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电气测量技术 信号的检测与变换传感器 传感器的定义 定义 能够感受规定的被测量并按照一定规律再转换成可用输出信号的器件或装置 即是一种以一定的精度把被测量转换为之有确定对应关系的 便于应用的某种物理量的测量装置 定义包含 传感器是一种装置 它能完成检测任务 它的输出量是与某一被测量有对应关系的量 且具有一定的精度 量包括物理量 光 电气 化学量 生物量等 烟雾传感器 超声波传感器 霍尔传感器 压力传感器 温度传感器 光电传感器 国家标准GB7665 87对传感器下的定义是 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 功能 一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感受到的信息 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传输 处理 存储 显示 记录和控制等要求 重要性 是实现自动检测和自动控制的首要环节 传感器的组成 敏感元件转换元件转换电路 敏感元件的分类 物理类 基于力 热 光 电 磁和声等物理效应 化学类 基于化学反应的原理 生物类 基于酶 抗体 和激素等分子识别功能 通常据其基本感知功能可分为热敏元件 光敏元件 气敏元件 力敏元件 磁敏元件 湿敏元件 声敏元件 放射线敏感元件 色敏元件和味敏元件等十大类 物理传感器 物理传感器是检测物理量的传感器 工作原理 利用某些物理效应 把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置 其输出的信号和输入的信号有确定的关系 常见物理传感器 光电式传感器 压电传感器 压阻式传感器 电磁式传感器 热电式传感器 光导纤维传感器等 物理传感器 举例 光电式传感器把光信号转换成为电信号 它直接检测来自物体的辐射信息 也可以转换其他物理量成为光信号 光电效应 当光照射到物质上的时候 物质上的电效应发生改变 这里的电效应包括电子发射 电导率和电位电流等 返回 物理传感器 能够容易产生这样效应的器件成为光电式传感器的主要部件 比如说光敏电阻 光电传感器的主要工作流程就是接受相应的光的照射 通过类似光敏电阻这样的器件把光能转化成为电能 然后通过放大和去噪声的处理 就得到了所需要的输出的电信号 光电传感器输出电信号和原始的光信号有一定的关系 通常是接近线性的关系 这样计算原始的光信号就不是很复杂了 其它的物理传感器的原理都可以类比于光电式传感器 化学传感器 定义 对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器 对比于人的感觉器官 化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官 但并不是单纯的人器官的模拟 还能感受人的器官不能感受的某些物质 如H2 CO 用途 化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能 接受器功能 和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能 转换器功能 化学传感器 气体传感器 传感元件多为氧化物半导体 有时在其中加入微量贵金属作增敏剂 增加对气体的活化作用 对于电子给予性的还原性气体如氢 一氧化碳 烃等 用N型半导体 对接受电子性的氧化性气体如氧 用P型半导体 将半导体以膜状固定于绝缘基片或多孔烧结体上做成传感元件 返回 生物传感器 对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器 由固定化的生物敏感材料作识别元件 包括酶 抗体 抗原 微生物 细胞 组织 核酸等生物活性物质 与适当的理化换能结构器 如氧电极 光敏管 场效应管 压电晶体等等 及信号放大装置构成的分析工具或系统 生物传感器具有接受器与转换器的功能 对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器 返回 传感器的组成 敏感元件 直接感受被测量 输出与被测量有确定的关系 转换元件 磁芯与电感线圈 传感器的组成 转换电路特例 传感器的分类 从应用角度出发工作原理 物理型 化学型 生物型构成原理 结构型 定理 数学公式 物性型 与材料有关 按能量转换 能量控制型 能量转换型 传感器的分类 按物理形分类电参量磁电式压电式光电式气电式热电式波式射线式半导体式 传感器的分类 按用途分类位移压力温度振动电流电压功率 传感器的一般特性 传感器的一般特性静特性动特性特性与参数线性度以及线性化处理迟滞重复性灵敏度与灵敏度误差分辨力与阈值稳定性静态精度动态特性 测量系统 测量系统定义1 指众多环节组成的对被测物理量进行检测 调理 变换 显示或记录的完整系统 如含有传感器 调理电路 数据采集 微处理器或测试仪器 测量系统定义2 指组成完整测量系统中的某一环节或单元如 传感器 调理电路 数据采集卡 测试仪器 可以是更简单的环节 如放大器 电阻分压器 RC滤波器等 测量系统的应用 测量系统的基本特性是指测量系统与其输入 输出的关系应用1 已知测量的特性 输出可测 那么通过该特性和输出来推断导致该输出的输入量 应用2 已知测量系统特性和输入 推断和估计系统的输出量 应用3 有已知或观测系统的输入 输出 推断系统的特性 测量系统的静态特性 测量系统的静态特性又称刻度特性 标准曲线或校准曲线 当被测对象对于静态时 也就是测量系统的输入为不随时间变化的恒定信号 测量系统的输入与输出之间呈现的关系就是静态特性 对于实际的测量系统 其输入与输出往往不是理想直线 可用多项式表示静态特性 传感器的一般特性 线性度以及线性化处理 线性度是表示测量系统静态特性对选定拟合直线y b kx的接近程度 表达形式 非线性应用误差形式 常用方法理论线性度平均选点线性度端基线线性度最小二乘线性度 静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差 测量系统的满度值 拟合直线确定的方法不同 导致用非线性引用误差表示的线性度数值也不同 传感器的一般特性 最小二乘法线性度拟合直线方程的确定 设拟合直线方程通式为 第j个标定点的标定值yj与拟合直线上相应值的偏差为 最小二乘法拟合直线的拟合原则是使N个标定点的均方差 为最小值 由一偏求导等于零 传感器的一般特性 理论线性度 又称绝对线性度 拟合直线的起始点为坐标原点 x 0 y 0 终止点为满量程 XFS YFS 两点所决定的直线 线性度以及线性化处理 最小二乘法线性度与理论线性度的拟合曲线 传感器的一般特性 迟滞 定义 迟滞又称滞后量 滞后或滞环 表征测量系统在全量程范围内 输入量由小到大 正行程 或输入量由大到小 反行程 两者静态特性不一致的程度 表示方法 引用误差形式 测量系统的满度值 同一输入量对应正 反行程输出量的最大差值 传感器的一般特性 迟滞示意图 传感器的一般特性 重复性定义 表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时 静态特性不一定的程度 传感器的一般特性 重复性 表示方式 引用误差 相关参数的求取 标准偏差法 R 同一输入量对应多次循环的同向输出量的绝对误差 S 子样标准偏差K 置信因子 K 2 置信度95 K 3 置信度99 73 标准差S的计算方法标准法极差法 标准偏差S的计算方法 标准法 贝塞尔公式计算标准偏差S 正 反行程各标定点输出量的标准偏差 正 反行程各标定点输出量的平均值 标定点序号 j 1 2 3 4 m 标定点的循环次数 i 1 2 3 4 n 正 反行程各标定点输出值 yjiD yjiI 标准偏差S的计算方法 极差法 取SjD SjI的平均值为子样的标准偏差S 又平均值的标准偏差为 极差法 极差是测量结果数据最大值与最小值之差 极差法计算标准偏差 正 反行程标定值极差的平均值 极差系数 标准偏差S的计算方法 极差法 式中 jD 第j个标定点正行程标定值的极差 j 1 2 n 式中 jI 第j个标定点反行程标定值的极差 j 1 2 n 极差系数dn的大小和标定点次数 或测量次数 n有关 传感器的一般特性 灵敏度与灵敏度误差定义 描述测量系统对输入量变化反应的能力 表达式 S 当输出量与输入量采用相对变化量 y y x x形式时 灵敏度 传感器的一般特性 当静态特性为一直线时 直线的斜率即为灵敏度 且为一常数 当静态特性为非线性时 灵敏度不是常数 如果输入与输出量纲相同 则灵敏度无量纲 传感器的一般特性 分辨力分辨力又称灵敏度阈 它表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力 一般为最小分度值的1 2 1 5 具有数字显示的测量系统 其分辨力是当最小有效数字增加一个字时相应示值的改变量 也即相当于一个分度值 传感器的一般特性 稳定性 测量系统或仪器的稳定性是指在规定工作条件范围之内 在规定时间内系统或仪器性能保持不变的能力 一般以重复性的数值和观测时间长短表示 时间间隔的选择根据使用要求的不同可以有很大的差别举例1 2 1mV 8h举例2 一个月不超过1 满量程输出 传感器的一般特性 稳定性 环境温度 大电压 振动等外部状态变化给予测量系统或仪器示值的影响 以及电源电压 频率等工作条件给予指示值的影响 统称环境影响 影响系数表示环境影响的程度 标准工作条件 环境温度20 相对湿度65 大气压力101 33kPa 电源电压220V等标准工作条件允许变化范围 环境温度 20 5 相对湿度65 5 大气压力101 33kPa 电源电压 220 10