传感器及基本特性(第四章).ppt

第四章 传感器的特性 人类处于信息时代，信息技术的三大支柱 是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感 器技术是测控技术的基础。“没有传感器技术就 没有现代科学技术”的观点已为全世界公认。 传感器处于自动检测与控制系统之首，是 感知、获取与检测信息的窗口。科学研究和生 产过程要获取的信息，都要通过传感器转换成 容易传输和处理的电信号。 1 一、传感器的定义 国家标准中传感器（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。 传感器是测量装置，能完成检测任务； 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； 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； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器名称：敏感元件、变送器、换能器、检测器、探头 第一节 传感器的定义、组成与分类 2 二、传感器的组成 传感器组成框图 辅助电源 敏感元件转换元件 基本转换电路 被测量 电量 3 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。 应该指出的是，并不是所有的传感器都必须 包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输 出的是电量，它就同时兼为转换元件。 4 1-弹簧管 2-电位器 举例：测量压力的电位器式压力传感器 5 弹性敏感元件（弹簧管） 敏感元件在传感器中直接感受被测量， 并转换成与被测量有确定关系、更易于转换 的非电量。 6 弹性敏感元件（弹簧管） 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移 7 弹簧管放大图 当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。 8 其他各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转 换为角位移或直线位移。 9 被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转 换成电参量 在右图 中， 电位器 为传感元件 ，它将角位 移转换为电 参量-电 阻的变化（ R） 10 360度圆盘形电位器 右图所 示的360度圆 盘形电位器 的中间焊片 为滑动片， 右边焊片接 地，左边焊 片接电源。 接地 11 测量转换电路的作用是将传感元件输出 的电参量转换成易于处理的电压、电流或频 率量。 在左图中，当电 位器的两端加上电源 后，电位器就组成分 压比电路，它的输出 量是与压力成一定关 系的电压Uo 。 12 二、传感器分类 传感器的种类名目繁多，分类不尽相 同。常用的分类方法有： ）按被测参数分类：可分为位移、力 、力矩、转速、振动、加速度、温度、压 力、流量、流速等传感器。 2）按测量原理分类：可分为电阻、电容 、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、 红外、光导纤维等传感器。 13 第二节 传感器的静态特性 传感器所测量的量(物理量、化学量及生物量等)经 常会发生各种各样的变化。例如，在测量某一液压系统 的压力时，压力值在一段时间内可能很稳定，而在另一 段时间内则可能有缓慢起伏，或者呈周期性的脉动变化 ，甚至出现突变的尖峰压力。传感器主要通过其两个基 本特性静态特性和动态特性，来反映被测量的这种变 动性。 描述传感器输入一输出关系的方法有两种：一是传 感器的数学模型；二是传感器的各种基本特性指标。两 者都可用于描述传感器的输入、输出关系及其特性。 14 一、传感器静态特性一般知识 传感器的静态特性是指传感器在静态工作 状态下的输入输出特性。所谓静态工作状态是 指传感器的输入量恒定或缓慢变化而输出量也 达到相应的稳定值时的工作状态。这时输出量 为输入量的确定函数。 15 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： 实际使用中的大多数传感器，其用代数多项式表示 的特性方程的次数并不高，一般不超过五次。根据传 感器的实际特性所呈现的特点和实际应用场合的具体 需要，其静特性方程并非一定要表示成上式所确定的 完整形式。 16 传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取 的。所谓校准试验，就是在规定的试验条件下，给传 感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量。在传 感器的研制过程中可以通过其已知的元部件的静特性 ，采用图解法或解析法而求出传感器可能具有的静态 特性。 传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与 使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。 17 二、传感器的静态特性指标 传感器的特性一般指输入、输出特性 ，包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、 分辨力、稳定度、漂移、电磁兼容性、可靠 性等。 18 线性度： 线性度又称非线性误差，是指传感器实际 特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之 间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百 分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起 来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理 论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线 性度，非线性误差越小越好 。线性度的计算公 式如下： 19 作图法求线性度演示 （ 1拟合曲线 2实际特性曲线 ） 20 由于实际遇到的传感器大多为非线性。在 实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希 望得到线性关系。 因此引入各种非线性补偿环节，如采用非 线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理， 从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近 线性，但如果传感器非线性的方次不高， 输入 量变化范围较小时，可用一条直线（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。 21 直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合 22 设拟合直线方程： 0 y yi 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b和k的表达式 23 灵敏度 ： 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化 值（输出增量）与引起输出变化值的输入变 化值（输入量增量）之比，用K 来表示： 24 显然灵敏度表示静态特性曲线上相应点的斜率。 对线性传感器，灵敏度为一个常数；对于非线性传感 器，灵敏度则为一个变量，随着输入量的变化而变化 ， 25 迟滞: 传感器在输入量由小到大（正行程）及 输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输 出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说 ，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行 程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差 值。 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 与满量程输出值之比称为迟滞误差，即 26 迟滞特性 迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，加轴 承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料的 内摩擦、积塞灰尘等。迟滞大小一般由实验确定。 27 重复性(repeatability or reproducibility, precision)： 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。重 复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用 正反行程中最大重复差值Rmax计算，即 或 28 Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。 29 分辨力： 指传感器能检出被测信号的最 小变化量。当被测量的变化小于分 辨力时，传感器对输入量的变化无 任何反应。对数字仪表而言，如果 没有其他附加说明，可以认为该表 的最后一位所表示的数值就是它的 分辨力。一般地说，分辨力的数值 小于仪表的最大绝对误差。 30 漂移： 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感 器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移 的原因有两个方面： 一是传感器自身结构参数；二是 周围环境（如温度、湿度等）。 最常见的漂移是温度 漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度 漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。 温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环 境温度（一般为20）时的输出值的变化量与温度变 化量之比()来表示， 即 31 可靠性 ： 可靠性是反映检测系统在规定的条件下 ，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的 质量指标。 浴盆 曲线 32 稳定性： 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。 例如：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。 33 精确度： 精确度是反映测量系统中系统误差和随机误差的 综合评定指标。与精确度有关的指标有：精密度、准 确度和精确度。 精密度：说明测量系统指示值的分散程度。精 密度反映了随机误差的大小，精密度高则随机误差小 。(思考：与重复性的关系？) 准确度：说明测量系统的输出值偏离真值的程 度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高则系统 误差小。 精确度：是准确度与精密度两者的总和，常用 仪表的基本误差表示。精确度高表示精密度和准确度 都高。 34 准确度高而精密度低准确度低而精密度高精确度高 35 第三节 传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时 间变化，测量和记录的过程不受时间限制，但 是实际检测中的大量被测量是随时间变化的动 态信号，传感器的输出不仅需要能精确地显示 被测量的大小，而且还能显示被测量随时间变 化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动 态信号的能力用动态特性来表示。 36 一、动态参数测试的特殊性 热电偶测温过程的动态特性 37 二、传感器的动态模型 1、微分方程 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： 对于常见的传感器，其动态模型通常可用零阶、一阶或二 阶的常微分方程来描述，分别称为零阶系统、一阶系统和二阶系 统。 在实际中，经常遇到的是阶和二阶环节的传感器。 38 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)=b0x(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。 39 2） 一阶系统 方程式中的系数除了a0、a1与b0之外，其它的系数均为零 ，则微分方程为 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。 40 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 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。 41 2、传递函数 动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是 指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉 氏变换之比。当传感器的数学模型初值为0时，对其进行 拉氏变换，即可得出系统的传递函数 等号右边是一个与输无关的表达式，它只与系统结 构参数有关，因而等号右边是传感器特性的一种表达式 ，它联系了输入与输出的关系，是一个描述传感器传通 信息特性的函数。 42 3、传感器的动态响应特性 研究传感器的动态特性主要是为了分析测量时产 生动态误差的原因，传感器的动态误差包括两部分：一 是输出量达到稳定状态后与理想输出量之间的差别；二 是当输入量跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之 间的过渡状态中的误差。研究传感器的动态响应特性， 实际上就是分析传感器的这两种动态误差。 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。 43 n 系统的动态特性取决于系统本身及输入信号的 形式，工程上常用正弦函数和单位阶跃函数作为标 准的输入信号。通常在时域主要分析传感器在单位 阶跃输入下的响应；而在频域主要分析在正弦输入 下的稳态响应，并着重从系统的幅频特性和相频特 性来讨论。 n （1）传感器阶跃响应 n 当传感器输入一个单位阶跃信号时，其输出信号 称为阶跃响应。 44 n常见的一阶、二阶传感器阶跃响应曲线见图，主要 动态指标包括： 一阶传感器的阶跃响应曲线 二阶传感器阶跃响应曲线 45 n 时间常数 ：传感器输出 由零上升到稳态值 的63.2%所需的 时间，见图。 n 上升时间 ：传感器输出 由稳态值的10%上升到90%所需的时 间，见图。 n 调节时间 ：传感器输出 由零上升达到并一直保持在允许误差