第3章第1章 现代传感技术与系统.ppt

第三章传感器构成论 3 1传感器的构成方法3 2传感器与被测对象的关联3 3传感器对信号的选择3 7传感器的性能指标 3 1传感器的构成方法 传感器的定义 传感器是以一定的精确度把被测量 物理量 生物量 化学量 转换为与之有确定关系的便于处理应用的某种物理量 如电量 光学量 的测量部件或装置 通常由敏感元件和转换元件 转换电路组成 3 1传感器的构成方法 1 敏感元件 直接感受被测量 以确定的关系输出某一物理量 包括电学量 2 转换元件 将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量 包括电路参数量 3 转换电路 将电路参数 如电阻 电容 电感 量转换成便于测量的电学量 如电压 电流 频率等 3 1传感器的构成方法 但有些传感器 三部分不一定齐全 如 热电偶 差动变压式位移传感器由1组成 电容式位移传感器 压阻式传感器由1 3组成 压电式加速度传感器 差动变压式力传感器由1 2组成 电阻应变式力传感器由1 2 3组成 根据结构组成可将传感器按其构成方法分为以下几类 1 通用型 2 参比型 3 差动型 4 反馈型 每一类型 根据能量变换 一般都可分为 能量变换型能量控制型 3 1传感器的构成方法 1 通用型根据组成可分为 能量变换基本型 能量控制基本型 能量变换特殊型 辅助能源型 电路参数型和多级变换型 1 能量变换基本型 输入量为被测非电量 输出是电流 电压 3 1传感器的构成方法 典型例子 热电偶 塞贝克效应 光电池 光生伏特效应 压电式传感器压电式超声波探头特点 1 只由敏感元件构成 2 不需外加电源 敏感元件就是能量变换元件 能量从被测对象获得 输出能量较弱 3 利用热平衡现象或传输现象中的一次效应制成是可逆的 4 对被测对象有负荷效应 因输出逆效应而影响输入 5 输出能量不可能大于被测对象的能量 压电效应 3 1传感器的构成方法 2 能量控制基本特点 1 也由敏感元件组成 但需外加电源才能将被测非电量转换成电量输出 2 输出能量可大于被测对象具有的能量 3 无需变换电路即可有较大的电量输出 典型例子 变压式位移传感器感应同步器 3 1传感器的构成方法 3 能量变换特殊型 辅助能源型 特点 1 只由敏感元件构成 2 能量从被测对象获得 属能量变换型 3 辅助能源是为了增加抗干扰能力或提高稳定性 或取出信号 或为原理所需要而使用固定磁场 如霍尔式传感器 使用固定磁场 这是利用磁铁来代替动力源 这时不把磁铁看作动力源 而看作辅助能源 典型例子 光电管光电倍增管CCD磁电感应式传感器霍尔式传感器 霍尔型较特殊 可以看作上面的混合型 3 1传感器的构成方法 4 电路参数型特点 1 敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换 2 转换电路含有该敏感元件 3 电源向转换电路提供能量从而输出电量 属于能量控制型 4 输出能量远大于输入能量 5 利用传输现象中的二次效应都属于此类传感器 它由敏感元件以及包含敏感元件在内的转换电路和电源组成 典型例子 电阻应变式 电感式 电容式 电涡流式 气敏电阻 湿敏电阻 光敏电阻 热敏电阻等 3 1传感器的构成方法 5 多级变换型 压电式加速度传感器 目前大多数传感器都是利用敏感元件把被测非电量转换成某种可利用的中间变换物理量 再通过转换元件 有时还需要转换电路转换成便于测量的电量输出 3 1传感器的构成方法 热平衡二次效应 应变式力传感器 光纤式加速度 酶热敏电阻式 电容电感式加速度 霍尔式压力传感器 特点 设计自由度大 可用二级或二级以上变换 设计出适应各种条件的传感器 3 1传感器的构成方法 可利用的中间变换量 是指那些容易转换成电学量的物理量 在大多数情况下 传感器的输出采取电量的形式 但是把输入的物理量直接更换为电量不那么容易 而是转换成为可利用的中间变换量 在多数情况下 采取两级或两级以上的变换 这就增加了传感器设计的自由度并使之适应各种条件 3 1传感器的构成方法 2 参比补偿型 为了消除环境条件变化 如温度变化 电源电压波动等 的影响 采用两个性能完全相同的传感元件 3 1传感器的构成方法 特点 1 采用两个 或两个以上 性能完全相同的敏感元件 其中一个感受被测量和环境量 另一个只感受环境量作补偿用 2 两个敏感元件同时接到电桥的相邻两臂或反串 3 能消除环境和条件变化干扰的影响 如温度 电源电压 3 1传感器的构成方法 例 电阻式或压电式压力传感器中压力与温度变化对电阻 压电元件影响较近时 需用温度补偿片 构成参比型 一个为工作片 另一个为补偿片 3 1传感器的构成方法 3 差动结构型特点 1 采用两个 或两个以上 性能完全相同的敏感元件 同时感受相同的环境影响量和方向相反的被测量 2 反串或接入电桥相邻的两臂 3 输出信号提高一倍 4 传感器差动结构以提高灵敏度 线性度 减小或消除环境因素的影响 应用 差动电阻式 差动电容式 差动电感式 3 1传感器的构成方法 4 反馈型特点 1 传感器的敏感元件 或转换元件 同时兼作反馈元件 2 是闭环系统 传感器输入处于平衡状态 故又称为平衡式传感器 3 主要有力 位移 反馈和热反馈型 如差动电容力平衡式加速度感器 热线热反馈型流速传感器等 4 结构较复杂 应用于特殊场合 高精度微差压 高流速 3 1传感器的构成方法 小结 通用型 结构简单 成本低的场合参比型 精度要求高 性能好差动型 精度要求高 性能好反馈型 特殊要求场合 3 2传感器与被测对象的关联 3 2 1传感器与固体对象的关联3 2 2传感器与流体对象的关联 3 2传感器与被测对象的关联 被测对象分为固体 流体3 2 1固体特点 1 传感器与被测对象可视为一体 受环境变动的影响相同 易获得较准确的信息 2 标定方法和装置与具体被测对象无关 可事先标定 标定结果对不同对象可立即使用 不需再标定 现场 缺点 有负荷效应 接触型 负荷效应 即被测对象承受负荷而改变其状态或特性 与传感器体积 刚度 热容量等参数大小有关 小到一定程度时可忽略 否则要补偿 不补偿则带来误差 3 2 1固体 2 非接触型 1 接受由被测对象发出的光或电磁波 辐射热等 例如光电传感器 红外探测器 2 从传感器向被测对象发射信号或与之构成电位差 距离改变等 用传感器接收相应的响应 例如超声波 电涡流 电容传感器等 特点 负荷效应一般极小 可以忽略 但激光干涉仪测位移 反光镜在被测物上 要考虑负荷效应 缺点 1 被测物的放射性 被测对象与传感器之间的介质特性 在传感器附近的其它物体 传感器与被测物间距离变化影响输出 2 安装位置任意 不能事先标定 故要现场标定 标定不仅取决于安装位置 还与被测物形状尺寸 物理参数以及环境等因素有关 高温 高速回转物体 危险 或被测对象很小 传感器无法安装 或负荷效应不易补偿等场合下应用 获取信息的方法 结论 根据具体使用目的 场合选择 3 2 1固体 接触型与非接触型的比较 分布检测 对观测值或误差是否服从某一分布所作的检验 检验时 对检测值或误差要计算一些数值统计量 将这些统计量与假设观测值或误差服从某一分布时所得出的临界值作比较 以判断观测值或误差是否服从某一分布 3 2 2流体 利用传感器测量流体的某些参数 流速 温度 流量 浓度等 这些参数是容器或管道中流动的一些参数 所以必须将传感器安装在容器里或管道中 因此 传感器对原来流体的状态或多或少地会产生一些影响 特点 1 存在负荷效应 2 要求传感器与被测对象间能量授受越小越好 这将导致传感器的输入信号很弱 必须采用高灵敏传感器 差压式流量计 3 3传感器对信号的选择 3 3 1传感器信号选择机理3 3 2传感器的信号选择方式 3 3 1传感器信号选择机理 传感器的基本机能是采集与变换被测信号 为使其正确采集应从结构 材料学等方面加以保证 确保采集有用信号 阻止或剔除无用信号 设输入变量x1 x2 xn 传感器内部变量u1 u2 ur 输出变量y1 y2 ym 则传感器的一般数学模型表达式为 yi fi x1 x2 xn u1 u2 ur 其中i 1 2 m如果被测信号为x1 与之对应的输出为y1 则y1 f1 x1 x2 xn u1 u2 ur 为了得到x1与y1一一对应 则必须使除x1以外的变量 称干扰量 固定或即使有变化 对x1也不产生影响或影响很小可忽略 3 3 1传感器信号选择机理 又如 金属导线 R 金属种类 纯度 尺寸 温度 应力 如果测温 必须选择只随温度变化 结构上应防止变形影响 如果选择电阻随尺寸 应力而变化 则应防止温度的影响 使之输入 输出一一对应 下面讨论几种常见的传感器对信号的选择方式 3 3 2传感器信号选择方式 1 固定方式 把x1之外的其他变量固定 或用控制方法使其为定值 例热电偶 严格控制材料纯度 使du1 dt du2 dt 0 基准结点温度x2固定为冰水点 热电偶插入保护管内 避免因周围环境及气氛的影响 三相点 物质的固相 液相及其上方的蒸汽相三相平衡共存时的温度和压强是一个固定值 例如水的三相点温度是273 16K 3 3 2传感器信号选择方式 2 补偿方式 参比 利用被测量和干扰量共同作用的第一函数量和只有干扰量作用的第二函数量之差 干扰量作用效果与被测量相加时 或之比 干扰量作用效果与被测量相乘时 来消除干扰量的影响的一种方式 设 被测量x1 变量 x1 干扰量x2 变量 x2 共同作用的函数 f x1 x1 x2 x2 只有干扰作用的函数 f x1 x2 x2 分别在x1 x2附近泰勒展开 忽略二次以上的高阶微小量 3 3 2传感器信号选择方式 如果函数f x1 x2 是f1 x1 和f2 x2 之和 例如 则取上两式之差 可得 3 3 2传感器信号选择方式 设函数f x1 x2 是x1和x2的线性组合 例如 时 两式之差为 x2的影响在输出中被消除了 达到全补偿 3 3 2传感器信号选择方式 2 如果函数f x1 x2 是f1 x1 和f2 x2 之积 例如 则取上两式之比 它们的输出为 作用函数 消除了干扰量影响 得到了完全补偿 例子 电阻工作应变片与补偿应变片接成桥式电路 3 3 2传感器信号选择方式 3 差动方式 被测量朝两个方向对称变化 而作为影响量的次要变量则朝一个方向变化 然后取差 就能将被测量选择出来 使传感器的两个相反的方向 即一个增大 另一个减小 感受同一被测量 而且以两个相同方向感受干扰量 取两个函数之差作为输出 例如 差动结构传感器有差动式电容 电感传感器 变压器式以及利用传播时间差原理的超声波流速仪 应变式电桥传感器等 设被测量为x1 干扰量为x2 则差动式作用函数分别为 3 3 2传感器信号选择方式 用多项式展开 忽略两次以上的高阶量 并求差得 3 3 2传感器信号选择方式 可知与补偿法相比 灵敏度提高了一倍 消除了 x2 2非线性项 改善了传感器的非线性 当x1 x2为算术迭加时 例 一维线性组合 此时x2的影响可完全消除 3 3 2传感器信号选择方式 4 频率域及时间域的选择 信号和噪声的频带重迭时 可以对信号频率进行调制 将其移到别的频带上 以达到与噪声分离的目的 采用包含直流信号的调频放大和采用微弱光的遮光器如用扇形板法使其变为断续光等放大的方式 利用被测量信号与干扰信号的频率范围不同进行信号选择 通常采用各种滤波器 机械滤波和电子滤波 例如传感器上装防振橡胶 机械滤波 抑制机械振动噪音的影响 光电高温计 3 3 2传感器信号选择方式 4 频率域及时间域的选择 1 分时采数法 时间窗 X1与X2出时间不同 时间域不同 可在X1出现时读取 时间域内的信号选择 2 被测X1幅度远比噪声X2小时 被淹没若已知X1频率或周期 则用同步检波法 设被测X1 s t cos t 选用标准信号 同时输入一个乘法器 输出为 RS t cos cos 2 t 2 再通过低通滤波器滤除2 分量 得RS t cos 信号当 0时 输出为最大 3 3 2传感器信号选择方式 3 同步相加平均法 利用信号自相关原理进行信号检测 X1和X2中 已知X1规则变化周期信号 并已知周期 可采用同步加法 将时间轴 t 按被测信号周期分段 相同起始点进行N次相加 则被测信号放大N倍 而干扰信号因其随机性则放大倍 噪声被平均 功率变为倍 提高了信噪比 信噪比 3 3 2传感器信号选择方式 同步相加平均法 3 4传感器的传递矩阵 3 4 1二端口传感器的一般表达式3 4 2二端口传感器的传递矩阵3 4 3二端口传感器的负载效应3 4 4传感器的广义输入 输出特性3 4 5负载效应的理论机理及消除方法 3 4传感器的传递矩阵 两通道网络概念分析方法 目的 分析传感器在测量系统中与相关联的部件的关系 或者一个复杂的传感器系统中各环节之间的关系 方法 化简 级联 因为子系统B与A结合之后 在子系统A中产生了负载效应 把负载效应因素考虑进去再来分析传感器的特性时 有必要把传感器看成两通道装置来处理 3 4 1二端口传感器的一般表达式 x1 输入端示容变量X1 输入端示强变量x2 输出端示容变量X2 输出端示强变量 当传感器在线性范围内工作时 二端口传感器与二端口电路的固有特性相似 因此可比照二端电路的分析方法分析二端口传感器的固有特性 1 二端口电路固有特性的表达式 根据二端口网络 用短路导纳节点电压法 输入短路输出导纳 输入端短路时的电流与输出端电压之比 转移导纳 输出端短路时的电流与输入端电压之比 转移导纳 则系数称为导纳矩阵 即二端口电路可用短路导纳和短路转移导纳来表示 输出短路输入导纳 2 二端口传感器固有特性一般表达式 示强变量用X1 输入 X2 输出 示容变量用x1 输入 x2 输出 导纳 转移导纳 Yij量纲为流量 强度相当于电参量电流 电压 电导纳借用电工学的名称 把 称为导纳矩阵 二端口传感器的一般表达式为 3 4 2二端口传感器的传递矩阵 1 传递矩阵 在考察几个子系统结合成一个系统时 用 x2取代x2 x2是表示从一个子系统的流出 接着流进接续的另一个子系统的示容变量 把上式 第 个式 改写 代入 式 其中 方程用矩阵表示 导纳行列式 称为F行列式 矩阵 代表了传感器的固有特性 在网络内称为连接矩阵 从能量角度考虑 讨论其连接关系 3 5双向传感器统一理论 在传感器中 有一大部分具有可逆特性 当两个系统能用同一类型的微分方程描述 系统间存在着某些共有属性或特征时 这对系统呈现出某种程度的相似性 这些共有属性或特征称为相似特性 系统间的整体相似称为系统相似 在研究机械系统时 可以充分利用相似特性进行机电模拟 这样将带来许多好处 3 6传感器敏感元件的加工新技术 薄膜技术 薄膜是一种特殊的物质形态 是一种在衬底表面上添加材料的工艺 微细加工技术 微细加工起源于半导体制造工艺 原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式 在微机械研究领域中 它是微米级 亚微米级乃至毫微米级微细加工的通称 离子注入技术 离子注入是在其容器内 把所需元素的原子电离成离子 并将其加速几十至几百千电子伏的能量后 注入以工件表面上 达到材料改性的一种技术 3 7传感器的性能指标 传感器的输出 输入特性是传感器的最基本特性 传感器的各种性能指标都是根据传感器的输出和输入的对应关系来描述的 研究传感器的特性 以便用理论指导其设计 制造 校准和使用 传感器所测量的被测量基本上有两种形式 一种是稳态 静态或准静态 的形式 这种信号不随时间变化 或变化很缓慢 另一种是动态 周期变化或瞬态 的形式 这种信号是随着时间变化而变化的 由于输入被测量不同 传感器所表现出来的输出 输入特性也不同 因此存在所谓静态特性和动态特性 3 7 1静态数学模型及其静态特性指标 3 7 1静态数学模型及其静态特性指标 1 量程与测量范围 2 线性度 3 灵敏度 4 分辨力 5 阈值 6 迟滞 回差 滞后 7 重复性 8 稳定性 9 漂移 10 静态误差 3 7 1动态数学模型及其动态特性指标 1 微分方程 2 传递函数 3 7 1动态数学模型及其动态特性指标 1 阶跃响应及时域性能指标 时间常数 上升时间 响应时间 超调量 峰值时间 延滞时间 衰减率 稳态误差 2 频域响应及频域性能指标 截止频率 通频带和工作频带 谐振频率和固有频率 幅值频率误差和相位频率误差 3 7传感器的性能指标 3 7 1传感器的静态数学模型及其静态特性指标3 7 2传感器的动态数学模型及其动态特性指标3 7 3传感器的其他性能指标 3 7 3传感器的其他性能指标 1 传感器的互换性传感器的互换性是指一个传感器可以完全代替另一个传感器 而它的机械尺寸 各项性能指标不需重新校准就可满足使用要求 更换后的误差不会超过原来的范围 即传感器的功能 尺寸具有完全的互换能力为了传感器的互换性 批量生产的传感器的各项性能指标应完全一致 由于同一种传感器的制造工艺和所采用的材料是相同的 需要重点保证的通常是输出特性的一致性 传感器的零位电平通常可调 需要控制的指标就变成灵敏度 对线性传感器 或dy dx 对非线性传感器 的一致性的控制 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性可靠性的经典定义为 产品在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的能力 具体到传感器 其可靠性的评价主要包括两方面的内容 耐环境能力 指传感器耐受如高温 冲击等恶劣环境因素的能力 此指标一般研究故障在产品的什么部位 以什么形式发生 并进而以物理 化学等方面进行失效机理分析得到 寿命评估 指采用概率论模型得到的传感器发生故障与使用时间之间的对应统计关系 可靠性指标一般包括失效率 可靠度 平均寿命 可靠寿命等 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性所谓失效率是指工作到某时刻尚未失效的产品 在该时刻后单位时间内发生失效的概率 一般记为 t 称为失效率函数 有时也称为故障率函数或风险函数 在进行实际失效率评估时 一般假定失效率维持不变 因此可用某一产品每单位寿命测度内的失效数与保持完好的产品数之比来测算 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性假定在时刻t时 N个产品中Ns t 个产品保持完好 在时间间隔 t t dt 内 有dNf t 个产品失效 则失效率为 在任意时刻t的可靠工作的概率 可靠度 表示为由于实际评估时的N始终是有限值 因此R t 只能是估计值 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性由于在t 0与随后任意时刻t之间的任何时间间隔内 该产品或者保持完好或者是失效 因此 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性因此 产品的可靠性可根据失效率来计算 如认为失效率为常数 则该产品的可靠度符合指数分布 在市场上某些传感器产品所给出的可靠性指标为平均寿命 一般用MTTF meantimetofailure 或MTBF meantimebetweenfailure 形式给出 前者是针对一旦失效则不可修复的产品 而后者则是针对失效后经过修复还可再利用的传感器 对于符合指数分布的产品 其MTBF即为失效率的倒数 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性例 在1000小时内对50台给定的某种传感器进行测试 在测量周期内有2台失效 若假定失效率恒定不变 即传感器寿命符合指数分布 则失效率为 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性此外 由于MTBF或MTTF单位为时间单位 容易让人误解成在该时间长度内 产品几乎不会发生失效 例如 某传感器产品寿命分布符合指数分布模型 其可靠度函数 可靠寿命 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性如传感器的MTBF指标为1年 则传感器工作到1年时 可靠度为 即该传感器在规定条件下1年内正常工作的概率仅为0 368 而可靠度为0 99的可靠寿命为 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性反过来 如希望 则 如希望 则 鉴于如上例子 目前评价传感器的可靠性一般不采用MTBF指标 由于寿命指标容易理解 所以有些专家呼吁采用可靠寿命指标来代替MTBF 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性实际上 任何工业产品 其失效率不可能在整个生命周期内均保持稳定 而是失效率曲线 有时形象地将其称为浴盆曲线 从图中可以看出 失效率随时间变化可分为三段时期 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性 早期寿命期 失效率曲线为递减型 传感器投入使用的早期 失效率较高而下降很快 主要由于设计 制造 储存 运输等形成的缺陷 以及调试 磨合 启动不当等人为因素所造成的 当这些所谓先天不良的失效出现后 失效率就趋于稳定 到t0时失效率曲线已开始变平 3 7 3传感器的其他性能指标 2 可靠性 耗损寿命期 失效率是递增型 在t1以后失效率上升较快 这