电磁噪声,(electro-magnetic noises),和,化学噪声,(chemical noises),等。对振动等机械噪声可采用,防振台,(anti-shock platform),或将传感器固定在质量很大的基础台上加以抑制；而消除音响噪声的有效办法是把传感器用,隔音,(sound-proofing),器材围上或放在,真空容器,(vacuum container),里；消除电磁噪声的有效办法是,屏蔽,(shield),和,接地,(ground),或使传感器远离电源线，或使输出线屏蔽，输出线绞拧在一起等。,1.3,改善传感器性能的技术途径,技术途径,(technical approaches),结构、材料与参数的合理选择,(,properly select structure,material and parameter,),差动技术,(differential technique),平均技术,(averaging technique),稳定性处理,(stabilizing treatment),屏蔽,(shielding),、隔离,(insulation),与干扰抑制,(interference suppression),零示法,(zero checking),、微差,(micro-difference),法与闭环技术,(close-loop),补偿,(compensating),与校正,(correcting),集成化,(integrating),、智能化,(,intelligentizing,),与信息融合,(information merging),1.4,传感器的合理选用,Proper selection on sensors,有兴趣自学,Study by yourself if interested,1.5,传感器的标定与校准,sensor calibration,任何一种传感器在,装配,(assembly),完后都必须按,设计指标,(design specifications),进行全面严格的,性能鉴定,(performance verification),。使用一段时间后（,中国计量法,metrological law of China,规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验,(calibration experiment),，以便确保传感器的各项性能指标达到要求。,传感器标定就是利用精度高一级的,标准器具,(benchmark device),对传感器进行定度的过程，从而确立器输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。,根据系统的用途输入可以是静态,(static),的也可以是动态,(dynamic),的。因此传感器的标定有静态和动态标定二种。,1.5,传感器的标定与校准,sensor calibration,静态标定,(static calibration),静态标定主要用于检测传感器的,静态特性指标,(static characteristic indexes),，如,静态灵敏度,(static sensitivity),、,非线性,(non-linearity),、,回差,(,hysterisis,),、,重复性,(repeatability),等。,进行静态标定首先要建立,静态标定系统,(static calibration system),。静态标定系统的关键在于被测,非电量,(non-electric quantity),的标准发生器,(standard generator),及标准测试系统,(standard testing system),。,1.5,传感器的标定与校准,sensor calibration,动态标定,(dynamic calibration),用于确定传感器的动态性能，如,固有频率,(characteristic frequency),和,频响范围,(range of frequency response),等、,动态灵敏度,(dynamic sensitivity),等。,传感器进行动态标定时，需有一,标准信号,(standard signal),对它激励,(stimulate),，常用的标准信号有二类：一是,周期信号,(periodic signal),，如,正弦波,(sine wave),等；另一是,瞬变信号,(transient signal),，如,阶跃波,(step wave),等。,用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅频特性、阻尼,(damping),和动态灵敏度等。,Homeworks,(,家庭作业,),1,传感器的静态特性主要有那些？说明什么是线性度？,2,什么是传感器的静态误差？传感器的静态误差是如何评定的？,3.,某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：,铂电阻温度传感器：,0.45/;,电桥：,0.02V/,笔式记录仪：,0.2cm/V;,放大器：,100(,放大倍数,),求,:(1),测温系统的总灵敏度；,(2),记录仪笔尖位移,4cm,时，所对应的温度变化值。,4.,有三台测温仪表，量程均为,0800,，精度等级分别为,2.5,级、,2.0,级和,1.5,级，现要测量,500,的温度，要求相对误差不超过,2.5,，选那台仪表合理,?,Due date:Sep.29th,in class!,