传感器的基本知识.ppt

第二章传感器的基本知识 传感器的基本概念测量误差传感器的静态特性和动态特性传感器的发展 一 传感器的基本概念 传感器的概念作用结构类型分类 1 传感器的概念 广义 传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置 狭义 传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置 2 传感器的作用 l 信息的收集2 信息数据的转换3 控制信息的采集 任务 将被测量 转换 为特定的非电量 如应变 位移等 将非电量 转换 为电参数 电阻 电感 电容 电势等 将电参数 变换 为电量 电压或电流 构成 敏感元件 完成任务 转换元件 完成任务 测量电路 完成任务 3 传感器的结构类型 传感器的结构类型有4种 A型结构的传感器 敏感元件 这种传感器的敏感元件 转换元件和测量电路是合一的 把感应到的外界非电量的变化直接转换成电量 电荷 电势 输出 如 热电偶 磁电式传感器 光电池和压电式传感器 其转换元件多是有源元件 被称为电量传感器 被测量 电量 B型结构的传感器 敏感元件 测量电路 这些传感器的敏感元件和转换元件是同一元件 如 热敏电阻式传感器 电容式传感器 感应同步器 角度编码器等 被测量 电量 C型结构的传感器 敏感元件 转换元件 测量电路 这种传感器有电阻应变式传感器 电位器传感器 电感式传感器 压磁式传感器 B型和C型也被称为电参数传感器 电量 被测量 D型结构的传感器 正向传感器 负向传感器 将两个传感器构造成一个测量正增益变化 X 一个测量负增益变化 X 它们的输出 y和 y 经差动电路处理后再输出 这就是D型结构的传感器 也称为差动结构型传感器 差动电路 被测量 电量 X X y y 线圈1 线圈2构成两个B型传感器 当衔铁移动时一个线圈的电感增大 另一个线圈的电感减小 变压器电桥将两差动变化的感抗变换成电压输出 线圈 直接感应衔铁的移动并将其转换成电参数 感抗 输出 它是敏感元件与转换元件合一的敏感元件 变压器电桥 将电参数转换成电量 它是转换元件 3 传感器的分类 三种方法 1 按被测物理量性质 输入量 分类如位移传感器 速度传感器 负荷传感器 压力传感器 流量传感器 温度传感器 适合于根据被测量选择相对应的传感器 3 传感器的分类 三种方法 2 按工作原理 转换原理 分类如电阻式传感器 电感式传感器 电容式传感器 磁电式传感器 压电传感器 能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性 3 传感器的分类 三种方法 3 按能量的传递方式分类将非电量转换成电量的转换元件均可分为两类 有源元件和无源元件 二 测量误差 1误差 绝对误差 相对误差 1 绝对误差 x 实际值 测量得到的结果 A0 真值 被测量本身所具有的真正值 示值误差 A 标准测量装置所测得值或无限次测量结果的算术平均值 测量值x A B 测量值x 真值A 误差 x A与B两个测量结果哪个更准确 误差 x 实际相对误差 示值相对误差 满度 引用 相对误差 xm 测量装置的满量程 用相对误差来说明测量的质量 谁测量的更准确 2 相对误差 a 有精密度 无准确度 b 有准确度 无精密度 c 有准确度 也有精密度 有精确度 2 说明测量质量的三个术语 精密度 准确度 精确度 3 误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律 将误差分为三种 即系统误差 随机误差和粗大误差 这种分类方法便于测量数据处理 1 系统误差对同一被测量进行多次重复测量时 如果误差按照一定的规律出现 则把这种误差称为系统误差 例如 标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差 2 随机误差对同一被测量进行多次重复测量时 绝对值和符号不可预知地随机变化 但就误差的总体而言 具有一定的统计规律性的误差称为随机误差 引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的微小因素 一般无法控制 对于随机误差不能用简单的修正值来修正 只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能性的大小 3 粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差 又称疏忽误差 这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的 对于粗大误差 首先应设法判断是否存在 然后将其剔除 三 传感器的静态特性和动态特性 1 静态特性 1 灵敏度与S N 信噪比 灵敏度 信噪比 传感器输出信号中的信号分量与噪声分量的平方平均值之比 2 线性度线性关系 输入与输出量之间为线性比例关系 当传感器的灵敏度为常数时 输出 输入关系为 式中k 为灵敏度 当传感器的输出为非线性时 输出 输入关系为 a0 k确定了传感器的所有输出 输入关系 非线性传感器的输出 输入关系如何确定 方法 用直线 称为拟合直线 代替实际曲线 问题 这种代替将会产生多大误差 直线的拟合方法是否会产生误差 描述拟合误差的大小用线性度来表示 线性度 式中 最大非线性误差 传感器的满量程输出值平均值 但是不同的拟合方法得到的线性度不同 1 理论线性度 绝对线性度 拟合直线 2 端基线性度 拟合直线 a0 被测量为零时的传感器输出值 3 平均选点线性度 拟合直线 4 独立线性度 此时线性度计算公式应改写为 独立线性度 5 分段线性化 折线逼近法 通常用精密折点电路实现 也可在具有CPU的测量装置中用软件实现 6 最小二乘法实际值与拟合值差值的平方和最小原则 3 迟滞 滞环 迟滞 被测量增大 被测量减小 4 重复性 按同一方向进行多次全量程实验时输出特性曲线的不一致程度 式中 yF S 实验次数 第i次实验值 实验值的算术平均值 5 分辨率与分辨力 传感器能够测量到的最小输入变化值 称为分辨力 代表了传感器的最小量程 分辨率用来表示分辨质量 平均分辨率为 满量程 最大分辨率为 满量程 2 动态特性 传感器输出信号跟踪输入信号变化的特性就是响应特性 即为动态特性 动态特性问题较为复杂 为简化问题 通过阶跃响应来研究动态特性 阶跃响应给传感器输入一个单位阶跃函数信号 时 其输出特性称为阶跃响应特性 1 零阶传感器这种传感器其输出量与输入量之间的关系为 传感器的阶跃响应特性 其输出特性曲线如图所示 Y T K 0 零阶传感器的单位阶跃响应 2 一阶传感器这种传感器其输出量与输入量之间的关系为 解方程式 根据初始条件T 0 0 可得到输出响应为 式中K 灵敏度 T 时间常数 设的稳定值为K 则达到稳定值的63 2 即0 632K 时所用的时间为T 时间常数T值越小 则动态响应越快 则一阶传感器的动态性能越好 3 二阶传感器这种传感器其输出量与输入量之间的关系为二阶微分方程 1 上升时间 输出从稳定值的10 即0 1K 到第一次到达稳定值的90 即0 9K 所用的时间 2 峰值时间 输出出现第一个峰值所用的时间 3 建立时间 从输入信号阶跃变化开始 到输出值与稳定值之间的偏差不再超出规定的允许误差 5 所用的最小时间 4 瞬时过冲 输出量的峰值与稳定值之间的偏差 此方程为典型的振荡方程 有欠阻尼 临界阻尼 过阻尼三种情况不同的解 我们以欠阻尼情况来看动态特性的参数 欠阻尼时的单位阶跃响应 0 1K 0 9K y t 0 新材料的开发和应用新工艺 新技术的应用新的效应的应用传感器的集成化传感器的多维化传感器的多功能化传感器的智能化 四 传感器的发展 1 新材料的开发和应用如半导体材料的开发和应用 功能金属 功能陶瓷 非晶态材料 功能有机聚合物等的开发和应用 为研制新型的传感器提供许多新的材料 2 新工艺 新技术的应用如精密加工技术 蒸镀技术 扩散技术 光刻技术 静电封接技术 全固态封接技术等的应用 可研制出超小型化 高性能指标的新型传感器 3 新的效应的应用如激光的应用 仿生学的应用 生物分子学的应用等 可研制出许多新型传感器 4 传感器的集成化利用集成加工技术 将敏感元件 传感元件 测量电路等制作在很小的同一芯片上 从而研制出新型的体积小 质量轻 稳定性和可靠性高的传感器 5 传感器的多维化利用电子扫描等技术 把多个传感器单元做在一起 研制出多维的传感器 可以解决二维 三维 以致多维的测量和控制问题 6 传感器的多功能化多功能化就是一个传感器具有可以检测多种参数的功能 7 传