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传感器
检测
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徐科
主编
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自动检测技术,传感器与检测技术,主 编：徐科军副 主 编：马修水，李晓林， 李文涛，李 莲主 审：王化祥 电子工业出版社,教材,目 录,第1章 绪 论第2章 电阻式传感器原理与应用第3章 变阻抗式传感器原理与应用第4章 光电式传感器原理与应用第5章 电势式传感器原理与应用第6章 温度检测第7章 流量检测第8章 成分检测第9章 自动检测的共性技术及新发展,第1章 绪论,1.1 自动检测技术概述1.2 传感器概述1.3 测量误差与数据处理1.4 传感器的一般特性1.5 传感器的标定和校准 思考题与习题,第2章电阻式传感器原理与应用,2.1 应变式传感器2.2 电阻式传感器 思考题与习题,第3章 变阻抗式传感器原理与应用,3.1 自感式传感器3.2 差动变压器3.3 电容式传感器3.4 电涡流式传感器3.5 压磁式传感器思考题与习题,第4章 光电式传感器原理与应用,4.1 光电效应和光电器件4.2 光电码盘4.3 电荷耦合器件4.4 光纤传感器4.5 光栅传感器 思考题与习题,第5章 电势式传感器原理与应用,5.1 磁电式传感器5.2 霍尔传感器5.3 压电式传感器 思考题与习题,第6章 温度检测,6.1 概述6.2 热电阻式传感器6.3 热电偶传感器6.4 非接触式测温 思考题与习题,第7章 流量检测,7.1 流量的基本概念7.2 差压式流量计7.3 电磁流量计7.4 涡轮流量计7.5 涡街流量计7.6 超声流量计7.7 质量流量计 思考题与习题,第8章 成分检测,8.1 概述8.2 热导式气体分析仪8.3 磁性氧量分析仪8.4 氧化锆氧量分析仪8.5 红外气体分析仪8.6 气相色谱仪 思考题与习题,第9章 自动检测的共性技术及新发展,9.1 误差修正技术9.2 MEMS技术与微型传感器9.3 虚拟仪器9.4 无线传感器网络9.5 多传感器数据融合9.6 软测量技术 思考题与习题,第10章传感器应用系统的设计原则,设计原则 总结 复习,本教学大纲要求：课程的目的与任务传感器是感知、获取与检测信息的窗口，它处于研究对象与测控系统的接口位置，是自动测控系统的重要环节，一切科学实验和生产过程要获取的信息，都是通过传感器转换。课程的基本要求通过对本课程的学习，要求学生掌握传感器的工作原理、基本结构、测量电路及各种应用，熟悉非电量测量的基本知识及误差处理方法，熟悉工业过程主要参数的检测方法，了解传感器的发展趋势及在工业社会科技生活中的广泛应用，具有正确应用传感器的能力，为毕业设计及以后工作打下良好的基础。与其它课程的联系与分工学习本课程之前，要求学生先修大学物理、电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、电气测量技术，本课程也是过程控制系统及仪表的先修课程。本课程的性质及适应对象本课程为自动化专业选修课程（必选）。,本科教学计划安排,参 考 文 献,1. 王化祥,张淑英传感器原理及应用天津：天津大学出版社，19912. 常健生. 检测与转换技术. 北京:机械工业出版社. 20013. 严钟豪，谭祖根. 非电量电测技术. 北京：机械工业出版社，20034. 强锡富. 传感器. 北京：机械工业出版社，19985. 贾伯年，俞朴. 传感器技术. 南京：东南大学出版社，19926. 王俊杰. 检测技术与仪表. 武汉. 武汉理工大学出版社，20027. 郭振芹非电量的电测量北京：中国计量出版社，19868. 郁有文，常健，程继红编著. 传感器原理及工程应用. 西安：西安电子科技 大学出版社，20039. 杜维过程检测技术及仪表北京：化学工业出版社，200110.吴永生热工测量及仪表北京：中国电力出版社，199811.师克宽过程参数检测北京：中国计量出版社，199012. 刘迎春传感器原理设计与应用长沙：国防科技大学出版社，1998,13.张正伟传感器原理及应用北京：中央广播电视大学出版社，199714.周春晖. 过程控制工程手册. 北京: 化学工业出版社，199315. 陈守仁. 自动检测技术及仪表. 北京: 机械工业出版社，198916. 费业泰. 误差理论与数据处理. 北京:机械工业出版社, 200217.黄俊钦静、动态数学模型的实用建模方法北京：机械工业出版社，198818. 马修水. 瑞士SYLVAC电容测量系统的发展. 工具技术，1989 (12) 19.于静江，周春晖过程控制中的软测量技术控制理论与应用1996,13(2)20. 骆晨钟，邵惠鹤软测量技术及其工业应用仪表技术及传感器 1999，(1)：32-3921. 洪文学，韩峻峰，周少敏模糊传感器研究的现状与展望传感器技术 1996，(5)：1-422. 徐科军. 容栅传感器的研究与应用. 北京：清华大学出版社，199523. 徐科军传感器动态特性的实用研究方法合肥：中国科学技术大学出版社，1999,参 考 文 献 （续）,传感器原理及其应用教学层次,中专级大专级本科级硕士级,谢谢！,传感器与检测技术 教学组,第1章 绪论,1.1 自动检测技术概述1.2 传感器概述1.3 测量误差与数据处理1.4 传感器的一般特性1.5 传感器的标定和校准,1.1自动检测技术概述,1.1.1 自动检测技术的重要性1.1.2 自动检测系统的组成1.1.3 自动检测技术的发展趋势,1.1.1 自动检测技术的重要性,测试手段就是仪器仪表在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。非电量电测量技术优点：测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。,机械制造业化工行业烟草行业环境保护等部门现代物流行业科学研究和产品开发中文物保护领域综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本之木。,1.1自动检测技术概述,1.1.1 自动检测技术的重要性1.1.2 自动检测系统的组成1.1.3 自动检测技术的发展趋势,1.1.2 自动检测系统的组成,检测系统的组成,传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。,1.1自动检测技术概述,1.1.1 自动检测技术的重要性1.1.2 自动检测系统的组成1.1.3 自动检测技术的发展趋势,1.1.3 自动检测技术的发展趋势,不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。开发新型传感器。开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。,第1章 绪论,1.1 自动检测技术概述1.2 传感器概述1.3 测量误差与数据处理1.4 传感器的一般特性1.5 传感器的标定和校准,1.2 传感器概述,1.2.1 传感器的定义1.2.2 传感器的组成1.2.3 传感器分类,1.2.1 传感器的定义,根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。,包含的概念：, 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是 化学量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,1.2 传感器概述,1.2.1 传感器的定义1.2.2 传感器的组成1.2.3 传感器分类,1.2.2 传感器的组成,敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量转换电路 上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出,1.2 传感器概述,1.2.1 传感器的定义1.2.2 传感器的组成1.2.3 传感器分类,1.2.3 传感器分类,工作机理：物理型、化学型、生物型,物理型传感器：物理基础的基本定律。场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律,构成原理,结构型:物理学中场的定律物性型:物质定律,能量转换,能量控制型能量转换型,物理原理,用 途： 位移、压力、振动、温度,第1章 绪论,1.1 自动检测技术概述1.2 传感器概述1.3 测量误差与数据处理1.4 传感器的一般特性1.5 传感器的标定和校准,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类1.3.2 精度1.3.3 测量误差的表示方法1.3.4 随机误差1.3.5 系统误差1.3.6 粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法,1.3.1 测量误差的概念和分类,1. 有关测量技术中的部分名词2. 误差的分类,1. 有关测量技术中的部分名词,（1）等精度测量：（2）非等精度测量：（3）真值：（4）实际值：（5）标称值：（6）示值：（7）测量误差：,2. 误差的分类,（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类1.3.2 精度1.3.3 测量误差的表示方法1.3.4 随机误差1.3.5 系统误差1.3.6 粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法,1.3.2 精度,反映测量结果与真值接近程度的量 (1)准确度 (2)精密度 (3)精确度 对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，但精确度高，则精密度和准确度都高。,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类1.3.2 精度1.3.3 测量误差的表示方法1.3.4 随机误差1.3.5 系统误差1.3.6 粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法,1.3.3 测量误差的表示方法,(1) 绝对误差(2) 相对误差,(1) 绝对误差,绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差为 （1.3.1）由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为 （1.3.2）通常以此值来代表绝对误差。,修正值,为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值，常用C表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即 A0= x+C （1.3.3）由此得C =A0-x （1.3.4）在实际工作中，可以用实际值A近似真值A0，则（1.3.4）式变为C =A-x=- x （1.3.5）修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修正值可以消除该误差的影响,(2) 相对误差,相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式： 实际相对误差。 示值相对误差。 满度（引用）相对误差,实际相对误差。 （1.3.6）示值相对误差。 （1.3.7）满度（引用）相对误差,最大允许误差,指示仪表的最大满度误差不许超过该仪表准确度等级的百分数，即 （1.3.9） 当示值为x时可能产生的最大相对误差为 （1.3.11）用仪表测量示值为x的被测量时，比值越大，测量结果的相对误差越大。选用仪表时要考虑被测量的大小越接近仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类1.3.2 精度1.3.3 测量误差的表示方法1.3.4 随机误差1.3.5 系统误差1.3.6 粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法,1.3.4 随机误差,1. 正态分布2. 随机误差的评价指标3. 测量的极限误差,1. 正态分布,随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律,正态分布的随机误差分布规律,（1）对称性。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。（2）单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。（3）有界性。一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。（4）抵偿性。随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。,2.随机误差的评价指标,由于随机误差大部分按正态分布规律出现的，具有统计意义，通常以正态分布曲线的两个参数算术平均值和均方根误差作为评价指标。 （1）算术平均值 （2）标准差,（1）算术平均值,当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平均值即等于真值，事实上是不可能无限次测量，即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加，算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。,() 标准差, 测量列中单次测量的标准差 测量列算术平均值的标准差, 测量列中单次测量的标准差,在等精度测量列中，单次测量的标准差 （1.3.18）式中，n测量次数； 每次测量中相应各测量值的随机误差。,实际工作中用残差来近似代替随机误差求标准差的估计值,贝塞尔（Bessel）公式, 测量列算术平均值的标准差,式中， 算术平均值标准差（均方根误差）； 测量列中单次测量的标准差； n 测量次数,当测量次数n愈大时，算术平均值愈接近被测量的真值，测量精度也越高。,3. 测量的极限误差,测量的极限误差是极端误差，检测量结果的误差不超过该极端误差的概率为P，并使出现概率为（-P）误差超过该极端误差的检测量的测量结果可以忽略。 （1）单次测量的极限误差 （2）算术平均值的极限误差,（1）单次测量的极限误差,随机误差在至范围内概率为：,经变换，(1.3.22）式为,若某随机误差在t 范围内出现的概率为2(),则超出该误差范围的概率为,几个典型 t值的概率情况分析,当t=3时，即|=3 时,误差不超过|的概率为99.73%,通常把这个误差称为单次测量的极限误差limx,即limx =3,（2）算术平均值的极限误差,测量列的算术平均值与被测量的真值之差 当多个测量列算术平均值误差为正态分布时，得到测量列算术平均值的极限误差表达式为 式中的t为置信系数，为算术平均值的标准差。,通常取t=3,则,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类1.3.2 精度1.3.3 测量误差的表示方法1.3.4 随机误差1.3.5 系统误差1.3.6 粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法,1.3.5 系统误差,1. 系统误差的发现2. 系统误差的削弱和消除,1. 系统误差的发现,理论分析及计算实验对比法残余误差观察法残余误差校核法计算数据比较法,（1）理论分析及计算因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。（2）实验对比法实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。（3）残余误差观察法根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。,（4）残余误差校核法, 用于发现累进性系统误差马利科夫准则：设对某一被测量进行n次等精度测量，按测量先后顺序得到测量值x1，x2，xn，相应的残差为v1，v2，vn。把前面一半和后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值 用于发现周期性系统误差阿卑-赫梅特准则：,则认为测量列中含有周期性系统误差。,当存在,设,(5) 计算数据比较法,对同一量进行多组测量，得到很多数据，通过多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比较结果应满足随机误差条件，否则可认为存在系统误差。任意两组结果与间不存在系统误差的标志是,2. 系统误差的削弱和消除,从产生误差源上消除系统误差引入修正值法零位式测量法补偿法对照法,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类1.3.2 精度1.3.3 测量误差的表示方法1.3.4 随机误差1.3.5 系统误差1.3.6 粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法,1.3.6 粗大误差,判别粗大误差最常用的统计判别法：如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1，x2，xd,，xn 其标准差为，如果其中某一项残差vd大于三倍标准差，即 则认为vd为粗大误差，与其对应的测量数据xd是坏值，应从测量列测量数据中删除。,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类1.3.2 精度1.3.3 测量误差的表示方法1.3.4 随机误差1.3.5 系统误差1.3.6 粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法,1.3.7 数据处理的基本方法,数据处理:从获得数据起到得出结论为止的整个数据加工过程。 常用方法: 列表法、作图法和最小二乘法拟合。最小二乘法原理是指测量结果的最可信赖值应在残余误差平方和为最小的条件下求出。在自动检测系统中，两个变量间的线性关系是一种最简单、也是最理想的函数关系。,设有n组实测数据（xi，yi）(i=1，2，n)，其最佳拟合方程 (回归方程)为 y=A+Bx (1.1.37)式中，A为直线的截距；B为直线的斜率。,根据最小二乘法原理，要使 为最小，取其对A、B求偏导数，并令其为零，可得两个方程，联立两个方程可求出A,B的唯一解。,第1章 绪论,1.1 自动检测技术概述1.2 传感器概述1.3 测量误差与数据处理1.4 传感器的一般特性1.5 传感器的标定和校准,1.4 传感器的一般特性,1.4.1 传感器的静特性1.4.2 传感器的动特性,1.4.1 传感器的静特性,输出与输入间关系 微分方程,静特性：输入量为常量，或变化极慢动特性：输入量随时间较快地变化时,微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，可得到静特性（动特性的特例）表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。,静特性指标,线性度 灵敏度 迟滞 重复性 零点漂移 温度漂移,1、线性度,静特性,输 出 量,输 入 量,零点输出,理论灵敏度,非线性项系数,直线拟合线性化 非线性误差或线性度,最大非线性误差 满量程输出,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,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,L1,最小二乘拟合,原理:,最小二乘拟合方法,2、灵敏度,传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度,表征传感器对输入量变化的反应能力,表征传感器对输入量变化的反应能力,(a) 线性传感器 (b) 非线性传感器,3、迟滞,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,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，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。,迟滞特性,4、重复性,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,正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差,取较大者为,重复特性,5. 零点漂移,传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移,零漂,式中Y0最大零点偏差； YFS 满量程输出。,6、温漂,传感器在外界温度下输出量发出的变化,温漂,式中max 输出最大偏差；T 温度变化范围； YFS 满量程输出。,1.4 传感器的一般特性,1.4.1 传感器的静特性1.4.2 传感器的动特性,1.4.2 传感器的动态特性,传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。时域：瞬态响应法频域：频率响应法,1. 瞬态响应特性,在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。 理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。, 一阶传感器的单位阶跃响应,设x ( t )、y ( t ) 分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数，则一阶传感器的传递函数为式中 时间常数； K静态灵敏度。 由于在线性传感器中灵敏度K为常数，在动态特性分析中，K只起着使输出量增加K倍的作用。讨论时采用 K=1。,对于初始状态为零的传感器，当输入为单位阶跃信号时，X(s)=1/s,传感器输出的拉氏变换为,则一阶传感器的单位阶跃响应为,一阶传感器的时间常数越小越好, 二阶传感器的单位阶跃响应,二阶传感器的传递函数为,式中 n 传感器的固有频率； 传感器的阻尼比。,在单位阶跃信号作用下，传感器输出的拉氏变换为,对Y（s）进行拉氏反变换，即可得到单位阶跃响应。图1.4.6为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。,传感器的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率n 。在实际使用中，为了兼顾有短的上升时间和小的超调量，一般传感器都设计成欠阻尼式的，阻尼比一般取在0.60.8之间。带保护套管的热电偶是一个典型的二阶传感器。, 瞬态响应特性指标,时间常数是描述一阶传感器动态特性的重要参数，越小，响应速度越快。二阶传感器阶跃响应的典型性能指标可由图1.4.7表示,各指标定义如下： 上升时间tr 输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所用的时间。 响应时间ts 系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。 峰值时间tp 阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。 超调量 传感器输出超过稳态值的最大值A，常用相对于稳态值的百分比表示。,2. 频率响应特性,传感器对正弦输入信号的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）零阶传感器的频率特性（2）一阶传感器的频率特性（3） 二阶传感器的频率特性（4）频率响应特性指标,（1）零阶传感器的频率特性,零阶传感器的传递函数为,频率特性为,零阶传感器的输出和输入成正比，并且与信号频率无关。因此，无幅值和相位失真问题，具有理想的动态特性。电位器式传感器是零阶系统的一个例子。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似的当作零阶系统来处理。, 一阶传感器的频率特性,将一阶传感器的传递函数中的s用j代替，即可得到频率特性表达式,幅频特性,相频特性,(a) 幅频特性 (b) 相频特性,时间常数越小，频率响应特性越好。当 1时，A ()1， ()，表明传感器输出与输入为线性关系，相位差与频率成线性关系，输出 y ( t ) 比较真实地反映输入x ( t ) 的变化规律。因此，减小可以改善传感器的频率特性。, 二阶传感器的频率特性,二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为,二阶传感器的频率特性, 频率响应特性指标, 频带 传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。 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表征了其动态特性。,第1章 绪论,1.1 自动检测技术概述1.2 传感器概述1.3 测量误差与数据处理1.4 传感器的一般特性1.5 传感器的标定和校准,1.5 传感器的标定和校准,传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定工作可分为如下几个方面， 1. 新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据； 2. 经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。,传感器的标定,静态标定:目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定:目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。,1.5 传感器的标定和校准,1.5.1 传感器的静态特性标定 1.5.2 传感器的动态特性标定1.5.3 压力传感器的动态标定,1.5.1 传感器的静态特性标定,1. 静态标准条件2. 标定仪器设备精度等级的确定3. 静态特性标定的方法4. 压力传感器的静态标定,1. 静态标准条件,没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（205）、相对湿度不大于85% ，大气压力为1017kPa的情况。,2. 标定仪器设备精度等级的确定,对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。,3. 静态特性标定的方法,标定过程步骤： 将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点； 根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值； 将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值； 按、所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成曲线； 对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。,4. 压力传感器的静态标定,常用的标定装置有：活塞压力计、杠杆式和弹簧测力计式压力标定机。,活塞压力计标定压力传感器的示意图,1-标准压力表 2砝码 3活塞 4进油阀 5油杯 6被标传感器 7针形阀 8手轮 9手摇压力泵,压力标定曲线,上述标定方法不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计的加载过程时间太长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重影响其标定精度。所以，对压电式测压系统一般采用杠杆式压力标定机或弹簧测力计式压力标定机。为了保证压力传感器的测量准确度，需定期检定，检定周期最长不超过一年。,1.5 传感器的标定和校准,1.5.1 传感器的静态特性标定 1.5.2 传感器的动态特性标定1.5.3 压力传感器的动态标定,1.5.2 传感器的动态特性标定,主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数，二阶传感器则有固有频率n和阻尼比两个参数。标准激励信号: 阶跃变化和正弦变化的输入信号,一阶传感器的单位阶跃响应函数为,则上式可变为,z和时间t成线性关系，并且有=t /z 可以根据测得的y ( t ) 值作出z t曲线，并根据t /z的值获得时间常数,一阶传感器时间常数的求法,二阶传感器（1）的单位阶跃响应为,如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个过冲量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比，其中n是该两峰值相隔的周期数（整数）。,当0.1时，以1代替 ，此时不会产生过大的误差（不大于0.6%）,则可用式(1.5.8)计算，即,若传感器是精确的二阶传感器，则n值采用任意正整数所得的值不会有差别。反之，若n取不同值获得不同的值，则表明该传感器不是线性二阶系统。根据响应曲线测出振动周期Td ，有阻尼的固有频率d为,则无阻尼固有频率n为,利用正弦输入，测定输出和输入的幅值比和相位差来确定传感器的幅频特性和相频特性，然后根据幅频特性，分别按下图求得一阶传感器的时间常数和欠阻尼二阶传感器的固有频率和阻尼比。,由幅频特性求时间常数 欠阻尼二阶传感器的n和,1.5 传感器的标定和校准,1.5.1 传感器的静态特性标定 1.5.2 传感器的动态特性标定1.5.3 压力传感器的动态标定,1.5.3 压力传感器的动态标定,给传感器加一个特性已知的校准动压信号作为激励源，从而得到传感器的输出信号，经计算分析、数据处理，即可确定传感器的频率特性。压力传感器在标定时广泛采用激波管法方法。激波管法三大特点： 压力幅度范围宽，便于改变压力值； 频率范围宽 (2kHz 2.5MHz) ； 便于分析研究和数据处理。,1. 激波管标定装置工作原理,激波管标定装置系统原理框图,1-高压室 2-低压室 3-膜片 4-侧面被标定的传感器 5-底面被标定的传感器 6、7-测速压力传感器8-测速前置级 9-数字频率计 10-测压前置级 11-记录装置 12-气源 13-气压表 14-泄气门,激波管标定装置系统,激波管入射激波测速系统标定测量系统气源,传感器在激波的激励下按固有频率产生一个衰减振荡。其波形由显示系统记录下来用以确定传感器的动态特性。,被标定传感器的输出波形,激波管中压力与波动情况,膜片爆破前的情况 (b) 膜片爆破后稀疏波反射前的情况 稀疏波反射后的情况 (d) 反射激波的波动情况,2. 传感器动态参数的确定方法,传感器对阶跃压力的响应曲线是输出压力与时间的关系曲线，所以又称为时域曲线。若传感器振荡周期Td是稳定的，而且振荡幅度有规律地单调减小，则传感器（或测压系统）可以近似地看成是二阶系统。根据试验获得的阶跃响应曲线，确定传感器的固有频率n和阻尼比，求得压力传感器的幅频特性和相频特性分别为,End the 1.0,,2.1 应变式传感器,2.1.1 工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路2.1.4 应变式传感器应用,2.1.1 工作原理,1.金属的电阻应变效应,电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化,F l、A 、 R,电阻的灵敏系数,对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又由材料力学可知，在弹性范围内，,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,金属电阻的灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,2. 应变片的基本结构与种类,敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏感元件,应变,外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化,应变片,应变片的类型和材料,金属丝式 金属箔式 金属薄膜式,回线式短接式,金属丝式应变片,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略,应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料， K0=1+2是常数。其灵敏度系数多在1.73.6之间。,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,箔式应变片,优点 ：,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点： 电阻值的分散性大 阻值调整,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,2.1 应变式传感器,2.1.1 工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路2.1.4 应变式传感器应用,2.1.2 金属应变片的主要特性,（一）灵敏系数（二）横向效应（三）温度误差及其补偿,应变片的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变片承受电压， 电阻值大 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大,（一）灵敏系数,“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测定，取平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0,粘结层传递变形失真还存在有横向效应,原因：,（二）横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻,K (箔式应变片),l,y,x,横向效应,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,（三）温度误差及其补偿,1、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 。,（三）温度误差及其补偿,2、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起的电阻相对变化为,其中,相应的虚假应变输出为,可得由于温度变化而引起的总电阻变化为,温度补偿,单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿, 电桥补偿法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,电桥补偿法,优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。, 应变片的自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。a. 选择式自补偿应变片b. 双金属敏感栅自补偿应变片,a.选择式自补偿应变片,优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立 (2.1.21) 即可达到温度自补偿的目的。,组合自补偿法,b. 双金属敏感栅自补偿应变片,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系
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