传感器技术1-传感器技术基础-中英对照.ppt

Sensor/TransducerTechnology传感器技术,Instructor:Dr.JinboFu(符金波)Ph.D.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofElectricalEngineering,PennStateUniv.,USAM.S.ofMechanicalEngineering,PennStateUniv.,USAM.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCB.E.ofPrecisionInstrument,TsinghuaUniv.,PRCOfficeAddress:Room528,CentralBuildingTelEmail:fjb,第一章：传感器技术基础Chapter1:thebasicsofsensortechnology,1.2,传感器的一般数学模型Generalmathematicalmodel,1.1,1.3,1.4,传感器的特性与指标Characteristicsandperformanceindex,改善传感器性能的技术途径Techmethodsforperformanceimprovement,传感器合理选用(自学)Properselectiononsensors,1.5,传感器的标定与校准Sensorcalibration,1.1传感器的一般数学模型,传感器的数学模型(mathematicmodel)是指传感器的输入(input)输出(output)关系传感器的静态模型(staticmodel)：y=a0+a1x+a2x2+.+anxn线性模型(linearmodel)：y=a0+a1x或y=ax动态模型(dynamicmodel)微分方程(differentialequation)(见课本11页，式1-3)传递函数(transferfunction)(见课本11页，式1-4),1.2传感器的特性与指标,传感器的静态特性(staticcharacteristics)静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态(stablestatus)时的输入输出关系，也即当输入量为常量(constant)，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。静态特性主要考虑非线性(nonlinearity)和随机性(randomness)等因素。线性度(degreeoflinearity)线性度又称非线性，是表征传感器输出-输入校准曲线(calibrationcurve)与所选定的拟合直线(fittedstraightline)（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差(relativeerror)来表示线性度误差，即,传感器的静态特性(staticcharacteristics)线性度(degreeoflinearity)选定的拟合直线(fittedstraightline)不同计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并应考虑使用与计算方便。下面是几种常用的拟合方法：理论直线法(Methodoftheoreticline)端点直线法(Methodofend-pointline)最佳直线法(Methodofbestline)最小二乘法(Methodofleastsquares),1.2传感器的特性与指标,1.2传感器的特性与指标,传感器的静态特性(Staticcharacteristics)回差(Hysteresis)（滞后delay、迟滞lag）（请注意回差与线性度的差别）重复性(Repeatability)重复性反映传感器的重复精度(precisionofrepeating)，用统计指标(statisticindex)表示。重复性误差(repeatabilityerror)反映的是校准数据(calibrationdata)的离散程度(degreeofdispersion)，属随机误差(randomerror)。,1.2传感器的特性与指标,传感器的静态特性(Staticcharacteristics)灵敏度(Sensitivity)分辨力（分辨率）(Resolution)分辨力是指在规定测量范围(rangeofmeasurement)内能测出的输入量的最小变化量(minimumchange)。有时用该值相对满量程(FullScaleF.S.)输入值之百分数(percentage)表示，则称为分辨率。分辨力与精度(precision)和灵敏度不同。,1.2传感器的特性与指标,传感器的静态特性(Staticcharacteristics)阈值(Threshold)阈值是指能使传感器输出端(portofoutput)产生可测变化量的最小被测输入量值(minimuminputofmeasurement)，实际上是零位(zeropoint)附近的分辨力。稳定性(Stability)又称长期(longterm)稳定性，即传感器在相当长的时间内仍保持其性能(performance)的能力。稳定性用一段时间后的传感器输出与起始标定(initialcalibration)时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期(periodofexpiration)来表示。,1.2传感器的特性与指标,传感器的静态特性(Staticcharacteristics)漂移(Drift)漂移是指在一定时间间隔(timeframe)内，传感器的输出量存在与被测量无关的(unrelated)、不需要的(unnecessary)变化。漂移包括零点漂移(zerodrift)和灵敏度漂移(sensitivitydrift)。零点漂移和灵敏度漂移又分为时间漂移(timedrift)和温度漂移(temperaturedrift)。,1.2传感器的特性与指标,传感器的静态特性(Staticcharacteristics)静态误差（精度）(Precision)静态误差是评价传感器的综合性能指标(overallperformanceindex)指传感器在满量程(fullrange)内的任何一点输出值相对其理论值(theoreticalvalue)的可能偏离程度(degreeofdeviation)，它表示采用该传感器进行静态测量(staticmeasurement)时所得结果的不确定度(uncertainty)。一般表示为一定置信概率下的相对误差(relativeerror)。,1.2传感器的特性与指标,传感器的动态特性(Dynamiccharacteristics)幅频特性(Amplitude-Frequencycharacteristics)和相频特性(Phase-Frequencycharacteristics)将各种频率不同而幅值相等的正弦信号(sinusoidalsignal)输入传感器，其它输出正弦信号的幅值(amplitude)、相位(phase)与输入信号频率之间的关系,1.2传感器的特性与指标,传感器的动态特性(Dynamiccharacteristics)阶跃响应特性(characteristicsofstepresponse)零阶环节（比例环节）(zeroordersystem)一阶环节(firstordersystem)二阶环节(secondordersystem),1.2传感器的特性与指标,1.2传感器的特性与指标,1.2传感器的特性与指标,1.3改善传感器性能的技术途径Approachestoimprovetheperformanceofsensors,传感器的误差来源(sourcesoferror)内部原因(internalcauses)传感器内部产生的噪声(noises)，包括敏感元件(sensitiveelement)、转换元件(transducingelement)和转换电路元件(transformingcircuitelement)等产生的噪声以及电源产生的噪声。例如真空光电管放射不规则电子(vacuumphototubeemitsirregularelectrons)，半导体载流子(chargecarriersofsemiconductor)扩散(diffusion)而产生的噪声。尽量减小噪声。例如，降低元件的温度可以减小热噪声(thermalnoises)，对电源变压器(powersourcetransformer)采用静电屏蔽(electrostaticshielding)可以减小交流(alternatingcurrentAC)脉动噪声(impulsivenoises)等。,1.3改善传感器性能的技术途径,传感器的误差来源(sourcesoferror)外部原因(externalcauses)从外部混入传感器的噪声，按其产生原因可分为机械噪声(mechanicalnoises)（如振动vibration，冲击shock）、音响噪声(acousticnoises)、热噪声(thermalnoises)（如因热辐射heatradiation使元件相对位移或性能变化）、电磁噪声(electro-magneticnoises)和化学噪声(chemicalnoises)等。对振动等机械噪声可采用防振台(anti-shockplatform)或将传感器固定在质量很大的基础台上加以抑制；而消除音响噪声的有效办法是把传感器用隔音(sound-proofing)器材围上或放在真空容器(vacuumcontainer)里；消除电磁噪声的有效办法是屏蔽(shield)和接地(ground)或使传感器远离电源线，或使输出线屏蔽，输出线绞拧在一起等。,1.3改善传感器性能的技术途径,技术途径(technicalapproaches)结构、材料与参数的合理选择(properlyselectstructure,materialandparameter)差动技术(differentialtechnique)平均技术(averagingtechnique)稳定性处理(stabilizingtreatment)屏蔽(shielding)、隔离(insulation)与干扰抑制(interferencesuppression)零示法(zerochecking)、微差(micro-difference)法与闭环技术(close-loop)补偿(compensating)与校正(correcting)集成化(integrating)、智能化(intelligentizing)与信息融合(informationmerging),1.4传感器的合理选用Properselectiononsensors,有兴趣自学Studybyyourselfifinterested,1.5传感器的标定与校准sensorcalibration,任何一种传感器在装配(assembly)完后都必须按设计指标(designspecifications)进行全面严格的性能鉴定(performanceverification)。使用一段时间后（中国计量法metrologicallawofChina规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验(calibrationexperiment)，以便确保传感器的各项性能指标达到要求。传感器标定就是利用精度高一级的标准器具(benchmarkdevice)对传感器进行定度的过程，从而确立器输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。根据系统的用途输入可以是静态(static)的也可以是动态(dynamic)的。因此传感器的标定有静态和动态标定二种。,1.5传感器的标定与校准sensorcalibration,静态标定(staticcalibration)静态标定主要用于检测传感器的静态特性指标(staticcharacteristicindexes)，如静态灵敏度(staticsensitivity)、非线性(non-linearity)、回差(hysterisis)、重复性(repeatability)等。进行静态标定首先要建立静态标定系统(staticcalibrationsystem)。静态标定系统的关键在于被测非电量(non-electricquantity)的标准发生器(standardgenerator)及标准测试系统(standardtestingsystem)。,1.5传感器的标定与校准sensorcalibration,动态标定(dynamiccalibration)用于确定传感器的动态性能，如固有频率(characteristicfrequency)和频响范围(rangeoffrequencyresponse)等、动态灵敏度(dynamicsensitivity)等。传感器进行动态标定时，需有一标准信号(standardsignal)对它激励(stimulate)，常用的标准信号有二类：一是周期信号(periodicsignal)，如正弦波(sinewave)等；另一是瞬变信号(transientsignal)，如阶跃波(stepwave)等。用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅频特性、阻尼(damping)和动态