微传感器原理和应用.ppt

微传感器原理和应用 参考书 硅微机械传感器 MachanicalMicrosensors 微传感器与执行器全书 MicromachinedTransducerssourcebook M Elwenspoek R Wiegerink著 陶家渠等译 美 格雷戈里T A 科瓦奇著 张文栋等译 传感器基础 1传感器的基本概念 敏感元件和转换元件 1 1传感器的定义及构成 传感器 Transducer Sensor 的定义 能感受规定的被测量 并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 构成 敏感元件 Sensingelement 能直接感受被测量的部分 转换元件 Transitionelement 能将敏感元件输出量转换为便于传输和测量的电信号部分 通常是电信号 1 2传感器的分类 压力传感器荷重传感器位移传感器温度传感器 数字式传感器 输出数字信号 1 2 1按被测量分类 生物量传感器 它们是针对具体测量对象的传感器的集合体 物理量传感器 化学量传感器 1 2 2按输出信号分类 模拟式传感器 输出模拟信号 属传统类型 随着信息处理的数字化 数字式传感器所输出的信号由于可以省略A D转换环节 便于网络传输 优势是明显的 特别是近年来发展起来的总线式数字传感器 则更加引人注目 1 2 3按能量关系分类 有源 无源 电容式电感式压阻式 能将非电量直接转换成电信号 所以有时被成为 换能器 有源传感器 能量转换型传感器 无源传感器 能量控制型传感器 压电式热电式光电式 自身无能量转换装置 被测量量仅能在传感器中起能量控制作用 必须有辅助电源供给电能 1 3传感器在控制系统中的作用 2传感器的标定与校准 标定 在明确输入输出变换对应关系的前提下 利用标准器具对传感器进行标度 校准 在使用中或存储 储藏 后进行的性能复测 标定与校准本质相同 校准方法 用标准设备产生若干个已知物理量分别作为待校准传感器的被测量 记录每个被测量对应的传感器的输出 获得一系列校准数据或校准曲线 按照相应的规定 标准 计算出性能 基准器 标准的传递 一等标准 中国计量研究院 0 001 省 部一级计量站 市 企业计量站 三等标准传感器 二等标准 三等标准 测试用传感器 0 01 0 1 0 3 1 3 1测量和误差的基本概念和定义 3传感器的一般特性 真值 被测量客观存在的真实数值 理想概念 测量值 测量器具直接反映的或由此经必要计算得到的值 测量范围 允许误差范围内 测量装置测量被测量的范围 量程 测量范围的上限与下限的代数差 绝对误差 实际特性 测量的值 与理论特性 真值 的偏差 相对误差 绝对误差与真值之比 一般用百分数表示 系统误差 数值确定或按一定规律变化的误差 原则上可消除 随机误差 由随机变化因素引起的误差 精密度 多次重复测量的值的分散程度 反映随机误差的大小 准确度 测量结果与真值的偏离程度 反映系统误差的大小 精确度 精密度与精确度的综合反映 精度 3 2 2静态特性的性能指标 分辨率 输入从任意非零值缓慢增加 只有在超过某一输入增量后输出才有变化 该输入增量即为分辨率 有时也称为分辨力 1 迟滞 Hysteresis 输入量由小到大变化 正行程 和输入量由大到小变化 反行程 变化期间两个静态特性曲线不重合的程度 Resolution 在全量程范围内最大的迟滞差值 Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差 用 H表示 即 2 重复性 Repeatability 输入量按同一方向作全量程变化 多次测得的特性曲线不一致的程度 重复性误差属于随机误差 用子样标准差S计算 推荐 也可用正反行程中最大重复差值 Rmax计算 或 设x xj时 做了n次同条件的重复测量 获得n个输出值 则 其中 若x x1 xm时 方差相同 用 R表示 3 非线性度 non linearity 输出与输入之间数量关系的线性程度 在量程范围内校准曲线与规定直线 或称拟合直线 之间的最大偏差值 Lmax与满量程输出值YFS之比 用 L表示 也称为线性度或非线性误差 拟合直线 4 非线性及迟滞 non linearityandhysteresis 正 反行程校准曲线与拟合直线之间的最大偏差值 LHmax与YFS之比 选取的拟合直线不同 计算出的非线性度也不同 理论直线 零点与满量程输出点的连线 与校准数据无关 最小二乘直线 用最小二乘法根据校准数据求出的拟合直线 端点连线平移线 平均校准曲线对应测量上 下限的两个 端点的连线 平移到最大正误差与最大负误差绝对值相等 a 最小二乘拟合直线的确定 设待求拟合直线为 在第j个校准点的正反行程平均值为 yj j 1 2 m yj与拟合直线的差值 拟合直线确定原则 5 拟合直线的确定 令一阶偏导数为零 得 b 端点连线平移线的确定 平均校准曲线 端点连线 平均校准曲线 正 反行程校准数据平均平均值构成的曲线 端点连线 平均校准曲线两个端点的连线 上限端点 下限端点 则 端点连线 平均校准曲线 端点连线平移线 端点连线平移线 端点连线 平移到最大正误差与最大负误差绝对值相等 斜率不变 截距为 上限端点 下限端点 则 端点连线 端点连线平移线 无迟滞 上图 有迟滞 下图 6 精度 Accuracy 反映传感器系统误差与随机误差的综合指标 系统误差极限值 随机误差 精度 7 温度系数与温度附加误差 a 零位温度系数 零位随温度变化的速度 工作温度变化范围 在工作温度变化范围内 零位的最大改变量 b 灵敏度温度系数 灵敏度随温度变化的速度 温度为T1时的灵敏度 温度为T2时的灵敏度 温度分别为T1和T2时的满量程输出 4