检测与转换分解

检测与转换技术检测与转换技术轮机学院轮机学院 李啸李啸综合楼综合楼 508508（传感器原理与应用）（传感器原理与应用）信息采集信息采集信息传输信息传输信息处理信息处理传感器技术传感器技术通信技术通信技术计算机技术计算机技术传感器阵列传感器阵列智能传感器智能传感器Internet3GPC信息技术(IT)三大基础自动控制系统：应用控制装置自动地、有目的地控制或操纵机器设备或过程，使之具有一定的状态和性能，这样的系统就是自动控制系统。温度传感器电加热器电炉计算机系统加热器控制器打印机报警器电炉控制系统组成框图控制器控制器被被 测测 对对 象象传传 感感 器器信信 号号 变变 换换处处 理理可用信号可用信号被测量被测量显显 示示 记记 录录输出输出 单元单元给定信号给定信号汽车应用在汽车中的应用日新月异在汽车中的应用日新月异发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底底 盘：盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 船舶和海洋工程应用课程概述课程概述n28理论8实验n主要内容n传感器与检测概论传感器与检测概论n传感器基本特性传感器基本特性n电阻传感器电阻传感器n电容传感器电容传感器n电感传感器电感传感器n热电传感器热电传感器n压电传感器（应变式）压电传感器（应变式）n光电传感器光电传感器n霍尔传感器霍尔传感器n半导体传感器（气敏、湿敏）半导体传感器（气敏、湿敏）n超声波传感器超声波传感器n数字式传感器数字式传感器n新型传感器新型传感器n本课程的任务和目的（教材本课程的任务和目的（教材2 2，P3P3）参考书目参考书目n传感器与检测技术，邓长辉，大连理工大学出版社，2012版n检测与转换技术，董爱华，中国电力出版社，2007版，高等教育“十一五”规划教材n传感器技术及应用，樊尚春，北京航空航天大学出版社，2004版检测与传感器技术基础检测与传感器技术基础n任务一任务一概述：了解课程内容概述：了解课程内容n任务二任务二测量与测量误差测量与测量误差n任务三 了解传感器了解传感器的定义、组成、分类的定义、组成、分类n任务四任务四掌握传感器基本特性掌握传感器基本特性 1检测技术的概念检测技术的概念2检测技术的作用检测技术的作用3自动检测系统的组成自动检测系统的组成4自动检测技术的发展趋势自动检测技术的发展趋势任务一任务一概述：了解课程内容概述：了解课程内容1 1 检测技术的概念检测技术的概念检测定义：检测定义：利用各种物理、化学效应，选择利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。过程称为检测技术。检测与转换技术检测与转换技术检测与转换技术是自动检测技术与检测与转换技术是自动检测技术与自动转换技术的总称，是信息技术自动转换技术的总称，是信息技术的重要组成部分。它是以研究自动的重要组成部分。它是以研究自动检测系统中的信息的提取、信息转检测系统中的信息的提取、信息转换以及信号处理的理论和技术为主换以及信号处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。要内容的一门应用技术学科。自动检测系统与自动控制系统自动检测系统与自动控制系统流量传感器中间转换电路压力传感器中间转换电路温度传感器中间转换电路微机打印机报警器液压元件检测试验台系统组成框图自动检测系统：是自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断等诸系统的统称。被被 测测 对对 象象传传 感感 器器信信 号号 变变 换换处处 理理显显 示示 记记 录录输输 出出 单单 元元可用信号可用信号被测量被测量3自动检测系统的组成自动检测系统的组成把传感器输出的电量变成具有一定驱动把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的信号，以推动后级的显示和传输能力的信号，以推动后级的显示电路、数据处理装置及执行机构。电路、数据处理装置及执行机构。信号处理电路信号处理电路模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。模拟显示：直观模拟显示：直观显示器显示器数字显示：准确，但最后一位经常数字显示：准确，但最后一位经常跳动不止。跳动不止。图像显示：能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。图像显示：能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。记录仪：主要用来记录被检测对象的动态变化过程记录仪：主要用来记录被检测对象的动态变化过程主要是指计算机，将复杂的系统用到频谱分析仪。主要是指计算机，将复杂的系统用到频谱分析仪。数据处理装置数据处理装置通常是指各种继电器，电磁铁、电磁阀门、电通常是指各种继电器，电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。继电器继电器执行机构执行机构电磁阀门电磁阀门固态继电器固态继电器执行机构执行机构电磁调节阀电磁调节阀报警器报警器执行机构执行机构4自动检测技术的发展趋势自动检测技术的发展趋势n新型传感器新型传感器n无损、非接触传感器无损、非接触传感器n精密化精密化n智能化智能化n虚拟化虚拟化n网络化网络化n微型化微型化n集成化集成化应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域火星车火星车不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性。n提高测量精度提高测量精度将量程切换到将量程切换到2V时，最小显时，最小显示值为示值为1V发展微型化、集成化、智能化、虚拟化的传感器智能化智能化n面部识别技术面部识别技术n单片机芯片单片机芯片网络化传感器及检测技术逐步发展网络化传感器及检测技术逐步发展任务二任务二 测量与测量误差测量与测量误差1测量的分类测量的分类2测量误差及分类测量误差及分类动态测量与静态测量动态测量与静态测量n当测量系统用于测量快速变化信号(被测量本身随时间变化而变化)时，称它处于动态测量情况，描述仪器进行动态测量时的方程、图形、指标等统称为动态特性。n当测量系统用于测量固定不变的信号或者缓慢变化的信号时，称它处于静态测量情况，描述仪器进行静态测量的行为的方程、图形、指标等统称为仪器的静态特性。静态测量静态测量动态测量动态测量接触测量与非接触测量接触测量与非接触测量直接测量与间接测量直接测量与间接测量在线测量和离线测量在线测量和离线测量测量误差测量误差1.1.误差公理：测量结果与被测量真实值之误差公理：测量结果与被测量真实值之差就是测量误差。它反映了测量质量的差就是测量误差。它反映了测量质量的好坏，所有测量都有误差，误差自始至好坏，所有测量都有误差，误差自始至终都存在于所有科学实验和检测之中。终都存在于所有科学实验和检测之中。在分析测量误差时，人们采用的被测量真值是指在确定的时间、地点和状态下，被测量所表现出来的实际大小。一般来说，真值是未知的，所以误差也是未知的。但有些值可以作为真值来使用。例如理论真值，它是理论设计和理论公式的表达值。还有计量学约定真值，它是由国际计量学大会确定的长度、质量、时间等基本单位。另外，考虑到多级计量网中计量标准的传递，高一级标准器的量值也可以作为相对真值。2.2.等精度测量：在同一条件下所进行的一等精度测量：在同一条件下所进行的一系列重复测量。系列重复测量。3.3.非等精度测量：在多次测量中如对测量非等精度测量：在多次测量中如对测量结果精确度有影响的一切条件不能完全结果精确度有影响的一切条件不能完全维持不变。维持不变。4.4.真值：被测量本身所具有的真正值。真值：被测量本身所具有的真正值。5.5.实际值：精度更高一级的标准器具所测实际值：精度更高一级的标准器具所测得的近似值。得的近似值。6.6.标称值：测量器具上所标出来的值标称值：测量器具上所标出来的值7.7.示值：由测量器具读数装置所指示出来示值：由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。的被测量的数值。绝对误差是仪表的指示值绝对误差是仪表的指示值x x与被测量的真值与被测量的真值x x0 0之间的差值，之间的差值，记做记做绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同。引入绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同。引入绝对误差后，被测量真值可以表示为绝对误差后，被测量真值可以表示为式中，式中，c=-c=-，称为修正值或校正量，它与绝对误差的称为修正值或校正量，它与绝对误差的数值相等，但符号相反。数值相等，但符号相反。绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值，测量精度愈高。绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值，测量精度愈高。但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说明但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说明不同值的测量精度。为此，人们引入了相对误差的概念。不同值的测量精度。为此，人们引入了相对误差的概念。绝对误差绝对误差0 x-xcx-xx0相对误差是仪表指示值的绝对误差相对误差是仪表指示值的绝对误差与被测量真值与被测量真值x x0 0的的比值，常用百分数表示，无单位，即比值，常用百分数表示，无单位，即表示形式：实际相对误差：表示形式：实际相对误差：示值相对误差：示值相对误差：%1000 xA%100 xx相对误差相对误差%100 xx-x%100 x000使用相对误差采评定测量精度，也有局限性。它只能使用相对误差采评定测量精度，也有局限性。它只能说明不同测量结果的准确程度，但不适用于衡量测量说明不同测量结果的准确程度，但不适用于衡量测量仪表本身的质量。因为同一台仪表在整个测量范围内仪表本身的质量。因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值。随着被测量的减小相对误差变的相对误差不是定值。随着被测量的减小相对误差变大。为了更合理地评价仪表质量；采用了引用误差的大。为了更合理地评价仪表质量；采用了引用误差的概念。概念。%100fsfsx引用引用(满度满度)相对误差相对误差引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值；通常以百分引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值；通常以百分数表示。引用误差也叫满度误差。数表示。引用误差也叫满度误差。如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值大值m m代替代替，则可得到最大引用误差。则可得到最大引用误差。%100fsmmx对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差就对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差就是一个定值。是一个定值。准确度等级准确度等级%100fsmxS显然，精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程显然，精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。因此，使用测量仪表时，应当时，才能发挥它的测量精度。因此，使用测量仪表时，应当根据被测量的大小和测量精度要求，合理地选择仪表量程和根据被测量的大小和测量精度要求，合理地选择仪表量程和精度等级，只有这样才能提高测量精度。精度等级，只有这样才能提高测量精度。误差产生的原因误差产生的原因n系统误差系统误差n随机误差随机误差n粗大误差粗大误差 系统误差也称装置误差，它反映了测量系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度（准确度）。凡误差的数值值偏离真值的程度（准确度）。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过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。可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。系统误差系统误差 在同一条件下，多次测量同一被测量，有时在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小（也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小（精密度）。随机误差是测量过程中许多独立的、精密度）。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。随机误差都服从正态分布规律。随机误差随机误差随机误差的正态分布规律长度相对测量值长度相对测量值次次数数统统计计a)a)的系统误差较小，正确度较高。但随机误差较大，精密度较低。的系统误差较小，正确度较高。但随机误差较大，精密度较低。b)b)的系统误差较大，正确度较差。但随机误差较小，精密度较高。的系统误差较大，正确度较差。但随机误差较小，精密度较高。c)c)的系统误差和随机误差都较小，即正确度和精密度都较高。因的系统误差和随机误差都较小，即正确度和精密度都较高。因此精确度高。显然，一切测量都应当力求精密而又正确。此精确度高。显然，一切测量都应当力求精密而又正确。明显偏离真值的误差称为粗大误差，也明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。差。当发现粗大误差时，应予以剔除。粗大误差粗大误差系统误差系统误差-随机误差随机误差-粗大误差粗大误差3.按误差来源分类按误差来源分类（1）工具误差工具误差（2）方法误差方法误差4.按被测量随时间变化的速度分类按被测量随时间变化的速度分类（1）静态误差：静态误差是指在测量过程中，被测静态误差：静态误差是指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。（2）动态误差：动态误差是指在被测量随时间变化动态误差：动态误差是指在被测量随时间变化很快的过程中测量所产生的附加误差。动态误差是由很快的过程中测量所产生的附加误差。动态误差是由于有惯性、滞后等造成的。于有惯性、滞后等造成的。5.按使用条件分类按使用条件分类（1）基本误差：检测系统在规定的标准条件下使用基本误差：检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。检测系统的精确度由基本误差决定时所产生的误差。检测系统的精确度由基本误差决定（2）附加误差：当使用条件偏离规定条件时，除基附加误差：当使用条件偏离规定条件时，除基本误差外还会产生附加误差。本误差外还会产生附加误差。误差的处理误差的处理（一）、系统误差的减小或消除（一）、系统误差的减小或消除1.引入修正值法：引入修正值法：知道修正值后，将测量结果的指示值加上知道修正值后，将测量结果的指示值加上修正值，就可得到被测量的实际值。智能传感器更容易采用该修正值，就可得到被测量的实际值。智能传感器更容易采用该方法。方法。2.零位式测量法：零位式测量法：零位式测量法是标准量与被测量相比较零位式测量法是标准量与被测量相比较的测量方法。其优点是测量误差主要取决于参加比较的标准器的测量方法。其优点是测量误差主要取决于参加比较的标准器具的误差，该方法要求检测系统具有足够的灵敏度。如自动平具的误差，该方法要求检测系统具有足够的灵敏度。如自动平衡显示仪表。衡显示仪表。3.替换法（替代法、代替法）：替换法（替代法、代替法）：替换法是用可调的标准器替换法是用可调的标准器具代替被测量接入检测系统，然后调整标准器具，使检测系统具代替被测量接入检测系统，然后调整标准器具，使检测系统的指示与被测量接入时相同，则此时标准器具的数值等于被测的指示与被测量接入时相同，则此时标准器具的数值等于被测量。替换法在两次测量过程中测量电路及指示器的工作状态均量。替换法在两次测量过程中测量电路及指示器的工作状态均保持不变。保持不变。4.补偿法：补偿法：补偿法是替换法补偿法是替换法的一种特殊形式，相当于部分的一种特殊形式，相当于部分替换法和不完全替换法替换法和不完全替换法。5.对照法：对照法：在一个检测系统中，在一个检测系统中，改变一下测量安排，测出两个改变一下测量安排，测出两个结果。将这两个结果互相对照，结果。将这两个结果互相对照，并通过适当处理，可对测量结并通过适当处理，可对测量结果进行改正，这种方法称之为果进行改正，这种方法称之为对照法对照法。（二）、随机误差的减小或消除（二）、随机误差的减小或消除随机误差就单次测量而言是无规律的，其大小和方向随机误差就单次测量而言是无规律的，其大小和方向不可预知，但当测量次数足够多时，随机误差的总体不可预知，但当测量次数足够多时，随机误差的总体服从统计学规律，它具有以下特性：服从统计学规律，它具有以下特性：1.1.集中性：大量重复测量时所测得的数值均集中在平均值附近集中性：大量重复测量时所测得的数值均集中在平均值附近2.2.对称性：测量次数足够多时，符号相反、绝对值相等的误差对称性：测量次数足够多时，符号相反、绝对值相等的误差出现的机会大致相等。出现的机会大致相等。3.3.有限性：绝对值很大的误差出现的机会极少，误差有限。有限性：绝对值很大的误差出现的机会极少，误差有限。4.4.抵偿性：测量次数趋于无穷时随机误差的均值为零。抵偿性：测量次数趋于无穷时随机误差的均值为零。（三）、粗大误差（三）、粗大误差含有粗大误差的测量数据属于可以值或异常值，应含有粗大误差的测量数据属于可以值或异常值，应予以剔除，以减少和避免粗大误差的出现。判断粗予以剔除，以减少和避免粗大误差的出现。判断粗大误差可以从大误差可以从定性定性和和定量定量两方面考虑。两方面考虑。n1 1 传感器的定义传感器的定义n2 2 传感器的组成传感器的组成n3 3 传感器分类传感器分类任务三任务三 了解传感器的定义、组成、分类了解传感器的定义、组成、分类n 传感器定义传感器定义n根据国标（根据国标（GB7665-87 GB7665-87 传感器通用术语），传感传感器通用术语），传感器（器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）定义为：能感受规定）定义为：能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，通常由敏感元件和转换元件组成。器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。n敏感元件（敏感元件（Sensing ElementSensing Element）：传感器中能够）：传感器中能够直接感受被测量的部分。直接感受被测量的部分。n转换元件（转换元件（Transduction ElementTransduction Element）：传感器中）：传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。号部分。传感器的定义及其组成传感器的定义及其组成对传感器定义的理解对传感器定义的理解传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。它的输出量是某种物理量，另一种信息的装置。它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量种量可以是气、光、电量，但主要是电量,因而因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。换成电信号的装置。物理量物理量电量电量转换必须按照一定的规律进行。且应有一定的精转换必须按照一定的规律进行。且应有一定的精确程度。确程度。输出电量传感器的构成输出电量传感器的构成敏感元件：它直接感受被测量，并输出与被测量城区定关系敏感元件：它直接感受被测量，并输出与被测量城区定关系的某一物理量。的某一物理量。转换元件：它将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时转换元件：它将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件敏感元件和转换元件的功能是由一个元件(敏感元件敏感元件)实现的。实现的。调理电路：它将敏感元件和转换元件输出的电路参数转换、调调理电路：它将敏感元件和转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。理成一定形式的电量输出。敏感敏感 元件元件 转换转换 元件元件 调理调理 电路电路被测量中间量输出电量电量n敏感元件的作用通常是将被测量（非电量1）变换成另一个与被测量有确定关系的非电量2，而非电量2易于通过变换元件转换为电量。例如应变式压力传感器中的弹性模片就将其被测量（压力）转换为另一非电量（应变）。n变换元件通常不直接感受被测量。例如应变压力传感器中的应变片，它并不直接感受压力，而是将应变转换为电阻的变化。n不是所有的传感器都能明确的区分敏感元件与变换元件。传感器组成的理解传感器组成的理解n传感器的输出信号通常需要必要的信号调节电路将其进行放大或转换，而变成易于传输、处理、记录和显示的形式。n常见的信号调节电路有放大器、电桥、阻抗变换器、振荡器等。n信号调节电路通常完成传感器输出与后续测量电路之间的匹配。测定油箱内油面高度的装置。所用器材和电路元件如图所示，测定油箱内油面高度的装置。所用器材和电路元件如图所示，R是滑动变是滑动变阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，R是定值电阻，油量表（由电压表改是定值电阻，油量表（由电压表改装而成）。油面浮标上升时，油量表示数变大；反之，油量表示数变小。装而成）。油面浮标上升时，油量表示数变大；反之，油量表示数变小。举例：测量压力的电位器式压力传感器举例：测量压力的电位器式压力传感器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:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转数转数,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量流量;声声:声压声压,噪声噪声.磁磁:磁通磁通,磁场磁场.温度温度:温度温度,热量热量,比热比热.光：光：亮度，色彩亮度，色彩机械式机械式,电气式电气式,磁电式磁电式,光学式光学式,流体式等流体式等2)2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类: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.例如例如: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 供给能量的变化供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.对传感器的一般要求n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，这就是：可靠性；静态精度；动态性能；量程；抗干扰能力；通用性；轮廓尺寸；成本；能耗；对被测对象的影响等。n 传感器输入与输出之间的关系n被测量为某值时，可用信号输出应该是多少？可用信号输出为某值时，对应的被测量输入应该是什么？n输入应该按照某种规律转换为输出，同时，输出可以以某种规律反推出输入。传感器传感器被测量被测量输入输入可用信号可用信号输出输出n1 1 传感器的静态特性传感器的静态特性n2 2 传感器的动态特性传感器的动态特性任务四任务四 掌握传感器基本特性掌握传感器基本特性稳定性(零漂)传感器传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响 传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，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1 传感器的静态特性n静特性指标静特性指标1 1、线性度、线性度2 2、灵敏度、灵敏度3 3、迟滞、迟滞4 4、重复性、重复性5 5、零点漂移、零点漂移6 6、温度漂移、温度漂移静态特性：输入量为常量，或变化极慢。静态特性：输入量为常量，或变化极慢。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。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。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn传感器静态数学模型传感器静态数学模型线性度线性度直线拟合线性化直线拟合线性化 非线性误差或线性度非线性误差或线性度%100)(MFSaxLLy最大非线性误差 满量程输出指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比，表达式：偏差与传感器满量程输出的百分比，表达式：n 线性度n 线性度又称非线性误差，线性度又称非线性误差，是指测试装置的是指测试装置的输入和输出是否保持线性关系输入和输出是否保持线性关系,非线性误差越小非线性误差越小越好越好 。n 模拟仪表的刻度就可做成均匀刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环节。n 线性刻度的测量仪表往往实际特性偏离其理论上的线性特性，即非线性现象。n 线性度是衡量实际曲线偏离理论线性特性曲线程度的指标，它以实际示值与理论值之间差值的最大值和仪表测量范围之比的百分数表示。传感器的输入输出是线性关系的优点：传感器的输入输出是线性关系的优点：大大简化传感器的理论分析和设计计算；大大简化传感器的理论分析和设计计算；为标定和数据处理带来方便（已知两点可确定其为标定和数据处理带来方便（已知两点可确定其它点）；它点）；使仪表刻度容易，制作、安装调试方便；使仪表刻度容易，制作、安装调试方便；避免了非线性补偿环节。避免了非线性补偿环节。实际上只有在理想情况下，传感器的输入实际上只有在理想情况下，传感器的输入输出输出静态特性才呈线性。静态特性才呈线性。线性度：线性度：传感器的实际静特性曲线偏离某种拟合直传感器的实际静特性曲线偏离某种拟合直线的程度。（线的程度。（“非线性误差非线性误差”，通常用相对误差表，通常用相对误差表示其大小，即相对应的最大偏差与传感器满量程输示其大小，即相对应的最大偏差与传感器满量程输出之比）出之比）直线拟合线性化直线拟合线性化：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n出发点出发点获得最小的非线性误差获得最小的非线性误差a.a.理论拟合理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说方法十分简单，但一般说 较大较大MaxLxyLmaxb.b.过零旋转拟合过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使曲线过零的传感器。拟合时，使Max21LLLxyL2L1c.c.端点连线拟合端点连线拟合n把输出曲线两端点的连线作为拟合直线把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyLmaxd.d.端点连线平移拟合端点连线平移拟合n在端点连线拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移基础上使直线平移，移动距离为原先的一半动距离为原先的一半Max312LLLLyxLmaxL1L2L3作图法求线性度演示作图法求线性度演示 （1拟合曲线 2实际特性曲线 ）e.e.最小二乘拟合（拟合精度最高）最小二乘拟合（拟合精度最高）xy=kx+by灵敏度灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力表征传感器对输入量变化的反应能力dyyKdxx灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值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，用与输入变化值之比，用K K来表示：来表示：(a)(a)线性传感器线性传感器 (b)(b)非线性传感器非线性传感器 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 n 若输出和输入都是同一量纲时，则称为放大倍数或倍率。例如，一种机械式位移传感器当输入信号(位移量)有0.01mm的变化时，输出信号也是位移量，为10mm，此时n K10/0.011000n K越大，表示仪器越灵敏。从图形上看，它表示特性曲线的斜率。如果特性曲线是一根直线，则K是常数，意即系统是线性的；如果特性曲线是一根曲线，则K是变量，意即测量系统具有非线性特性，其灵敏度(曲线上各点的斜率)是变化的。K0，表示输出量随之输入量的增加而增大；而K0，则表示输出量随输入量的增加而减少。灵敏度作图灵敏度作图作图法求灵敏度过程作图法求灵敏度过程xyx1xy0切点切点传感器 特性曲线xmaxyKx传感器输出曲线的斜率斜率就是其灵敏度。迟滞迟滞 传感器在正（输入量增大）、反（输入量减传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象称为小）行程中输出输入曲线不重合的现象称为迟滞，表达式：迟滞，表达式：%100)(21(FSHMAXHy 正反行程间输出的最大差值。正反行程间输出的最大差值。HMAX%100)(2 1(FSHMAXHy满量程输出。满量程输出。迟滞特性迟滞特性xHmaxY正行程特性正行程特性反行程特性反行程特性n影响：分辨力变差影响：分辨力变差n希望：迟滞越小越好。希望：迟滞越小越好。重复性重复性n传感器在输入按同一方向连续多次变动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。时所得特性曲线不一致的程度。正行程的最大重复性偏差正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差1MaxR2MaxR%100)(MaxFSRRy取较大者为取较大者为MaxR 重复特性重复特性xRmax1Rmax2y零点漂移零点漂移 n传感器的漂移是指在输入量不变的情况下传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器的输出量随时间变化，此现象称，传感器的输出量随时间变化，此现象称为漂移。为漂移。%1000FSYY零漂零漂 式中式中Y0最大零点偏差；最大零点偏差；YFS 满量程输出。满量程输出。温漂温漂 n传感器在外界温度下输出量发出的变化传感器在外界温度下输出量发出的变化%100maxTYFS温漂温漂 式中式中max 输出最大偏差；输出最大偏差；T 温度变化范围；温度变化范围；YFS 满量程输出。满量程输出。2 2 传感器的动态特性传感器的动态特性n 动态特性动态特性:指传感器的输出对随时间变化的输指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。的输入量的能力。n 研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。分析产生动态误差的原因以及改善措施。时域：瞬态响应法时域：瞬态响应法频域：频率响应法频域：频率响应法 传感器动态特性传感器动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器动态特性可由下列方法表达：应特性。传感器动态特性可由下列方法表达：2.2.传递函数：传递函数：01110111.)()()(asasasabsbsbsbsxsysGnnnnmmmmxbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtdadtydammmmmmnynnnnn0111101111.1.1.微分方程：微分方程：n 测量系统的基本动态特性是指在动态测量时，测量系统的输出量与随时间变化的输入量之间的函数关系，就是通常所讲的输出与输入的瞬时响应。更一般说来，就是测量系统的过渡过程曲线。用体温表测量体温，要过几分钟才能读数，这时因为时间短了，达不到稳定值，要有一过渡过程。一个测量系统的动态特性标志着它的动态品质的好坏，当测量系统的极限频率等于被测信号的最高频率时，便可认为测量系统本身能够完成被测信号的测量任务。反之，如果测量系统的极限频率低于被测信号的最高频率时，测量系统的输出就跟不上输入的被测信号，而产生较大的动态误差。也就是说，若一台仪器的输出信号是紧紧追踪一个急速波动的输入信号，这台仪器就具有良好的动态响应。一阶传感器的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应对一阶系统的传感器，设在一阶系统的传感器，设在t=0时，时，x和和y 均为均为0，当，当t0时，有一单位阶时，有一单位阶跃信号输入跃信号输入,如图。如图。tx01ty01瞬态响应特性：时间响应瞬态响应特性：时间响应 一阶传感器一阶传感器的时间常数的时间常数越小越好越小越好 上升时间上升时间tr 输出由稳态值的输出由稳态值的10%变化到稳变化到稳态值的态值的90%所用的时间。所用的时间。响应时间响应时间ts 系统从阶跃输入开始到输出值系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。峰值时间峰值时间tp 阶跃响应曲线达到第一个峰值阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。所需时间。超调量超调量 传感器输出超过稳态值的最大值传感器输出超过稳态值的最大值A，常用相对于稳态值的百分比，常用相对于稳态值的百分比表示。表示。