传感器及基本特性.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第一章 传感器及基本特性,1、传感器的组成,图1-4,传感器 组成框图,一、传感器：将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等），按照一定的规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置,。,传感技术：是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测（传感）原理、材料科学、工艺加工等三要素的最佳结合。,2026/3/1 周日,1,1-弹簧管 2-电位器,举例：测量压力的电位器式压力传感器,2026/3/1 周日,2,弹性,敏感元件（弹簧管）,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,2026/3/1 周日,3,弹性,敏感元件（弹簧管）,在下图中，弹簧管将压力转换为角位移,2026/3/1 周日,4,弹簧管放大图,当被测压力,p,增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。,2026/3/1 周日,5,其他各种弹性敏感元件,在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。,2026/3/1 周日,6,压力传感器的,外形及内部结构,2026/3/1 周日,7,被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量,在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-电阻的变化（,R,）,2026/3/1 周日,8,360度圆盘形电位器,右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。,接地,2026/3/1 周日,9,测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。,在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压,U,o,。,2026/3/1 周日,10,分压比电路的计算公式如下,：,直滑电位器式传感器的输出电压,U,o,与滑动触点C的位移量,x,成正比：,对圆盘式电位器来说，,U,o,与滑动臂的旋转角度成正比：,2026/3/1 周日,11,2、传感器分类,传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：,）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。,2）按测量原理分类：主要基于电磁原理和固体物理学原理，如基于变电阻原理，相应的有电位器式、应变式传感器；基于变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体的有关理论，相应的有半导体力敏、热敏、光敏等固态传感器。,本教材采用第二种分类法。,2026/3/1 周日,12,二、传感器基本特性,传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。,静态量：指稳定状态的信号或者变化极其缓慢的信号（准静态）。,动态量：通常指周期信号、瞬变信号或者随机信号,1、传感器的静态特性,2、传感器的动态特性,2026/3/1 周日,13,1、静态特性,静态特性：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。通常包括：线性度、灵敏度、精确度（精度）、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性等。,传感器在静态情况下输出输入的关系，通常用下列代数式来表示：,Y=a,0,+a,1,x+a,2,x,2,+a,n,x,n,静态特性的线性化：,静态校准曲线：传感器的静态特性是在静态标准条件下测定的。在标准的工作条件下，利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行循环往复的测量，即可得到输出输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被测量值（正行程和反行程）对应输出平均值的连线，即为传感器的静态校准曲线。,2026/3/1 周日,14,灵敏度：,灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用,K,来表示：,2026/3/1 周日,15,作图法求灵敏度过程,x,y,x,1,x,y,0,切点,传感器 特性曲线,x,max,2026/3/1 周日,16,分辨力：,指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。,2026/3/1 周日,17,线性度：,线性度又称非线性误差，是指传感器静态校准曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好。线性度,的计算公式如下：,（17）,2026/3/1 周日,18,作图法求线性度演示,（,1拟合曲线 2实际特性曲线,）,2026/3/1 周日,19,常用的拟合直线的方法：,理论拟合,过零旋转拟合,端点拟合,2026/3/1 周日,20,常用的拟合直线的方法：理论拟合、过零旋转拟合、端点拟合，下图为各种直线拟合方法：,2026/3/1 周日,21,设拟合直线方程：,最小二乘法拟合,y=k,x+,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,=y,i,-(,kx,i,+,b,),对,k,和,b,一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式,2026/3/1 周日,22,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L,max,即为非线性误差。,2026/3/1 周日,23,迟滞,是指在相同工作条件下进行全测量范围的校准时，在同一次校准中对应同一输入量正行程和反行程之间的最大偏差。数值的表示为最大偏差或者最大偏差的一半与满量程输出值的百分比：,2026/3/1 周日,24,重复性,是指在同一工作条件下，输入量按同一方向连续变动多次所得特性曲线的不一致性。,R,max,同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的极差。,2026/3/1 周日,25,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。,2026/3/1 周日,26,可靠性：,可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。,浴盆,曲线,2026/3/1 周日,27,“,老化,”,试验：,在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境,低温环境,高温环境反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低,。,老化,试验台,2026/3/1 周日,28,二 传感器的动态特性,动态特性：传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。,1、动态特性的一般数学模型,对于一个线性系统，动态输出与动态输入之间的关心可以用常系数线性微分方程来表示：,用算子D来表示d/dt时，可以写成,利用拉氏变换得到,2026/3/1 周日,29,传感器分为零阶传感器、一阶传感器和二阶传感器。,（1）零阶传感器的数学模型,a,0,Y(t)=b,0,X(t)或,Y(t)=b,0,/a,0,X(t)=KX(t),K静态灵敏度,（2）一阶传感器的数学模型,2026/3/1 周日,30,二阶传感器的数学模型,2026/3/1 周日,31,2、传递函数,在分析、设计、应用传感器时，传递函数的概念十分有用。传递函数是输出量和输入量之间关系的数学表示。传递函数的定义就是输出信号与输入信号之比。,由上面介绍的数学模型，可得到传感器的传递函数为,2026/3/1 周日,32,在上面的频率传递函数中，令,可以看出频率传递函数为一个复数，幅值为输出信号的幅值与输入信号幅值之比，相角为输出信号与输入信号相位之差。幅值与输入频率的关系曲线为幅频特性，相角与频率的关系曲线成为相频特性。两者合在一起称为传感器的频率特性。,下面为零阶传感器、一阶传感器和二阶传感器的传递函数和频率特性。,2026/3/1 周日,33,（1）零阶传感器的传递函数和频率特性,零阶传感器的频率特性,2026/3/1 周日,34,（2）一阶传感器的传递函数和频率特性,一阶传递函数的频率特性,2026/3/1 周日,35,（3）二阶传感器的传递函数和频率特性,2026/3/1 周日,36,3、传感器的动态响应极其动态特性指标,动态响应特性一般并不能给出其微分方程，而是常用通过实验给出传感器与阶跃响应曲线和幅频特性曲线上某些特征值来表示仪器的动态响应特性。,单位阶跃输入,2026/3/1 周日,37,（1）零阶传感器的响应,零阶传感器的单位阶跃响应,2026/3/1 周日,38,（2）一阶传感器的响应,一阶传感器的的单位阶跃响应,2026/3/1 周日,39,二阶传感器的阶跃响应,二阶传感器的单位阶跃响应,2026/3/1 周日,40,由图可知，只有1时，阶跃响应才出现过冲，即超过稳态值。欠阻尼情况下的振荡频率为,在实际应用中，为了兼顾有短的上升时间和小的过冲量，阻尼比一般取为0.7左右。,二阶传感器典型性能指标可由下图来得到,2026/3/1 周日,41,第二节,测量误差及分类,1、误差的定义,（1）真值即真实值，是指在一定的时间和空间条件下，被测物理量客观存在的实际值。真值通常是不可测量的未知量，一般说的真值是指理论真值、规定真值和相对真值。,理论真值：也称绝对真值，如平面三角形内角之和恒为180度。,规定真值：国际上公认的某些基准量值。,相对真值：是指计量器按照精度不同分为若干等级，上一等级的指示值即为下一等级的真值，此真值称为相对真值。,2026/3/1 周日,42,（2）误差,误差存在于一切测量中，误差定义为测量结果减去被测量的真值，即为：,（3）残余误差,残余误差定义为测量结果减去被测量的最佳估计值,2026/3/1 周日,43,2、测量误差的分类,测量误差不可避免的，究其原因，主要由以下因素引起。,工具误差：包括试验装置、测量一起所带来的误差，如传感器的非线性等。,方法误差：测量方法不正确引起的误差称为方法误差，包括测量时所依据的原理不正确而产生的误差。这种误差也称为原理误差或理论误差。,环境误差：在测量过程中，因环境条件的变化而产生的误差称为环境误差。环境误差主要是指环境的温度、湿度、气压、电场、磁场及振动、气流、辐射等。,人员误差：测量者生理特性和操作熟练程度的优劣引起的误差称为人员误差。,2026/3/1 周日,44,按照误差的特点和性质对误差进行分类，可分为随机误差、系统误差和粗大误差。,（1）随机误差,在相同的测量条件下，多次测量同一物理量时，误差的绝对值和符号以不可预定的方式变化着。也就是说产生误差的原因和误差数值的大小、符号是随机的，没有一个确定的规律，或者说是带偶然性的，这样的误差称为随机误差。,（2）系统误差,在相同的条件下，多次测量同一物理量，误差不变或按照一定的规律变化着，这样的误差称为系统误差。系统误差等于误差减去随机误差，是具有确定性规律的误差，可以用非统计的函数来描述。,2026/3/1 周日,45,随机误差的正态分布规律,长度相对测量值,次数统计,2026/3/1 周日,46,随机事例的几个例子,彩票摇奖,2026/3/1 周日,47,系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,夏天摆钟变慢的原因是什么？,2026/3/1 周日,48,系统误差又可以按照下列方法分类。,A、按照误差的掌握程度分为已定系统误差和未定系统误差。,已定系统误差：误差的变化规律为已知的系统误差。,未定系统误差：误差的变化规律为未确定的系统误差。,B、按误差的变化规律可分为定值系统误差、线性系统误差、周期系统误差和复杂规律系统误差。,（3）粗大误差,指误差数值特别大，远超过我们一定条件下的预计值，测量结果中有明显错误的这样的误差成为粗大误差。,2026/3/1 周日,49,产生粗大误差的一个例子,2026/3/1 周日,50,3、误差的表示方法,（1）绝对误差,绝对误差=测量值-真值,某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？,（2）相对误差,相对误差指绝对误差与被测真值之比值。,2026/3/1 周日,51,（3）引用误差,引用误差用测量仪器的绝对误差除以仪器的满度值来表示,引用误差实质上是一种相对误差，可用于评价某些测量仪器的准确度的高低。国际规定电测仪表的精度等级指数a分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0共七级，其最大引用误差不超过仪器精度等级指数的百分数，即r,m,小于等于a%。,2026/3/1 周日,52,第一章习题,1、一台精度等级为0.5级、量程范围为6001200,o,C的温度传感器，它最大允许的绝对误差为多少，检测某点最大绝对误差为4,o,C，问此表是否合格。,2、已知电感压力传感器的最小检测量为0.5mmH,2,O，测量范围为0250mmH,2,O，输出电压范围为0500mV，噪声系数为C=2；另一个电容压力传感器最小检测量为0.5mmH,2,O，测量范围为0100mmH,2,O，输出电压为0300mV，噪声系数为C=2。问那个传感器的噪声电平大，大多少？,2026/3/1 周日,53,3、已知某传感器的静态特性方程为Y=e,x,，试分别用切线法、端基法及最小二乘法，在0X1范围内拟合刻度直线方程，并求出相应的线性度。,4、某玻璃水银温度计的微分方程为,式中Q,0,为水银柱高度（m）；Q,i,为被测温度（,o,C）。试确定该温度计的时间常数和静态灵敏度系数。,2026/3/1 周日,54,休 息 一 下,2026/3/1 周日,55,