第2章 传感器概述

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2章 传感器概述,2.1 传感器的组成和分类,2.2 传感器的基本特性,返回主目录,传感器的标定,2.1传感器的组成和分类,传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。,传感器的输出信号通常是,电量,它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式,如电压、电流、电容、电阻等,输出信号的形式由传感器的原理确定。,通常传感器由,敏感元件,和,转换元件,组成。其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。,由于传感器的输出信号一般都很微弱,因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。,一、传感器的组成,图 2-1 传感器组成框图,目前一般采用两种分类方法:一是按被测参数分类,如温度、压力、位移、速度等;二是按传感器的工作原理分类,如应变式、电容式、压电式、磁电式等。,二、传感器的分类,有源传感器和无源传感器,2.2传感器的基本特性（输入-输出特性）,传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用,静态特性,和,动态特性,来描述。,快变,信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；,慢变,信号研究静态特性，即不随时间变化的特性,一、传感器的静态特性,传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。只考虑传感器的静态特性时,输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是,线性度、灵敏度、迟滞、重复性,等。,电表四位半、四位，电阻103，电容103的含义,1.线性度,传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。,输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看,希望具有线性关系,即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞和漂移等因素,传感器的输出与输入关系,可用一个多项式表示：,式中:,a,0,输入量,x,为零时的输出量;,a,1,a,2,a,n,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不相同。,对于非线性，可以采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理,从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度）,通常用相对误差,L,表示,即,式中:,Lmax,最大非线性绝对误差;,Y,FS,满量程输出。,通常采用最小二乘法拟合,图 2-2#几种直线拟合方法,(,a),理论拟合；(,b),过零旋转拟合；(,c),端点连线拟合；(,d),端点平移拟合,2 灵敏度,灵敏度,S,是指传感器的输出量增量,y,与引起输出量增量,y,的输入量增量,x,的比值,即,S=y/x,对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率,即,S=y/x,为常数,而非线性传感器的灵敏度为一变量,用,S=,dy,/,dx,表示。,3.迟滞,传感器在输入量由小到（正行程）及输入量由大到小（反）行程）期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞,如图 2-,4,所示。也就是说,对于同一大小的输入信号,传感器的正反行程输出信号大小不相等。迟滞大小通常由实验确定。,迟滞误差,H,可由下式计算:,4.重复性,重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。,重复性误差属于随机误差,常用标准偏差表示,也可用正反,行程中的最大偏差表示,即,5、漂移,传感器漂移指的是在输入量不变的情况下，传感器输出量随时间的变化。,常见的有温度漂移，表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。,其他特性：稳定性、分辨率、阀值,二、传感器的动态特性,传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。,一个动态特性好的传感器,其输出将再现输入量的变化规律,即具有相同的时间函数。实际上输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间,的差异就是所谓的动态误差。,影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有,只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外,还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动特性时,通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。,虽然传感器的种类和形式很多,但它们一般可以简化为一阶或二阶系统（高阶可以分解成若干个低阶环节）,因此一阶和二阶传感器是最基本的。,零阶系统,一阶系统,二阶系统,例：动态测温,设环境温度为,T,0,水槽中水的温度为,T,而且,T T,0,传感器突然插入被测介质中；,用热电偶测温,理想情况测试曲线,T,是阶跃变化的；,实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程,水温,T,热电偶,环境温度,To,T To,补充内容（电路分析）,E,E,复阻抗,复频域变换,传感器的传递函数,：,1.瞬态响应特性,1)一阶传感器的单位阶跃响应 在工程上,一般将下式:,一阶传感器的传递函数：,对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号,0,t0,1 t0,x(t)=,由于,x(t)=1(t),x(s)=,传感器输出的拉氏变换为,Y(s)=H(s)X(s)=,一阶传感器的单位阶跃响应信号为,由图可见：,1）传感器存在惯性,它的输出不能立即复现输入信号,而是从零开始,按指数规律上升,最终达到稳态值,2）理论上只有时间达到无穷才能达到稳定，但当,t=4,时其输出达到稳态值的98.2%,可以认为已达到稳态,。,3）,越小,响应曲线越接近于输入阶跃曲线,因此,值是一阶传感器重要的性能参数。,频率响应：幅频特性、相频特性,将一阶传感器的传递函数中的,s,用,j,代替后,即可得频率特性表达式,即,相频特性,()=-,arctan,(),幅频特性,假设输入信号为正弦信号：,讨论：,一阶系统在时间常数,1,才近似零阶系统特性，,A（）k,（）0;,输出,y(t),反映输入,x(t);,当,=1,时，传感器灵敏度下降了3,dB，,如果灵,敏度下降到3,db,时的频率为工作频率上限，则：上限,频率为,W,H,=1/，,所以时间常数,越小，,W,H,越高工作,频率越宽，响应越好；,另外，,1,为过阻尼,无超调也无振荡,但达到稳态所需时间较长。,1,为欠阻尼,衰减振荡,达到稳态值所需时间随,的减小而加长。,=1,时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻,尼调整,取 0.70.8 为最好。,2)二阶传感器的频率响应,二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为,幅频特性,相频,特性,传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率,n,和阻尼比,。,当,时,A（）1,（）,很小,此时,传感器的输出,y(t),再现了输入,x(t),的波形。通常固有频率,n,至少应大于被测信号频率,的 35 倍,即,n,（35）。,为了减小动态误差和扩大频率响应范围,一般是提高传感器固有频率,n,。,3)频率响应特性指标,(1)频带传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带,对应有上、下截止频率。,(2)时间常数,用时间常数,来表征一阶传感器的动态特性。,越小,频带越宽。,(3)固有频率,n,二阶传感器的固有频率,n,表征了其动态特性。,所谓可靠性，就是指产品在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。,时间性（技术性指标）,统计性,两重性(科学技术与科学管理,),可比性（规定条件、规定时间、规定功能）,突出可用性,指标体系（耐久性、无故障性、维修性、可用性、经济性）,传感器可靠性技术（补充）,可靠性技术的基本特征量(),1、产品的可靠性与其工作条件密切相关,2、可靠度,R(t)（R(t)=P(Tt)）,3、,寿命分布函数(,F(t)=P(T=t),4、寿命概率密度,5、失效率,(t),6,、,寿命(平均寿命、可靠寿命、特征寿命,),7、浴盆曲线和可用寿命（早期失效期、偶然失效期、损耗失效期）,可靠性设计程序和原则,可靠性管理,可靠性实验,在可靠性技术工作中，人们总结出一条重要规律：产品的可靠性是设计出来的、生产出来的、使用和管理出来的。,