传感器与检测技术第01章.ppt

第一章传感器的特性 传感器的特性是指传感器所特有性质的总称 传感器的基本特性是指传感器的输出 输入特性 静态特性是指当被测量 输入量 为常量或变化极慢时传感器的输出 输入特性 动态特性是指当被测量 输入量 随时间较快地变化时传感器的输出 输入特性 1 1传感器的静态特性 2 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与输入的关系 传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述 其主要指标 线性度 迟滞 重复性 灵敏度与灵敏度误差 分辨率与阈值 稳定性 温度稳定性 静态误差 多种抗干扰能力等 3 式中 a0 输入量x为零时的输出量 a1 传感器的灵敏度 常用K表示 a2 an 非线性项系数 各项系数决定了特性曲线的具体形式 传感器的输出与输入关系 对静态特性而言 传感器的输入量x与输出量y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示 忽略迟滞 蠕变等因素 y a0 a1x a2x2 anxn 4种典型情况 a理想线性 bx奇次项的非线性 cx偶次项的非线性 dx奇 偶次项的非线性 y a1x y a1x a3x3 y a1x a2x2 a4x4 y a1x a2x2 anxn 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 理想情况 线性 实际情况 非线性 在实际使用中处理办法 引入各种非线性补偿环节 计算机软件进行线性化处理 直线拟合 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 传感器的线性度是指在全量程范围内校准曲线与拟合直线之间的最大偏差值 线性度也称为非线性误差 通常用相对误差来表示 即 式中 ymax 最大非线性绝对误差 yFS 满量程输出值 直线拟合线性化 出发点获得最小的非线性误差 拟合方法 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 理论拟合 拟合直线为传感器的理论特性 与实际测试值无关 方法十分简单 但一般说较大 过零旋转拟合 曲线过零的传感器 拟合时 使 端点连线拟合 端基法 把输出曲线两端点的连线作为拟合直线 端点连线平移拟合 在端点连线拟合基础上使直线平移 移动距离为原先的一半 y y1 设拟合直线方程 0 y yi x y kx b xI 最小二乘拟合法 最小二乘拟法拟合 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a和k的表达式 即得到k和b的表达式 将k和b代入拟合直线方程 即可得到拟合直线 然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差 2 迟滞 0 y x Hmax yFS 式中 Hmax 正反行程间输出的最大差值 回程误差常用绝对误差表示 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 定义 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现象称为迟滞 2 迟滞误差 又称回程误差 回差 一般以满量程输出的百分数表示 即 3重复性 不重复性 y x 0 Rmax2 Rmax1 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连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度 重复性误差也常用绝对误差表示 检测时也可选取几个测试点 对应每一点多次从同一方向趋近 获得输出值系列yi1 yi2 yi3 yin 算出最大值与最小值之差或3 标准误差或均方根误差 作为重复性偏差 Ri 在几个 Ri中取出最大值 Rmax作为重复性误差 Rmax1正行程的最大重复性偏差 Rmax2反行程的最大重复性偏差 4 灵敏度与灵敏度误差 s k k 100 由于某种原因 会引起灵敏度变化 产生灵敏度误差 灵敏度误差用相对误差表示 即 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相同 灵敏度k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 其表达式为 分辨力用绝对值表示 用与满量程的百分数表示时称为分辨率 在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值 5 分辨力 率 与阈值 分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量 有些传感器 当输入量连续变化时 输出量只作阶梯变化 则分辨力就是输出量的每个 阶梯 所代表的输入量的大小 6 稳定性 测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点 相隔4h 8h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 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 有时称为长时间工作稳定性或零点漂移 稳定性误差 前后两次输出之差 稳定性误差可用相对误差表示 也可用绝对误差来表示 测试时先将传感器置于一定温度 如20 将其输出调至零点或某一特定点 使温度上升或下降一定的度数 如5 或10 再读出输出值 前后两次输出值之差即为温度稳定性误差 7 温度稳定性 温度稳定性又称为温度漂移 是指传感器在外界温度下输出量发生的变化 温度稳定性误差用温度每变化若干 的绝对误差或相对误差表示 每 引起的传感器误差又称为温度误差系数 8 抗干扰稳定性 传感器的抗干扰稳定性是指传感器对外界干扰的抵抗能力 例如抗冲击和振动的能力 抗潮湿的能力 抗电磁场干扰的能力等 评价这些能力比较复杂 一般也不易给出数量概念 需要具体问题具体分析 9 静态误差 取2 和3 值即为传感器的静态误差 静态误差也可用相对误差来表示 也可用几个单项误差综合而得 即 静态误差的求取方法如下 把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差 看成是随机分布 求出其标准偏差 即 静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度 yi 各测试点的残差 n一测试点数 传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性 实际应用中 大量的被测信号是动态信号 即被测信号是在随时间变化的 那么传感器的输出要良好地跟随输入量的变化 研究动态特性方法 时域的瞬态响应法 频域的频率响应法 评判标准 动态特性好的传感器应具有很短的暂态响应时间或者应具有很宽的频率响应特性 1 2传感器的动态特性 为了说明传感器的动态特性 下面简要介绍动态测温的问题 当被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中 以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况时 都存在动态测温问题 如把一支热电偶从温度为t0 环境中迅速插入一个温度为t1 的恒温水槽中 插入时间忽略不计 这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t1 而热电偶反映出来的温度从t0 变化到t1 需要经历一段时间 即有一段过渡过程 如图2 7所示 热电偶反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差 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 实际的传感器 输出信号与输入信号的差异称作动态误差 1 传感器的基本动态特性方程传感器的种类和形式很多 但它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述 式中 a0 a1 an b0 b1 bm是与传感器的结构特性有关的常系数 1 零阶系统在方程式中的系数除了a0 b0之外 其它的系数均为零 则微分方程就变成简单的代数方程 即 a0y t b0 x t 通常将该代数方程写成 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 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 在工程应用中 电位器式的电阻传感器 变面积式的电容传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统 2 一阶系统若在方程式 2 8 中的系数除了a0 a1与b0之外 其它的系数均为零 则微分方程为 上式通常改写成为 式中 传感器的时间常数 a1 a0 k 传感器的静态灵敏度或放大系数 k b0 a0 时间常数 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 如前面提到的不带套管热电偶测温系统 电路中常用的阻容滤波器等均可看作为一阶系统 3 二阶系统二阶系统的微分方程为 二阶系统的微分方程通常改写为 式中 k 传感器的静态灵敏度或放大系数 k b0 a0 传感器的阻尼系数 n 传感器的固有频率 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 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 带有套管的热电偶 电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路等均可看作为二阶系统 2 传感器的动态响应特性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 1 瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应 在研究传感器的动态特性时 有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析 这种分析方法称为时域分析法 传感器在进行时域分析时 用得比较多的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号 传感器的输出瞬态响应分别称为阶跃响应和脉冲响应 1 一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的微分方程为 设传感器的静态灵敏度k 1 写出它的传递函数为 对初始状态为零的传感器 若输入一个单位阶跃信号 即 输入信号x t 的拉氏变换为 一阶传感器的单位阶跃响应拉氏变换式为 对式 2 13 进行拉氏反变换 可得一阶传感器的单位阶跃响应信号为 相应的响应曲线如图所示 由图可见 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 理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值 但通常认为t 3 4 时 如当t 4 时其输出就可达到稳态值的98 2 可以认为已达到稳态 所以 一阶传感器的时间常数 越小 响应越快 响应曲线越接近于输入阶跃曲线 即动态误差小 因此 值是一阶传感器重要的性能参数 2 二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的微分方程为 设传感器的静态灵敏度k 1 其二阶传感器的传递函数为 传感器输出的拉氏变换为 二阶传感器单位阶跃响应 上图二阶传感器的单位阶跃响应曲线 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比 和固有角频率 n 0时 特征根为一对虚根 阶跃响应是一个等幅振荡过程 这种等幅振荡状态又称为无阻尼状态 1时 特征根为两个不同的负实根 阶跃响应是一个不振荡的衰减过程 这种状态又称为过阻尼状态 1时 特征根为两个相同的负实根 阶跃响应也是一个不振荡的衰减过程 但是它是一个由不振荡衰减到振荡衰减的临界过程 故又称为临界阻尼状态 0 1时 特征根为一对共轭复根 阶跃响应是一个衰减振荡过程 在这一过程中 值不同 衰减快慢也不同 这种衰减振荡状态又称为欠阻尼状态 阻尼比 直接影响超调量和振荡次数 为了获得满意的瞬态响应特性 实际使用中常按稍欠阻尼调整 对于二阶传感器取 0 6 0 7之间 则最大超调量不超过10 趋于稳态的调整时间也最短 约为 3 4 固有频率 n由传感器的结构参数决定 固有频率 n也即等幅振荡的频率 n越高 传感器的响应也越快 3 传感器的时域动态性能指标时域动态性能指标叙述如下 时间常数 一阶传感器输出上升到稳态值的63 2 所需的时间 称为时间常数 延迟时间td 传感器输出达到稳态值的50 所需的时间 上升时间tr 传感器输出达到稳态值的90 所需的时间 峰值时间tp 二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间 超调量 二阶传感器输出超过稳态值的最大值 衰减比d 衰减振荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比 一阶传感器的时域动态性能指标 二阶传感器的时域动态性能指标 2 频率响应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差的变化 1 一阶传感器的频率响应将一阶传感器传递函数式中的s用j 代替后 即可得如下的频率特性表达式 幅频特性 相频特性 可看出 时间常数 越小 频率响应特性越好 当 1时 A 1 0 表明传感器输出与输入成线性关系 且相位差也很小 输出y t 比较真实地反映了输入x t 的变化规律 因此减小 可改善传感器的频率特性 除了用时间常数 表示一阶传感器的动态特性外 在频率响应中也用截止频率来描述传感器的动态特性 所谓截止频率 是指幅值比下降到零频率幅值比的倍时所对应的频率 截止频率反映传感器的响应速度 截止频率越高 传感器的响应越快 对一阶传感器 其截止频率为1 一阶传感器频率响应特性 a 幅频特性 b 相频特性 2 二阶传感器的频率响应由二阶传感器的传递函数式可写出二阶传感器的频率特性表达式 即 其幅频特性 相频特性分别为 相位角负值表示相位滞后 可画出二阶传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线 如图所示 二阶传感器频率响应特性曲线 a 幅频特性 b 相频特性 可见 传感器的频率响应特性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至少应为被测信号频率 的 3 5 倍 即 n 3 5 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 而固有频率 n与传感器运动部件质量m和弹性敏感元件的刚度k有关 即 n k m 1 2 增大刚度k和减小质量m都可提高固有频率 但刚度k增加 会使传感器灵敏度降低 所以在实际中 应综合各种因素来确定传感器的各个特征参数 3 频率响应特性指标频率响应特性指标叙述如下 通频带 0 707 传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围 工作频带 0 95 或 0 90 当传感器的幅值误差为 5 或 10 时其增益保持在一定值内的频率范围 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 固有频率 n 二阶传感器的固有频率 n表征其动态特性 相位误差 在工作频带范围内 传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值 即为相位误差 跟随角 0 707 当 0 707时 对应于相频特性上的相角 即为跟随角 传感器的频域动态性能指标 3 传感器的基本特性的讨论意义 静态特性掌握传感器的基本测量精度 动态特性 频率响应特性 了解传感器的幅频特性和相频特性目的 在动态量测量时使其频率处于传感器的通带之内 且输出信号的相移尽可能的小 设计传感器时 即要保证传感器的通带 与 n有关 又要控制阻尼即可能达到临界阻尼 阶跃响应特性传感器的阶跃响应时间 对数据的采集十分重要 防止采错 设计传感器时 即要减小输出的过冲 又要尽量减小阶跃响应时间 一 与测量条件有关的因素 1 测量的目的 2 被测试量的选择 3 测量范围 4 输入信号的幅值 频带宽度 5 精度要求 6 测量所需要的时间 1 3传感器的选用原则 二 与传感器有关的技术指标 1 精度 2 稳定度 3 响应特性 4 模拟量与数字量 5 输出幅值 6 对被测物体产生的负载效应 7 校正周期 8 超标准过大的输入信号保护 三 与使用环境条件有关的因素 1 安装现场条件及情况 2 环境条件 湿度 温度 振动等 3 信号传输距离 4 所需现场提供的功率容量 四 与购买和维修有关的因素 1 价格 2 零配件的储备 3 服务与维修制度 保修时间 4 交货日期 基本参数指标 环境参数指标 可靠性指标 其他指标 量程指标 量程范围 过载能力等灵敏度指标 灵敏度 分辨力 满量程输出等精度有关指标 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 固定频率 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 稳定时间等 温度指标 工作温度范围 温度误差 温度漂移 温度系数 热滞后等抗冲振指标 允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 抗介质腐蚀等能力 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 耐压及抗飞弧等 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