传感器及基本特性实用教案

1二、传感器的组成二、传感器的组成(z chn) 传感器组成(z chn)框图辅助(fzh)电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量第1页/共46页第一页，共47页。2敏感元件：是直接感受(gnshu)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(jish)它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述(shngsh)电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。 应该指出的是，并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件。 第2页/共46页第二页，共47页。31-弹簧(tnhung)管 2-电位器举例：测量(cling)压力的电位器式压力传感器第3页/共46页第三页，共47页。4弹性弹性(tnxng)(tnxng)敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管） 敏感元件在传感器中直接感受(gnshu)被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。第4页/共46页第四页，共47页。5弹性弹性(tnxng)(tnxng)敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管） 在下图中，弹簧在下图中，弹簧(tnhung)管将压力转换为角位移管将压力转换为角位移第5页/共46页第五页，共47页。6弹簧弹簧(tnhung)管放大图管放大图 当被测压力p增大时，弹簧(tnhung)管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。 第6页/共46页第六页，共47页。7其他其他(qt)各种弹性敏感元件各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线(zhxin)位移。第7页/共46页第七页，共47页。8被测量通过敏感元件转换被测量通过敏感元件转换(zhunhun)后，再后，再经传感元件转换经传感元件转换(zhunhun)成电参量成电参量 在右在右图中，图中， 电位电位器为传感元器为传感元件件(yunjin)，它将角位移它将角位移转换为电参转换为电参量量-电阻的电阻的变化（变化（R） 第8页/共46页第八页，共47页。9 360度圆盘度圆盘(yun pn)形电位器形电位器 右图所右图所示的示的360度圆度圆盘形电位器盘形电位器的中间焊片的中间焊片为滑动片，为滑动片，右边焊片接右边焊片接地地(jid)，左，左边焊片接电边焊片接电源。源。 接地(jid)第9页/共46页第九页，共47页。10 测量测量(cling)转换电路的作用是将转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。电压、电流或频率量。 在左图中，当在左图中，当电位器的两端加上电电位器的两端加上电源后，电位器就组成源后，电位器就组成分压比电路，它的输分压比电路，它的输出量是与压力出量是与压力(yl)成一定关系的电压成一定关系的电压Uo 。 第10页/共46页第十页，共47页。11二、传感器分类二、传感器分类(fn li) 传感器的种类名目繁多，分类不尽相传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用同。常用(chn yn)的分类方法有：的分类方法有： ）按被测参数分类：可分为位移、力、）按被测参数分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。流量、流速等传感器。 2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。光导纤维等传感器。 第11页/共46页第十一页，共47页。12第二节 传感器的静态(jngti)(jngti)特性 传感器所测量的量( (物理量、化学量及生物量等) )经常会发生各种各样的变化。例如，在测量某一液压系统的压力时，压力值在一段时间内可能很稳定，而在另一段时间内则可能有缓慢起伏(qf)(qf)，或者呈周期性的脉动变化，甚至出现突变的尖峰压力。传感器主要通过其两个基本特性静态特性和动态特性，来反映被测量的这种变动性。 描述传感器输入一输出(shch)(shch)关系的方法有两种：一是传感器的数学模型；二是传感器的各种基本特性指标。两者都可用于描述传感器的输入、输出(shch)(shch)关系及其特性。 第12页/共46页第十二页，共47页。13一、传感器静态特性一般(ybn)知识 传感器的静态特性是指传感器在静态工作状态(zhungti)(zhungti)下的输入输出特性。所谓静态工作状态(zhungti)(zhungti)是指传感器的输入量恒定或缓慢变化而输出量也达到相应的稳定值时的工作状态(zhungti)(zhungti)。这时输出量为输入量的确定函数。 第13页/共46页第十三页，共47页。14对静态特性而言，传感器的输入量x x与输出量y y之间的关系(gun x)(gun x)通常可用一个如下的多项式表示： 2012nnyaa xa xa x 实际使用中的大多数传感器，其用代数多项式表示的特性方程的次数并不高，一般不超过五次。根据传感器的实际特性所呈现的特点和实际应用场合的具体需要，其静特性方程并非一定要表示成上式所确定(qudng)(qudng)的完整形式。第14页/共46页第十四页，共47页。15 传感器的静态特性指标主要是通过校准试验(shyn)来获取的。所谓校准试验(shyn)，就是在规定的试验(shyn)条件下，给传感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量。在传感器的研制过程中可以通过其已知的元部件的静特性，采用图解法或解析法而求出传感器可能具有的静态特性。 传感器除了描述输出输入关系的特性(txng)之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性(txng)。第15页/共46页第十五页，共47页。16二、传感器的静态特性二、传感器的静态特性(txng)(txng)指标指标 传感器的特性一般传感器的特性一般(ybn)(ybn)指输入、指输入、输出特性，包括：线性度、灵敏度、迟滞、输出特性，包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定度、漂移、电磁兼容重复性、分辨力、稳定度、漂移、电磁兼容性、可靠性等。性、可靠性等。 第16页/共46页第十六页，共47页。17线性度：线性度：LmaxLmaxmin100%yy 线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程(lingchng)(lingchng)范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程(lingchng)(lingchng)点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好 。线性度的计算公式如下：第17页/共46页第十七页，共47页。18作图法求线性度演示作图法求线性度演示(ynsh) (ynsh) （ 1 1拟合曲线拟合曲线 2 2实际特性曲线实际特性曲线 ）第18页/共46页第十八页，共47页。19 由于实际遇到的传感器大多为非线性。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。 因此引入各种非线性补偿环节，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而(cng r)(cng r)使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性，但如果传感器非线性的方次不高， 输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。 第19页/共46页第十九页，共47页。20直线拟合方法 a)理论(lln)拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合第20页/共46页第二十页，共47页。21设拟合(n h)直线方程：0yyiy=kx+bxI最小二乘拟合法(hf)min2112niiiniibkxy最小二乘法最小二乘法(chngf)拟合拟合y=kx+b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最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即i=yi-(kxi+b) 对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式2i2i第21页/共46页第二十一页，共47页。22灵敏度灵敏度 ： 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化(binhu)(binhu)值（输出增量）与引起输出变化(binhu)(binhu)值的输入变化(binhu)(binhu)值（输入量增量）之比，用K K 来表示： dyyKdxx第22页/共46页第二十二页，共47页。23 显然灵敏度表示静态特性曲线上相应点的斜率。对线性传感器，灵敏度为一个常数；对于非线性传感器，灵敏度则为一个变量(binling)，随着输入量的变化而变化，第23页/共46页第二十三页，共47页。24迟滞: 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化(binhu)期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。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，这个差值称为迟滞差值。 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 与满量程输出值之比称为迟滞误差，即 max100%HFSHYmaxH第24页/共46页第二十四页，共47页。25迟滞(chzh)特性 迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，加轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料的内摩擦、积塞灰尘等。迟滞大小(dxio)(dxio)一般由实验确定。 第25页/共46页第二十五页，共47页。26重复性(repeatability or reproducibility, precision)(repeatability or reproducibility, precision)： 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(binhu)(binhu)时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值RmaxRmax计算，即 %100) 32(FSRY或 %100maxFSRYR第26页/共46页第二十六页，共47页。27Rmax1Rmax1正行程(xngchng)(xngchng)的最大重复性偏差， Rmax2Rmax2反行程(xngchng)(xngchng)的最大重复性偏差。第27页/共46页第二十七页，共47页。28分辨力：分辨力： 指传感器能检出被测指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说言，如果没有其他附加说明明(shumng)(shumng)，可以认为，可以认为该表的最后一位所表示的该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。于仪表的最大绝对误差。 第28页/共46页第二十八页，共47页。29漂移： 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面： 一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度(shd)(shd)等）。 最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。 温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为2020）时的输出值的变化量与温度变化量之比()()来表示， 即 tyyt20第29页/共46页第二十九页，共47页。30 可靠性可靠性 ： 可靠性是反映检测系统可靠性是反映检测系统(xtng)在在规定的条件下，在规定的时间内是否规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。耐用的一种综合性的质量指标。 浴盆(ypn)曲线第30页/共46页第三十页，共47页。31稳定性： 稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为(chn wi)(chn wi)长时间工作稳定性或零点漂移。 例如：测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h4h、8h8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示, ,也可用绝对误差表示。 第31页/共46页第三十一页，共47页。32精确度： 精确度是反映测量系统中系统误差和随机误差的综合评定指标。与精确度有关的指标有：精密度、准确度和精确度。 精密度：说明测量系统指示值的分散程度。精密度反映了随机误差的大小，精密度高则随机误差小。( (思考(sko)(sko)：与重复性的关系？) ) 准确度：说明测量系统的输出值偏离真值的程度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高则系统误差小。 精确度：是准确度与精密度两者的总和，常用仪表的基本误差表示。精确度高表示精密度和准确度都高。第32页/共46页第三十二页，共47页。33准确度高而精密度低准确度低而精密度高精确度高第33页/共46页第三十三页，共47页。34第三节 传感器的动态(dngti)(dngti)特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录的过程不受时间限制，但是实际检测中的大量被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出(shch)不仅需要能精确地显示被测量的大小，而且还能显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性来表示。第34页/共46页第三十四页，共47页。35一、动态(dngti)参数测试的特殊性 热电偶测温过程(guchng)的动态特性第35页/共46页第三十五页，共47页。36二、传感器的动态(dngti)模型1 1、微分方程(wi fn fn chn)(wi fn fn chn) 传感器的种类(zhngli)(zhngli)和形式很多，但它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述： xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111 对于常见的传感器，其动态模型通常可用零阶、一阶或二阶的常微分方程来描述，分别称为零阶系统、一阶系统和二阶系统。 在实际中，经常遇到的是阶和二阶环节的传感器。第36页/共46页第三十六页，共47页。37 1 1） 零阶系统 在方程式中的系数除了a0a0、b0b0之外，其它的系数均为零，则微分方程就变成简单(jindn)(jindn)的代数方程， 即 a0y(t)=b0 x(t) 通常(tngchng)(tngchng)将该代数方程写成 y(t)=kx(t) 式中，k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数。传感器的动态特性用方程式来描述(mio sh)的就称为零阶系统。 零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x(t)x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其输出在时间上也无任何滞后， 所以零阶系统又称为比例系统。 第37页/共46页第三十七页，共47页。38 2 2） 一阶系统 方程式中的系数除了a0a0、a1a1与b0b0之外，其它(qt)(qt)的系数均为零，则微分方程为 )()()(001txbtyadttdya)()()(tkxtydttdy 时间常数(sh jin chn sh)(sh jin chn sh)具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小， 静态灵敏度则说明其静态特性。用方程式描述其动态特性的传感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。 第38页/共46页第三十八页，共47页。393 3） 二阶系统(xtng)(xtng)二阶系统(xtng)(xtng)的微分方程为 )()()()(001222txbtyadttdyadttyda二阶系统(xtng)(xtng)的微分方程通常改写为 )()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn根据二阶微分方程特征方程根的性质不同(b tn)(b tn)， 二阶系统又可分为： 二阶惯性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根， 它相当于两个一阶系统串联。 二阶振荡系统：其特点是特征方程的根为一对带负实部的共轭复根。 第39页/共46页第三十九页，共47页。402、传递函数 动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统(xtng)(xtng)中是指初始条件为0 0时，系统(xtng)(xtng)输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。当传感器的数学模型初值为0 0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统(xtng)(xtng)的传递函数0101)()()(asasabsbsbsWsXsYnnmm 等号右边是一个与输无关的表达式，它只与系统结构参数有关，因而等号右边是传感器特性的一种表达式，它联系了输入与输出(shch)(shch)的关系，是一个描述传感器传通信息特性的函数。 第40页/共46页第四十页，共47页。413、传感器的动态(dngti)响应特性 研究传感器的动态特性主要是为了分析测量时产生动态误差的原因，传感器的动态误差包括两部分：一是输出量达到稳定状态后与理想输出量之间的差别；二是当输入量跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差。研究传感器的动态响应特性，实际上就是分析传感器的这两种动态误差。 传感器的动态特性不仅与传感器的“固有因素”有关，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，同一个传感器在不同形式的输入信号作用下，输出量的变化是不同的， 通常选用几种(j zhn)(j zhn)典型的输入信号作为标准输入信号，研究传感器的响应特性。 第41页/共46页第四十一页，共47页。42n 系统的动态特性取决于系统本身及输入信号的形式，工程上常用正弦函数和单位阶跃函数作为标准的输入信号。通常在时域主要分析传感器在单位阶跃输入下的响应；而在频域主要分析在正弦输入下的稳态响应，并着重从系统的幅频特性和相频特性来讨论。n （1）传感器阶跃响应 n 当传感器输入一个(y )单位阶跃信号时，其输出信号称为阶跃响应。10)(tu0t0t第42页/共46页第四十二页，共47页。43n常见的一阶、二阶传感器阶跃响应曲线见图，主要(zhyo)(zhyo)动态指标包括： 一阶传感器的阶跃响应(xingyng)曲线 二阶传感器阶跃响应(xingyng)曲线第43页/共46页第四十三页，共47页。44n 时间常数 ：传感器输出 由零上升到稳态值 的63.2%所需的时间，见图。n 上升时间 ：传感器输出 由稳态值的10%上升到90%所需的时间，见图。n 调节时间 ：传感器输出 由零上升达到并一直保持在允许误差范围 所需的时间。 可以是2%、5%或10%，根据实际情况确定。n 最大超调量 ：输出最大值 与输出稳态值 的相对误差，即n 振荡次数 ：调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动(bdng)的次数。n 稳态误差 ：无限长时间后传感器的稳态输出值 与目标值n 之间偏差的相对值，即Trtst)(tycy%100maxccyyya%1000ccssyyye)(ty)(ty%amaxycyNssecy0y第44页/共46页第四十四页，共47页。45 （2）频率响应(pn l xin yn)特性 传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。一个传感器输入端有正弦信号作用时，其输出响应仍然是同频率的正弦信号， 只是与输入端正弦信号的幅值和相位(xingwi)(xingwi)不同。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值比和两者相位(xingwi)(xingwi)差的变化。第45页/共46页第四十五页，共47页。46谢谢您的观看(gunkn)！第46页/共46页第四十六页，共47页。NoImage内容(nirng)总结1。举例：测量压力的电位器式压力传感器。若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据(shj)与拟合直线上响应值之间的残差为。与精确度有关的指标有：精密度、准确度和精确度。精密度反映了随机误差的大小，精密度高则随机误差小。准确度是系统误差大小的标志，准确度高则系统误差小。精确度高表示精密度和准确度都高。根据二阶微分方程特征方程根的性质不同， 二阶系统又可分为：。谢谢您的观看第四十七页，共47页。