传感器原理及检测技术PPT电子课件教案-第一章绪论.ppt

1,二零一二年三月-六月,传感器原理及检测技术,sensor principle & detecting technology,湖南大学仪器科学与工程系,2,一、教材： 梁福平等，传感器原理及检测技术m. 武汉：华中科技大学出版社，2010年. 二、 主要教学参考书： 1 胡向东，徐洋，冯志羽，等. 智能检测技术与系统 m. 北京：高等教育出版社，2008年. 2 ramon pallas-areny，john g webster. 传感器和信号调节 m. 2版. 张伦，译. 北京：清华大学出版社，2003. 3 强锡富. 传感器 m. 3版. 北京：机械工业出版社，2004 4 王化祥. 传感器原理及应用 m. 天津：天津大学出版社，2007. 5 叶湘滨，等. 传感器与测试技术 m. 北京：国防工业出版社，2007. 6 吴道悌. 非电量检测技术 m. 3版. 西安：西安交通大学出版社，2004. 7 于彤. 传感器原理及应用 m. 北京：机械工业出版社，2008. 8 张玉莲. 传感器与自动检测技术 m. 北京：机械工业出版社，2007. 9 ernest o doebelin. 测量系统应用与设计 m. 北京：机械工业出版社，2005.,3,成绩评定,课堂成绩（考勤、听课状态、课堂提问）10分； 作业成绩10分； 大作业（课程设计）15分； 实验5分 期末考试60分。,课程性质：专业核心课（必修） 理论学时：44，实验课时8.,课程成绩评定方式： 通过考勤、听课状态、课堂提问、学生作业、实验、课程设计及期末考试等情况综合评价学生的学习成绩，平时成绩占40%、期末考试成绩占60%。,4,使用分小组作业完成方式。即一个班按人数平均分为若干个小组（最后一个小组允许人数不足平均数），每个小组的人员随机确定，每个小组提交一份作业答案，全班总分一定，根据每个小组的答案质量确定等级（分为a、b、c、d、e五等，分别对应评分加权系数1.0、0.8、0.6、0.4和0.2，也可按百分制计加权；如有小组不交答案，则评为f，对应加权系数0.0），然后换算成分数；小组内组员的成绩首先由小组内成员互评确定等级（参照小组成绩评定方法，不参与答案讨论的学生评为f等级。如果组内不区分，则全组均为c等，确定等级结果在上交作业答案的同时提交，并由小组内每个成员的签名确认，再根据小组的总分换算成个人得分（如果最后一个小组的组成人数未达平均数，则将小组总评成绩做一个加权变换）。,5,传感器原理,检测技术,电感传感器,应变传感器,电容传感器,压电传感器,温度传感器,磁传感器,光电感器,其他传感器,光纤传感器,课程主要内容,传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,智能化传感器,基础知识、定义、分类发展趋势、选用原则、一般特性。,6,参考文献,1、传感器（第4版），强锡富，机械工业出版社， 2003，测控技术与仪器教学指导委员会推荐用书； 2、传感器原理及工程应用，郁有文，主编，西安电 子科技大学出版社，2003，教育部规划教材； 3、传感器与检测技术，陈杰、黄鸿编著，高等教育 出版社，2002，教育部规划教材；（少学时教材） 4、传感器原理及应用，王化祥、张淑英编著，天津 大学出版社，2003，教育部规划教材； 5、传感器与自动检测技术，余成波、胡新宇、赵勇， 高等教育出版，2004年,7,期刊杂志,8,传感器图片,超声传感器,电感传感器,电容传感器,红外温度传感器,磁阻传感器,热电偶,气体成分传感器,流量传感器,9,使用usb接口的测量硬件及ieee 1451.4 teds智能传感器,热敏电阻,离子感烟器,明火探测器,传感器实验仪,传感器实验装置,10,电子产品,11,第一章 绪 论,主要内容,重点难点,重点：传感器定义、组成、分类和发展趋势 ；传感器 的静态特性指标、相关计算；传感器的选用原则 难点：改善传感器的性能的技术途径；最小二乘拟合 和动态特性指标计算,传感器的基本概念 传感器的分类 传感器的特性与主要性能指标 应用传感器需遵循的原则与考虑的主要因素 传感器技术的发展,12,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,第一节 传感器的基本概念,一、传感器的地位和作用,13,第一节 传感器的基本概念,14,传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科，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 。,第一节 传感器的基本概念,15,工业生产,第一节传感器的基本概念,16,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,提供高效的 设备管理手段,监控软件,缩短投资 回收周期,降低 培训成本,第一节传感器的基本概念,17,航空航天宇宙飞船,飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，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 专家说：整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体,智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源） 智能衣服（自动调节温度） 智能公路（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量） 智能汽车（无人驾驶、卫星定位）,未来世界,第一节 传感器的基本概念,18,human with sensors,19,传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,血压测定方法和输出的结果,第一节传感器的基本概念,20,第一节 传感器的基本概念,广义： 传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一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（gb7665-2005）： 对传感器（transducer/sensor）的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,二、传感器的定义,21,测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。 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,第一节 传感器的基本概念,22,以上定义表明传感器有以下含义 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； 能按一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。,v、i、f、p,23,三、传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,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。,基本转换电路：上述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。,物理、化学、生物信息,24,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,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原因,转换电路常装入仪表中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定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单的传感器,质量快,压电片,25,第二节 传感器的分类,物理型： 化学型：利用电化学反应原理 生物型：利用生物活性物质选择性,结构型：取决于几何尺寸和形状 物性型：取决于材料性质,一、传感器的工作原理,26,第二节 传感器的分类,二、按被测量,力学量、温度、磁学量、光学量、流量、湿度、浓度、气体成分等,1、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 2、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器 3、传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器 4、按可变电参量：电阻型、电感型或电容型 5、按传感器技术发展：聋哑传感器(dumb sensor)、智能传感器(smart sensor)、网络化传感器(networked sensor),三、其他分类,27,定义： 传感器特性：指输入x（被侧量）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,第三节传感器的特性与主要性能指标,一、传感器的静态特性与主要性能指标,28,一、传感器的静态特性与主要性能指标,1测量范围和量程,定义： 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（ xmin ， xmax ） 。 传感器测量范围的上限值与下限值的代数和xmaxx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 。,29,2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。,k=y/x,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,30,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。,3分辨力与分辨率,分辨力（resolution）:指传感器能检测到的最小的输入增量的xmin的绝对值。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。分辨率反映了传感器检测输入微小变化的能力。影响传感器分辨力的因素很多，如机械运动部件的摩擦和卡塞、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，所以在不同输入时分辨力不同，用max| xmin|表示传感器的分辨力。用满量程的百分数表示时称为分辨率。,31,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方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。,4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、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列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，决定了特性曲线的具体形式。,y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn,32,通常用相对误差l表示： lmax一最大非线性误差； yfs量程输出。,在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度。,一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。,非线性偏差的大小是以一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出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。,l=(lmax/yfs)100%,理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合； 过零旋转拟合；最小二乘拟合； 最小包容拟合,33,34,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：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,35,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。,36,5迟滞,0,y,x,hmax,yfs,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。,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。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即,37,6稳定性,稳定度指在规定时间内，测量条件不变的情况下，由传感器中随机性变动，周期性变动，漂移等引起输出值的变化。用精密度和观测时间长短表示。如，某传感器输出电压值每小时变化1.3mv，则其稳定度可表示为1.3mvh。,稳定性有两个指标： 测量传感器输出值在一段时间中的变化，以稳定度表示； 传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响量表示。 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。,38,影响量指传感器由外界环境或工作条件变化引起输出值变化的量。它是由温度、湿度、气压、振动、电源电压及电源频率等一些外加环境影响所引起的。说明影响量时，必须将影响因素与输出值偏差同时表示。例如，某传感器由于电源变化10而引起其输出值变化0.02ma，则应写成0.02ma(u10u)。,39,7重复性(repeatability),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。,40,8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，即,静态误差的求取方法：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。,41,与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度),9、精确度,准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。,精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。,42,精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。仪器测量误差的相对值表示。,（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高 在测量中我们希望得到精确度高的结果。,43,例题：测得某检测装置的一组输入输出数据如下： 试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度,44,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。设计传感器时，根据动态特性要求及使用条件选择方案和确定参数。使用传感器时，根据动态特性及使用条件确定使用方法，同时估计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。,二、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。,45,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。它依赖于传感器本身的测量原理、结构，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。,46,1零阶传感器动态特性指标,零阶传感器的输出通过下列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 零阶传感器是比例传感系统，其性能由静态灵敏度k表征并维持恒定不变。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。,47,2一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/a0 时间常数，= a1/a0,48,二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， ； 0自振角频率,0=1/ 阻尼比， ； k静态灵敏度，k=b0/a0,49,2.4,2.2,2.0,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,0.5,1,1.5,2,2.5,(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k()趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着的增大，谐振现象逐渐不明显。当0.707时，不再出现谐振，这时k()将随着的增大而单调下降。,阻尼比的影响,k(),50,二阶传感器的阶跃响应,单位阶跃响应通式,0传感器的固有频率；传感器的阻尼比,特征方程,根据阻尼比的大小不同，分为四种情况： 1）01(有/欠阻尼)：该特征方程具有共轭复数根,方程通解,根据t,yka求出a3；根据初始条件,求出a1、a2，则,令x=a,51,其曲线如图，这是一衰减振荡过程,越小,振荡频率越高,衰减越慢。,tw,0.02,1,t,tm,m,1的二阶传感器的过渡过程,(设允许相对误差y=0.02),2)=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即,发生时间,过冲量,稳定时间,tw=4/,52,4）1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根,3) =1 (临界阻尼)：特征方程具有重根-1/,过渡函数为,上两式表明，当1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。,过渡函数为,53,动态特性指标： （1）最大动态偏差（emax）或超调量（）,最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。 对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值，为a。,54,最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。 同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。,55,在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。 超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差，即： 如果系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于超调量。,56,（2）衰减比n 衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。 衰减比,57,衰减比 n1:衰减振荡。n越大，则系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，系统的过渡过程接近于非振荡过程。 n=1:等幅振荡。 n1:发散振荡。n越小，意味着系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，,58,根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。 衰减率： 衰减比4:1衰减率0.75 衰减比10:1衰减率0.90,59,（3）余差 定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。 余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。,60,上图中， 在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求。,61,（4）过渡过程时间ts 过渡过程时间表示控制系统过渡过程的长短。 定义：系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。,62,实际上，被控变量接近于新稳态值的5% 或3% 或2% 的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间短一些为好。,63,（5）振荡频率（或振荡周期 ）,定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。 在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。,64,其它一些次要指标：,振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。 “理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。 上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。,65,总结：,主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。 原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。,66,三、传感器的可靠性,传感器只有在规定条件和规定期间无故障工作才是可靠的。可靠性在统计学上被描述为：高可靠性意味着按要求工作的概率接近于1（即在所考虑的期间，该传感器几乎不失效）。目前，用可靠率r(t)、失效率(t)、失效率随时间变化规律（浴盆曲线）和平均无故障时间mtbf来评价可靠性。,67,可靠率是指在规定条件下和规定时间内传感器完成所规定任务的成功率。设有n个相同的传感器，使它们同时工作在同样的条件下，从它们开始运行到t时刻的时间内，有f(t)个传感器发生故障，其余s(t)个传感器工作正常，则该传感器的可靠率r(t)可定义为： r(t)= s(t)/n 传感器的不可靠率q(t)可相应地表示为： q(t)= f(t)/n 由于一个传感器发生故障和无故障是互斥事件，必然满足r(t)+q(t)=1。因此可靠率还可写成： r(t) =1-q(t)= n- f(t) /n,1可靠率,68,2失效率(瞬时失效率或称故障率),是指传感器运行到t时刻后单位时间内发生故障的传感器个数与t时刻完好传感器个数之比。假定n个传感器的可靠率为r(t)，在t时刻到t+t时刻的失效数为nr(t)-r(t+t)，那么单位时间内的失效率为nr(t)-r(t+t)/t。t时刻完好传感器个数为nr(t)=s(t)。于是，失效率(t)可表示为：,(t)= nr(t)-r(t+t)/ 【nr(t) t 】,微分形式 :,正常使用状态下，认为传感器失效率(t)不随时间而变化或变化很小，(t)= =常数，故上式积分得：,可见，传感器经过一段时间老化后，其可靠率符合指数衰减规律。当某一时间的可靠率r(t)已知时，可计算失效率。,69,=/t,传感器失效数； t传感器工作个数与其 工作时间的乘积。,传感器的平均失效率具如图的“浴盆曲线”。在传感器刚投入使用时，大多由于设计不当与工艺上的缺陷，使有些传感器很快出现早期故障而失效，这时的失效率较高，即图中的早期失效段。要提高传感器的可靠性，应当采取合理设计方案，通过元器件筛选、老化和整机加速试验等措施来尽可能缩短早期失效段的时间，并尽可能使早期失效段在厂内渡过。图中的第二段为偶发失效段，这一段是在早期失效段的缺陷全部暴露之后，平均失效变得较小且为常数，此期间发生的故障是由随机因素影响而造成的。这种偶发失效来源于随机产生的应力、材料性质的随机分布以及随机环境条件。这是传感器最佳使用期，也是可靠性技术充分发挥作用的时期。,70,3平均无故障时间,平均无故障时间（mtbf）与可靠率r(t)之间的关系为,可见，只要知道产品的失效率，就可获得平均无故障时间。,例 我们在1000小时内对50个加速度传感器进行测试试验。若假定失效率恒定，有2个传感器失效，试确定失效率和mtbf。 根据 ，有 =2/（501000h）100%=40次故障/106h 根据上式，得 mtbf=25000h 高可靠性对于传感器十分重要，应成为传感器选择或设计遵循的原则之一。,=/t,71,一、应用传感器需遵循的原则,第四节 应用传感器需遵循的原则与考虑的主要因素,1坚持从测控系统整体设计要求研制或选择传感器，即遵循整体需要的原则 2高可靠性原则 3较高的性能价格比原则,72,二、应用传感器考虑的主要因素,稳定性(零漂),传感器,温度,供电,各种干扰稳定性,温漂,分辨力,冲击与振动,电磁场,线性,滞后,重复性,灵敏度,输入,误差因素,外界影响,传感器输入输出作用图,输出,取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。,衡量传感器特性的主要技术指标,73,1、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。,第四节 应用传感器需遵循的原则 与考虑的主要因素,74,2、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。,75,3、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。,4、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。,76,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,77,第五节 传感器的发展趋势,传感器现状 据统计目前全世界约有40多从事传感器的 研制、生产和开发，研发机构6000余家。 其中以美、日、俄、德等国实力较强，建立了包 括物理量、化学量、生物量三大门类 的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生 产能力达到几千万支到几亿支。 1998年全世界传感器市场销售额已达325亿美元， 2006年销售额增至506亿美元。,78,我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。 目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种， 年产量13.2亿多支，其中约有1/2产品销往国外。 预计到“十一五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。,79,传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业 环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。 许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面表现为传感器自身在智能化和网络方面落后。,80,第五节 传感器的发展趋势,20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、自动控制系统等装置必不可少的感知元件。 几十年来传感技术的发展分为两个方面： 提高与改善传感器的技术性能； 寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。,一、改善传感器性能的技术途径 1差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。,81,2平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为 =/n 式中 n传感单元数。,可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。,82,3补偿与修正技术 主要针对补偿与修正技术： 针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。 针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。,补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,83,4屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：,减小传感器对影响因素的灵敏度 降低外界因素对传感器实际作用的程度,对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,84,5稳定性处理,使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。,提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。,造成传感器性能不稳定原因：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。,传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。,85,二、传感器的发展动向,开发新型传感器 开发新材料 微型传感器加工工艺的