传感器原理及应用PPT教程课件专用

,过程控制系统与仪表 第,2,章,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,*,传感器原理及应用,第,2,章,2.1,传感器的组成和分类,传感器的作用,传感器的定义,传感器的组成,传感器的分类,人体系统和机器系统比较,眼视觉,耳听觉,鼻嗅觉,皮肤触觉,舌味觉,感知外界信息 大脑 肌体,2.1,传感器的组成和分类,1,、传感器的地位和作用,传感器是一个会聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型穿插学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一。,工业生产,智能建筑,降低能耗,提高操作者工作效率,提高楼宇内部舒适程度,供给高效的,设备治理手段,监控软件,缩短投资回收周期,降低培训本钱,航空航天宇宙飞船,飞行的速度、加速度、位置、姿势、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进展检测，其中：,温度传感器559个,压力传感器140个,信号传感器501个,遥控传感器142个,整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体,智能房屋自动识别仆人，太阳能供给能源,智能衣服自动调整温度,智能大路自动显示、记录大路压力、温度、车流量,智能汽车无人驾驶、卫星定位,将来世界,Human with Sensors,传感器还渗透到海洋探测、环境爱护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物爱护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种简单的工程系统，几乎每一个现代化工程，都离不开各种各样的传感器。,血压测定方法和输出的结果,广义：,传感器是一种能把特定的信息物理、化学、生物按肯定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。,狭义：,能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。,国家标准GB7665-87：,对传感器Transducer/Sensor的定义：,能够感受规定的被测量并依据肯定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,2,、传感器的定义,测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两局部组成。,这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化,的器件就是传感器。,输入匹配,放大变换,被测信号,输出,检测器件,信号处理,广义传感器,传感器定义有以下含义,它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置；,输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；,能按肯定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；,传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。,按使用场合不同又称为：,发送器、传送器、变送器、检测器、探头,传感器功用：,一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,3,、传感器的组成,帮助电源,敏感元件,转换元件,转换电路,被测量,电量,敏感元件,是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件,：,敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,根本转换电路：上述电路参数接入根本转换电路简称转换电路，便可转换成电量输出。,物理、化学、生物信息,实际上，有些传感器很简洁，有些则较简单，大多数是开环系统，也有些是带反响的闭环系统。,由敏感元件和转换元件组成的传感器,由于空间的限制或者其他缘由,转换电路常装入电箱中。然而，由于不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而打算了转换电路是传感器的组成环节之一。,由一个敏感元件组成的最简洁的传感器,质量块,压电片,4.,传感器的分类,物理型：,化学型：利用电化学反响原理,生物型：利用生物活性物质选择性,构造型：取决于几何尺寸和外形,物性型：取决于材料性质,按,传感器的工作原理,按被测量,温度、流量、,压力、湿度、浓度、力学量、磁学量、光学量、气体成分等,依据传感器输出信号：模拟信号和数字信号,依据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器,传感器的能量来源：能量掌握型和能量转换型传感器,按可变电参量：电阻型、电感型或电容型,按传感器技术进展：聋哑传感器(Dumb Sensor)、智能传感器(Smart Sensor)、网络化传感器(Networked Sensor),其他分类,2.2,传感器的特性与主要性能指标,传感器的静态特性与主要性能指标,传感器的动态特性与动态指标,定义：,传感器特性：指输入x被测量与输出y之间的关系,静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系,动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系,2.2,传感器的特性与主要性能指标,2.2,.,1,传感器的静态特性与主要性能指标,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,。,1,测量范围和量程,传感器所能测量到的最小被测量输入xmin与最大被测量输入xmax之间的范围称为传感器的测量范围measuring range,表示为YFS或xmin，xmax。,传感器测量范围的上限值与下限值之差xmaxxmin称为量程span。例如一温度传感器的测量范围是-30+120,那么该传感器的量程为150。,2,灵敏度与灵敏度误差,可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处一样，灵敏度s是一常数，与输入量大小无关。,传感器,输出的变化量,y,与引起该变化量的,输入变化量,x,之比即为其,静态灵敏度,(Sensitivity),，其表达式为,线性：,S=,y/,x,非线性：,S=dy/dx,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便利，希望得到线性关系。这时可承受各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进展线性化处理。,3线性度(Linearity),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、不稳定性等因素的状况下，其静态特性可用以下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，打算了特性曲线的具体形式。,y=a,0,+a,1,x+a,2,x,2,+a,3,x,3,+a,n,x,n,L,max,一最大非线性误差；,y,FS,满量程输出。,在承受直线拟合线性化时，全量程范围实际曲线与其拟合曲线之间的最大偏差与满量程输出值之比，就称为非线性误差或线性度，用相对误差L表示：,一般来说，这些方法都比较简单。所以在非线性误差不太大的状况下，总是承受直线拟合的方法来线性化。,非线性偏差的大小是以肯定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要动身点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否便利，计算是否简便。,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,4,迟滞,0,y,x,H,max,y,FS,迟滞特性,式中 Hmax正反行程间输出的最大差值。,迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用确定误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。,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称为迟滞。,迟滞差值：,正反行程的差值。,迟滞误差：,传感器在全量程范围内最大,迟滞差值,Hmax,与满量程输出值之比,5,重复性,(Repeatability),y,x,0,R,max2,R,max1,重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即,重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续屡次变动时所得特性曲线不全都的程度。,或用标准差,计算，表示如下：,R,max1,正行程的最大重复性偏差，,R,max2,反行程的最大重复性偏差。,区分力用确定值表示,用与满量程的百分数表示时称为区分率。在传感器输入零点四周的区分力称为阈值。,6区分力与区分率,区分力resolution:指传感器能检测到的最小的输入增量的xmin确实定值。,有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则区分力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。区分率反映了传感器检测输入微小变化的力量。,影响传感器区分力的因素很多，如机械运动部件的摩擦、电路中的储能元件和A/D的位数。在传感器的测量范围内，由于其输入/输出之间呈非线性关系，所以在不同输入时区分力不同，用max|xmin|表示传感器的区分力。用满量程的百分数表示时称为区分率。,被测量可能以各种形式随时间变化，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。其间的关系用动态特性方程描述。,、传感器的动态特性与动态指标,动态特性,指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。,传感器动态特性方程就是指在动态测量时，传感器的输出量与输入被测量之间随时间变化的函数关系。,它依靠于传感器本身的测量原理、构造，取决于系统内部机械的、电气的、磁性、光学的等各种参数，而且这个特性本身不因输入量、时间和环境条件的不同而变化。,使用传感器时，依据动态特性及使用条件确定使用方法，同时估量给定条件下传感器动态误差、响应速度(延迟时间)和动态灵敏度。,传感器动态特性可用以下微分方程描述,下面只争论零阶、一阶、二阶系统：,1,零阶传感器动态特性指标,零阶传感器的输出通过以下类型的方程与其输入相联系,y(t)=kx(t),传感器的传输函数 G(s)=k,传感器的频率特性 G(j)=k,k：静态灵敏度或放大系数。,零阶传感器是比例传感系统，传函恒定不变。因此，传感器的动态误差和延迟两者皆为零。,上式的输入输出关系要求传感器不包含任何储能元件。例如，用来测量线性位移和旋转位移的电位器型传感器。,2,一阶传感器动态特性指标,在一阶传感器中包含一个储能元件和另一些耗能元件。输入,x(t),和输出,y(t),由一阶微分方程描述：,相应的传递函数为：,K,静态灵敏度,(,静态增益,),，,K=1/a,0,时间常数，,=a,1,/a,0,对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号,一阶传感器的单位阶跃响应信号为,相应的响应曲线如图2-7所示。由图可见,传感器存在惯性,它的输出不能马上复现输入信号,而是从零开头,按指数规律上升,最终到达稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才到达稳态值,但实际上当t=4时其输出到达稳态值的98.2%,可以认为已到达稳态。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。,二阶传感器包含两个储能元件和一些耗能元件。如，由质量、弹簧和阻尼器构成的加速度传感器，可变电感、分布电容和匹配电阻构成的位移传感器，均为经典的二阶系统。传感器输入,x(t),和输出,y(t),由二阶微分方程相联系：,传递函数：,3,二阶传感器动态特性指标,时间常数，；,n,固有频率,n,=1/,阻尼系数，；,k,静态灵敏度，,k,=,b,0,/,a,0,(,常取为,1),2.4,2.2,2.0,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,0.5,1,1.5,2,2.5,(a),(b),0,-30,-60,-90,-120,-150,-180,0.5,1,1.5,2,2.5,=,0,=,0.2,=,0.4,=,0.6,=,1,=,0.8,=,0.707,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=,0.707,=,0.8,=,1,=0.8,=1,=0.707,=0.6,=0.4,=0.2,=0,二阶传感器幅频与相频特性,a幅频特性 b相频特性,当0时，在=1处A()趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着的增大，振荡现象渐渐不明显。,当0.707时，不再消失振荡，这时A()将随着的增大而单调下降。,阻尼系数的影响,A,(),二阶传感器的阶跃响应,单位阶跃响应通式,n,传感器的固有频率；,传感器的阻尼比,特征方程,依据阻尼比的大小不同，分为四种状况：,101(有/欠阻尼)：该特征方程具有共轭复数根,方程通解,依据t,ykA求出A3；依据初始条件,求出,A,1,、,A,2,，则,令,x=A,其曲线如图,这是一衰