检测与转换之传感器原理及特性.pptVIP

检测与转换技术 岑宏杰 传感器概述 1 内容 n传感器的定义、分类 n传感器的组成、应用 n传感器的静态特性 n传感器的动态特性 2 传感器的定义 n举例： n生活中接触到的各种传感器 人体：眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤 视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉感觉：功 能 传感器 3 传感器的定义 n广义：能感知某一物理量、化学量或生物 量等的信息，并能将其转化为可以利用的 信息的装置。 n狭义：感受被测量，并按一定规律将其转 化为同种或别种性质的输出信号的装置。 4 传感器的分类 n品种繁多，分类方法很多 n根据需要，从不同的使用角度突出某一侧 面来分类： 按被测量分类：温度、压力、流量 按工作原理分类：电阻式、压电式、光电式 按输出信号性质分类：模拟、数字 5 传感器的组成 n作用：非电量转换为电量 n组成： 敏感元件：先转换为中间非电量 转换元件：将中间非电量转换为电量 测量电路：将电量转换为可直接利用的电信号 辅助电源 n敏感元件和转换元件可能合一，如压电晶体、热 电偶、热敏电阻等。 6 传感器的组成 n举例：应变式压力传感器（压力电压） 敏感元件弹性膜片，将压力转换为膜片变形 转换元件应变片，将变形转换为电阻值变化 测量电路电桥电路，将电阻值转换为电压 敏感元件转换元件测量电路 辅助电源 非电量电量 传感器的组成框图 7 传感器发展趋势 n新材料的开发应用：半导体、有机聚合物 等 n新工艺、新技术的应用：蒸镀、扩散、光 刻腐蚀、超声波焊接 n新效应开发利用：物理、化学、生物 n集成化、多维化、多功能化、智能化 8 传感器的特性 n输入和输出之间的关系 n静态特性：输入信号随时间不变或缓慢变 化的输出特性。 包括：线性度、灵敏度、迟滞性、重复度。 研究方法：静态标定法 n动态特性：输入信号随时间变化时的输出 特性。 9 传感器的静态特性 n灵敏度 是指达到稳定工作状态时，输出变化量与输入变化量 之比：K = y /x 即是静态特性曲线的斜率 n精确度 是指输出指示值与被测量约定真值的一致程度，反映 测量结果的可靠程度 用最大引用误差来划分精确度等级，常用有0.1、0.2、 0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0等档次，如0.5级的仪表 ，表示允许的最大引用误差为0.5% 10 传感器的静态特性 n测量范围与量程 测量范围是指按标定的精确度可进行测量的被 测量范围，其上限值与下限值之差就是传感器 的量程。 例：某温度计测量范围-20100，量程120 11 传感器的静态特性 n线性度误差 是指实际输出输入静态特性 曲线与理论直线之间的最大 偏差再与输出满度值相比。 如图12所示。 rL%=max / ymx100% 其中：rL为线性度；max 为最大非线性绝对误差；ym 为输出满度值。 rL%小则线性度高；非线性 大要采用线性化补偿措施。 12 传感器的静态特性 n其他特性 迟滞、死区、阈值、分辨率、重复性、漂移 n测量准确，静态响应良好： 合适的测量范围和量程 够高的精确度、灵敏度、分辨率和重复性 小的线性度误差、迟滞、死区、阈值和漂移 n满足工作环境条件，温、湿度范围等，确保器件 长期可靠工作 13 其他静态特性的定义 n漂移: 漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的 变化，主要包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可 分为时间漂移和温度漂移。 时间漂移指在规定的条件下，零点或灵敏 度随时间的缓慢变化；温度漂移则是周围温度变化所引起的。 n稳定性: 稳定性指传感器在长时间使用时仍保持其性能的能力，一般以在室温 条件下经过一段规定的时间后，输出与起始标定时的输出之间的差异 表示 14 n迟滞: 迟滞是反应传感器在输入量增大和减小的行程过程中输出和输入曲线 的不重合程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值 计算，有： n分辨力: 分辨力是传感器在规定测量范围内所能测试出的被测输入量的最小变 化量，有时用该值相对满量程输入值的百分数表示，称为分辨率。 n重复性： 重复性是指输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，所得特性曲 线间一致程度的指标，各条曲线越接近，重复性越好。重复性误差反 映的是校准数据的离散程度，是随机误差计算。 15 传感器的动态特性 n传感器输入信号随时间较快变化时，输出无法瞬时跟随输 入量而变化。 n研究方法： 忽略非线性和随机变化等因素，看作集中参数系统，建立数学模 型，为常系数线性微分方程。分析输入量x与输出量y之间的关系 ，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。 n以单位阶跃信号为激励 n根据模型，分为零阶、一阶、二阶、三阶等传感器 16 传感器的动态特性 n零阶传感器 数学模型 a0y=b0x y = b0/ a0 x = Kx ，K-静态灵敏度 对任何输入无时间上的迟滞 在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频 率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理 17 传感器的动态特性 n一阶传感器 a1(dy/dt)+a0y= b0x -时间常数( = a1/a0)；K-静态灵敏度( K= b0/a0) 时间常数越大，动态响应越慢，动态误差越大且存在时间越长 时间常数是一阶传感器的主要动态性能指标，越小越好 18 传感器的动态特性 n很多传感器，如振动传感器、压力传感器 等属于二阶传感器，其微分方程为： 时间常数， ； 0自振角频率,0=1/ 阻尼比， ； k静态灵敏度，k=b0/a 19 传感器的动态特性 n1，过阻尼 稳定值 二阶传感器的单位阶跃响应 20 传感器的动态特性 n上升时间tr n峰值时