传感器原理及应用传感器与测量的基本知识课件

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,*,主要内容,1.1,测量的基本知识,1.2,传感器的一般特性,1.3,提高传感器性能的方法,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,重点：,测量的基本知识、传感器的一般特性,难点：,传感器的一般特性,(,动态特性、静态特性,),主要内容传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识重点,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,信息采集的主要就是测量，并取得测量数据。,测量系统,由传感器与多台仪表组合在一起，才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统，它是传感技术发展的产物。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(1).,测量,测量 是以确定量值为目的的一系列操作。,将被测量与同性质的标准量通过专用的技术和设备进行比较，确定被测量对标准量的倍数，然后在量值上给出被测量的大小和符号的描述。,X=AX,0,测量定义,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(1).,测量,测量结果可用数值表示，也可用曲线或图形表示。,测量结果应包括：,比值,+,测量单位,+,误差,测量结果的表示,测量的过程就是传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得被测量的量值。,测量的实质,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(2).,测量方法,测量方法的分类,实现被测量与标准量比较得出比值的方法。,从不同角度有不同的分类方法。,根据测量方式,偏差法测量,零位法测量,微差法测量,根据获取测量结果的方法,直接测量,间接测量,组合测量,直接测量,间接测量,组合测量,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(2).,测量方法,根据测量的精度,测量方法的分类,等精度测量,非等精度测量,根据测量敏感元件与被测介质是否接触,接触测量,非接触测量,根据被测量的变化快慢,静态测量,动态测量,根据测量系统是否向被测对象施加能量,主动式测量,被动式测量,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(3).,测量系统,测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机结合。,测量系统应包括：,.,测量系统的构成,被测对象,被测量,传感器,数据传输,环节,数据处理,环节,数据显示,环节,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(3).,测量系统,传感器是感受被测量的大小并输出信号的器件或装置。,数据传输环节用来传输传输数据。,数据处理环节传感器输出信号进行处理或变换。,数据显示环节是将被测量信息变成人感官能接受的形式，以完成监视、控制或分析的目的。,对信号放大、运算、线性化、,A/D,转换,、,D/A,转换变成另一种参数的信号或变成某种标准化的统一信号。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(3).,测量系统,开环测量系统的全部信息变换只沿着一个方向进行。,闭环测量系统 在开环系统的基础上加上反馈环节，使信息变换与传递形成闭环。,将开环系统与闭环系统巧妙结合应用会使测量效果更好。,*,特点：能对反馈环内各误差进行补偿，使系统误差变小甚至无误差。,.,开环测量系统 与闭环测量系统,被测对象,x,传感,、变,送,k,1,放大,k,2,显示,k,3,x,1,x,2,y,*,特点：结构简单，各环节特性的变化都会造成测量误差。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(4).,测量误差,存在测量误差就与测量的目的,获取被测量的真实值不能相吻合。,.,测量误差的表示方法,测量误差 就是测量值与真实值之间的差值。反映测量质量的好坏。,绝对误差,：,=,|X-Q|,相对误差,：,=,/,X *100%,引用误差,：,=,/,（,X,max,-X,min,）,*100%,基本误差：,仪表在规定的标准条件下工作时具有的误差。,附加误差：,仪表的使用条件偏离额定条件下工作时的误差。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(4).,测量误差,.,误差的性质（分类）,系统误差,：,对同一被测量多次重复测量时，误差按照一定规律出现。,根据测量数据中误差所呈现的规律把误差分为以下三种：,随机误差,：,对同一被测量多次重复测量时，绝对值和符号不可预知的变化。,此类误差具有一定的统计规律性。,粗大误差,：,明显偏离测量结果的误差，又称疏忽误差。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(5).,测量精度与分辨率,精密度：描述测量仪表指示值不一致程度的量。,准确度：描述仪表指示值有规律地偏离真实值的程度。,精确度：是精密度和准确度的总和。,.,测量精度的三个指标,即，对某一稳定的被测量，在相同的工作和测量条件下，在相当短的时间内按同一方向连续重复测量，获得结果不一致的程度。,即，仪表在测量性能上的综合优良程度，仪表的精密度和准确度都高，其精度才能高。精确度最终是以测量误差的相对值来表示的，一般用仪表精度等级表示。,仪表精度等级是根据引用误差确定的，它是仪表在规定的工作条件下，其最大允许误差值相对仪表测量范围的百分数。等级有,0.001,，,0.005,，,0.02,，,2.5,，,4.0,，,6.0,等级。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.1,测量的基本知识,(5).,测量精度与分辨率,准确度是系统误差产生的，它是指服从某一特定规律（如，定值、线性、多项式、周期性等函数规律）的误差。,精确度是反映测量仪表优良程度的综合指标。,精密度高，准确度不一定高，因仪表本身可以存在较大的系统误差。,产生系统误差的原因,系统误差消除的办法,.,分辨率 使指示值发生变化的最小输入变化值,分辨率 显示仪表能够检测到被测量最小变化量的本领。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.1 测,1.2,传感器的一般特性,传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，,输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、,电容、质量块、弹簧等）的影响，对快变信号与慢变信,号，反应大不相同。,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,快变,信号,输入量,X,随时间,t,较快变化时考虑输出的,动态特性，,即随时间变化的特性；,慢变,信号,输入,X,为静态或变化极缓慢的信号时研究,静态,特性，,即不随时间变化的特性。,传感器系统,输入,x,y,输出,(1).,概述,1.2 传感器的一般特性 传感器一般要变换各种信息量为电量，,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.2,传感器的一般特性,静态特性，,当输入量（,X,）为静态（常量）或变化缓慢的,信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的静态性能，输入输出关系称,静态特性,。,即，传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出,-,输入的关系。,静态特性技术指标：,线性度,、,迟滞,、,重复性,、,灵敏度,、,稳定性,静态特性可以用函数式表示为,:,(1).,概述,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.2 传感,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,.,线性度,传感器的输入输出关系可以用多项式表示：,1.2,传感器的一般特性,其中：,X,输入量；,Y,输出量；,a,0,x,=0,时的输出值,a,1,理想灵敏度,a,2,a,3.,a,n,非线性项系数,（,2,）静态特性,拟合直线，,传感器非线性方次不高，输入量变化范围较小时，用一条直线近似代表实际曲线的一段，此直线为,拟合直线,。,线性度，,实际曲线与拟合曲线之间的偏差称为传感器的非线性误差或称,线性度,。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识.线性度,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.2,传感器的一般特性,传感器的非线性误差（线性度）用相对误差表示：,最大非线性绝对误差,满量程输出，可用,y,m,表示,线性度,线性度,是表征实际特性与拟合直线,不吻合的参数,Y,X,Yi,Xi,Lmax,Y=kx+b,.,线性度,（,2,）静态特性,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.2 传感,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.2,传感器的一般特性,各种直线拟合方法,.,线性度,（,2,）静态特性,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.2 传感,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,最小二乘法线性度,1.2,传感器的一般特性,解出,k,、,b,代入作拟合直线，,i,为非线性误差,.,线性度,（,2,）静态特性,求残差平方和为最小值,:,取,n,个测点,第,i,残差为,:,设拟合直线方程,:,拟合方法不同，其线性度也不同，用最小二乘法求取的拟合,直线的精度最高。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识最小二乘法线,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。,1.2,传感器的一般特性,例：一电子秤称重时，砝码或重物增减时电桥输出的关系：,增加砝码,10g 50g 100g 200g,电桥输出,0.5mv 2mv 4mv 10mv,减砝码时电桥输出,1mv 3mv 6mv 10mv,.,迟滞,（,2,）静态特性,以上，在砝码增减相同量时，电桥输出电压改变不同，这便是迟滞现象。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识 传感器在正,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,迟滞误差计算由满量程输出的百分数表示：,1.2,传感器的一般特性,为正、反,行程输出值间的最大差值,产生迟滞误差的原因：,由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。,如，传感器机械部分存在不可避免的缺陷，弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体等。,迟滞误差的存在使输入、输出不能一一对应。,.,迟滞,（,2,）静态特性,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识 迟滞误差计,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,1.2,传感器的一般特性,传感器输入量按同一方向作多次,测量时输出特性不一致的程度。,属于随机误差可用标准偏差表示：,或用最大重复偏差表示：,max,最大标准差；,（,2,3,）,置信度；,.,重复性,（,2,）静态特性,产生重复性不一致的原因与产生迟滞现象的原因相同。,多次重复测试的曲线越重合，说明重复性越好，误差也越小。,传感器原理与应用第1章 传感器与测量的基本知识1.2 传感,.,灵敏度,1.2,传感器的一般特性,在稳定条件下输出变化对输入变化的比值，用,K,表示。,对线性传感器，灵敏度是直线的斜率：,S=Y/X,，为常数。,对非线性传感器灵敏度为一变量：,S=dy/dx,灵敏度单位，,mv/mm mv/,传感器原理与应用,第,1,章 传感器与测量的基本知识,（,2,）静态特性,.灵敏度1.