传感器与检测技术---第2章 传感器概述.ppt

第2章 传感器概述,2.1 传感器的定义、组成和分类 2.2 传感器的基本特性 2.3 传感器的发展方向,返回主目录,2.1 传感器的定义、组成和分类 一、传感器的定义 传感器是一种把被测量（主要是非电量）转换成便于传输、应用的输出信号的器件或装置。 传感器又称为敏感元件(在电子技术领域，则强调的是对信号的敏感程度)、检测器(在测量领域，通常强调的测量结果）、转换器(在超声波技术中，则强调的是能量的转换)等。这些提法在含义上有些狭窄, 而传感器一词是使用最为广泛而且是概括性最强的用语。,传感器的输出信号可以是气量、光量、电量。但主要是电量, 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。 ,二、传感器的组成,传感器一般是由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。其组成见图21,图 2-1 传感器组成框图,敏感元件是指传感器中能把被测量直接感受出来的部件。 转换元件是指传感器中将敏感元件感受到的被测量转换成适于传输或测量的电信号部件。 转换电路是将电信号进行放大、运算和调制的部件。,传感器的分类方法很多。但常用的分类方法有两种:,三、传感器的分类,1、按被测参数分类,温度传感器 压力传感器 位移传感器 速度传感器等,2、按工作原理分类,应变式传感器 电容式传感器 压电式传感器 电势式传感器等,2.2 传感器的基本特性 传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 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，输出与输入的关系。它的特点是输入量x与输出量y之间的关系式中不含有时间变量。通常可用下式表示： 式中：a0是输入量x为零时的输出量； a1，a2，an是非线性系数。,（2-1）,衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度, 迟滞和重复性等。 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。通常用实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差Lmax与满量程输出值YFS之比L来表示, 即,式中：Lmax最大非线性绝对误差; YFS满量程输出。 见下图所示,（2-2）,由定义可知，线性度的大小是以某一条拟合直线为基准算出来的，拟合直线取得不同，所得出的线性度就不一样。 下图2-2是常见的几种关于拟合直线线性度的计算方法。,图 22 几种直线拟合方法 (a) 零点切线拟合;(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 灵敏度是指传感器的输出变化量y 与引起此变化的输入变化量x的之比，用S表示。 即,从图 2 - 2 中可以清楚地看出, 即使是同一个传感器, 取的拟合直线不同, 其线性度也是不一样的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的拟合直线的线性度最高。,（2 - 3）,显然，S越大，表示传感器越灵敏。 传感器的灵敏度如图2 - 3 所示。,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大或由大到减小的变化期间，其输入-输出特性曲线不重合的现象称为迟滞, 如下图2-4 所示。 迟滞大小一般由实验确定。通常把传感器在全量程范围内的最大迟滞差值Hmax（或一半）与满量程输出值YFS之比成为迟滞误差，用H表示，即:,式中: Hmax正、反行程输出值间的最大差值。,或,（2-4）,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, 如下图2-5 所示。 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,（2-5）,式中：Rmaxmax Rmax1， Rmax2,或,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。它不但与输入信号有关，而且与传感器的结构（即动态特性方程）有关。 1. 传感器的动态特性方程 传感器的动态输入输出关系一般可用下面的微分方程来表示。,（2-6）,式中：x是传感器的输入信号，通常是时间的函数， y是传感器的输出信号，也是时间的函数， a0, a1,an,b0, b1,bm是与传感器结构有关的常数。 (1) 零阶系统 在方程(26)中，除了a0，b0外，其他的系数均为零，即,通常写成,则称它为零阶系统（或比例系统）。,(2) 一阶系统 在方程(26)中，除了a0，a1，b0外，其他系数均为零，即,通常写成,则称它为一阶系统（或惯性系统）。,(3) 二阶系统 在方程(26)中，除了a0，a1，a2，b0外，其他系数均为零，即,通常写成,则称它为二阶系统。,当1时，称它为二阶惯性系统， 当1时，称它为二阶振荡系统，,2. 瞬态响应特性（即时域分析） (1) 一阶传感器的单位阶跃响应 一阶传感器的动态特性方程为：,（2-7）,为讨论方便，设k1，则它的传递函数为,（2-8）,对初始状态为零的传感器, 当输入一个单位阶跃信号 t 0 t 0 时, 则x（t）的拉氏变换为,（2 - 9）,对它求拉式反变换得一阶传感器的单位阶跃响应为,(2 - 10),其响应曲线如下图 2 - 7 所示。,图 27 一阶传感器的单位阶跃响应曲线,由图可见，时间常数越小, 响应越快。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,(2-11),式中: n 传感器的固有频率; 传感器的阻尼比。 设k1，则二阶传感器的传递函数为：,(2 -12),在单位阶跃输入下，传感器输出的拉氏变换:,(2 -13),对它求拉式反变换即可得二阶传感器的单位阶跃响应曲线如图 2-8 所示。 从此图可以看出，阻尼比直接影响超调量和振荡次数。=0, 为临界阻尼, 超调量为 100%, 产生等幅振荡, 达不到稳态。 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。=0.707时响应时间最短。实际使用中取值为 0.70.8 之间。,(3) 单位阶跃瞬态响应特性的主要指标 峰值时间tp：传感器输出达到第一个峰值所需的时间 延时时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需时间 上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需时间 超调量：传感器输出超过稳态值的最大值。 ,*3. 频率响应特性（即频域分析） 传感器对正弦输入信号的响应特性, 称为频率响应特性。 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。 (1) 一阶传感器的频率响应 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,(2-14),相频特性,幅频特性,(2-15),(2-16),从式（2 - 15 ）、 （2 - 16 ）和图2 - 9 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为线性关系, 且相位差也很小,输出y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。 因此, 减小可改善传感器的频率特性。 ,(2) 二阶传感器的频率响应 二阶传感器的频率特性表达式,(2-18),(2-19),幅频特性,相频特性,从式（2 - 18）、（2 -19）和图 2 - 10 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1, n时, A()1, () 0, 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。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) 频率响应特性的主要指标 通频带0.707是指A()下降到70A(0)时所对应的频率范围为传感器通频带。 峰值Am是指幅频特性的最大值，一般要求Am1.5A(0)。 固有频率n是二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。 ,2.3 传感器的发展方向,不断提高传感器的性能，扩大应用范围。 开发新型传感器。它主要有两层含义：一是发现新现象。二是开发新材料。 采用微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与传感器相结合，构成新一代智能化测试系统。 传感器的集成化和智能化。 开发仿生传感器。,小结 1、传感器的组成及分类 2、传感器的静态特性及性能指标 3、传感器的动态特性及性能指标 作业：P39 2-1, 2-2 , 2-3 , 2-5,课间休息,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。 在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下, 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t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t, 而热电偶反映出来的温度从t0变化到t 需要经历一段时间, 即有一段过渡过程, 如图 2 - 6 所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。,造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻, 使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。 这种热惯性是热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。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