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湖北工业大学机械学院 第六讲 传感器分类及测试系统静态特性 工程测试技术基础 学习要求： 1.了解传感器的分类 2.建立测试系统的概念 3.了解测试系统特性对测量结果的影响 4.了解测试系统特性的测量方法 湖北工业大学机械学院 1. 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 律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。 物理量 电量 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 号转换成电信号的装置。 传感器分类 湖北工业大学机械学院 2. 传感器的构成 传感器由 敏感器件 与 转换电路 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。 转换电路则是对敏感器件输出的电信号进行放大、 阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 d V 湖北工业大学机械学院 3. 传感器的分类 1)按被测物理量分类 常见的被测物理量 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 : 温度 ,热量 ,比热，压力 (真空度 ),流速 , 流量 ,物位 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 :血压 ,眼压 ,体温 ,血流 ,心电 , 心音 ,心博 ,触觉 ,听觉 声 ,光 ,电 ,磁 ,热 ,机 湖北工业大学机械学院 机械式 ,电气式 ,光学式 ,流体式 ,辐射式 等 . 2)按工作的物理基础分类 : 湖北工业大学机械学院 能量转换型和能量控制型 . 3)按信号变换特征 : 能量转换型 :直接由被测对象输入能量使其工作 . (无源传感器 ) 如 :热电偶温度计 ,压电式加速度计 . 能量控制型 :从外部供给能量并由被测量控制外部 (有源传感器 ) 供给能量的变化 . 如 :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 1）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 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 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。 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 4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系 : 物性型 :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换 .如 :水银温度计 . 结构型 :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变 . 例如 :电容式和电感式传感器 . 湖北工业大学机械学院 传感器的数学模型 传感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 输入 输出 关系 静态特性 动态特性 微分方程描 述 dt tdybtyb dt tdxaxa 1010 t 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 23 0 1 2 3 n ny a a x a x a x a x 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 xay 1 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 44221 xaxaxay 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 3. 仅有奇次非线性项 55331 xaxaxay 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。 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 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 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，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 m a x 100% L FS L Y 湖北工业大学机械学院 目前常用的拟合方法有： 理论拟合； 过零旋转拟合； 端点连线拟合； 端点连线平移拟合； 最小二乘拟合； 最小包容拟合等。 端基直线 独立直线 湖北工业大学机械学院 设拟合直线方程为 bkxy 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 )( bkxy iii 最小二乘法拟合直线的 原理 就是使 2i为最小值，即 n i n i iii bkxy 1 1 22 m i n)( 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。 22 )( ii iiii xxn yxyxn k 22 2 )( ii iiiii xxn yxxyx b 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 。 n yS x () n dy df xS dx dx 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 3. 迟滞现象 (回程误差） 传感器在正向行程（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 m a x 100% H FSY H 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 : ( 2 3 ) 100% R FSY 湖北工业大学机械学院 5. 分辨力 Resolution 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。 m a x 100% d FS x Y maxx x x 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 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。 0 100% FS Y Y m a x 100% FSYT 漂移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 8.综合误差计算 静态误差 精度 Precision . 3 2 2 2静 态 误 差 非 线 性 迟 滞 重 复 性 或 3 100% FSY 或用精度来表示 100% FS A Y 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 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 传感器选用原则 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 的问题。 1、 灵敏度 一般说来 ， 传感器灵敏度越高越好 ， 但 ， 在确定灵敏度时 ， 要考虑以下几个问题 。 a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围 。 c)交叉灵敏度问题 。 湖北工业大学机械学院 2 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内 ， 保持不失真的测量条件 。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定 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 3 线性范围 任何传感器都有一定线性工作范围 。 在线 性范围内输出与输入成比例关系 ， 线性范围愈 宽 ， 则表明传感器的工作量程愈大 。 传感器工 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 4 稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后 ， 其输出特性不发生变化的性能 。 影响传感器稳 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： 1.根据环境条件选择传感器； 2.创造条件或保持良好环境 ， 在传感器长期工 作而不需经常地更换或校准时 ， 应对传感器的稳 定性有严格的要求 。 湖北工业大学机械学院 传感器工作方式 ， 也是选择传感器时应考 虑的重要因素 。 例如 ， 接触与非接触测量 、 破 坏与非破坏性测量 、 在线与非在线测量等 。 6 测量方式 5 精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量 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 的指标 。 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 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 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 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 0.2（ 12个月） 温度范围： -40 104 温度影响： 零点误差为量程的 0.25 55 量程误差为量程的 0.5 55 静压范围： DP 13.8MPa HP 31.2MPa DR 6.9MPa 静压影响零点变化量： 0.5 超压极限： AP GP 13.8MPa DR DP HP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 IM05系列电感式接近开关 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）： 9 5 硅片尺 寸 (mm)： 6 0.4 0.06 电阻值 ()： 60 灵敏系数： 100 5% 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 型号 :HAU1-HK-611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： M10 1, 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 0 10,15,20,25,30,40,50,60,80,100,150 MPa 输出灵敏度 1.2 2mV/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 0.01 0.02%F.S /10 输出温度影响 0.03%F.S /10 激励电压 5 12（高精度直流稳压电源） VDC 绝缘电阻 1000M/100VDC 输入电阻 600 3500 输出电阻 600 3500 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 技术参数 供 电 : 电流输出型 +24VDC（ 10%） 电压输出型 +12 26VDC 显示精度 : 湿 度 1.5 RH (0 100 RH,23 ) 温 度 0.3 (-20 60 ) 输出精度 : 湿 度 2 RH (0 100 RH,23 ) 温 度 0.5 (-20 60 ) 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 4 20mADC 电压输出型 0 5VDC 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： 0.5 RH， 0.1 年漂移： 1 RH， 标准 =工作 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 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 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 、 标定方程 和 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；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 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 、 频响函数 、 幅频特性 和 相频特性曲线 、 阶跃响应曲线 ，来确定传感器的 频率响应范围 、 幅值 误差和相位误差 、 时间常数 、 阻尼比 、 固有频率 等。 定其 、 、 和 、 、 误差和相位误差 、 、 、 固有频率 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 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 振动台 功率放大器 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 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， 它是选择经过校准的 “ 标准 ” 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 “ 标准 ” 输入量误差应当是所要求测试结果误差的 1/3 1/5 或更小。 具体的标定过程如下： 1.作输入 -输出特性曲线 2.求重复性误差 3.求作正反行程的平均输入 -输出曲线 4.求回程误差 5.求作定度曲线 6.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 测试系统静态响应特性 案例： 物料配重自动测量系统的静态参数测量 灵敏度 = y/ x 非线性度 =B/A 100% 回程误差 =(hmax/A) 100% 测量范围：
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