传感器的基本特性ppt课件.ppt

回顾 传感器的定义及组成 传感器是将感受到的外界信息 按照一定的规律转换成所需要的有用信息的装置 传感器一般由敏感元件 转换元件 转换电路三部分组成 1 回顾 误差 测量的结果与真实值的差异称之为误差 按照误差表示的方法 误差可分为绝对误差 相对误差 引用误差 误差理论主要用于对测量结果进行分析 2 测量生活中我们常常需要知道一些量的大小 比如温度 压力 身高 体重等等 此时 就需对这些量进行测量 x 被测量值 u 测量单位 n 比值 倍数 纯数值 测量结果表示 3 直接测量间接测量通过对一些与被测量有确定函数关系的量进行直接测量 然后利用关系式求得被测量 这种方法就成为间接测量 比如测密度 但是不管是使用直接测量还是间接测量或是其他测量方法 测出的值都不可能是绝对准确的 也就是总存在所谓的 误差 4 真值 理论上的一个绝对正确的值约定真值 与真值的差可以忽略而可以代替真值的值 1绝对误差不能很好说明测量质量的好坏 例如 在温度测量时 绝对误差 1 对体温测量来说是不允许的 而对钢水温度测量来说则是好的测量结果 2绝对误差用来评价相同被测量精度的高低 3相对误差用来评价不同被测量精度的高低 4精度 用准确度 精密度 精确度表示 5通常用最大引用误差来定义仪表的精度等级 用来衡量不同仪表的测量误差 5 例1 用两种方法测得工件L1 100mm的误差分别为 问 那种方法精度更高 若采用第三种方法测得L2 180mm的误差为问 三种方法哪种精度最高 答 对于工件L1的两种不同测量方法 从绝对误差看 第一种方法精度更高 但从绝对误差上不好判段和第三种方法精度的高低 因为L2 L1不是同一被测量 此时应借助三者的相对误差进行判断 6 例2 已知某被测电压约10V 现有如下两块电压表 150V 0 5级 15V 2 5级 问选择哪一块表测量误差较小 答 用表1 精度 0 5 所以最大引用误差0 5 可求出测量中可能出现的最大绝对误差为 150 0 5 0 75V用表2 精度 2 5 所以最大引用误差2 5 可求出测量中可能出现的最大绝对误差为 15 2 5 0 375V虽然表1的精度等级高于表2 但因其量程较大 可能出现的最大绝对误差反而大于表2 因此用精度较低的表2测量10V左右的电压 测量误差反而更小 由此可见 在选用测量仪表的时候 不能单纯追求精度等级 还要考虑到量程是否合适等因素 7 教学内容 1 2传感器的基本特性 8 掌握传感器的静态特性和动态特性的概念熟练掌握传感器的静态特性线性度 灵敏度 分辨率 精度迟滞 重复性 漂移 教学要求 9 传感器的特性 使用传感器的目的是希望它的输出信号能够准确地反映被测量 输入信号 的数值或变化情况 传感器的特性 传感器的输出量和输入量之间对应关系的描述就称为传感器的特性 10 传感器的一般特性 静态输入量 不随时间变化或变化很慢的输入信号 动态输入量 是指随时间变化的输入信号 11 传感器的一般特性 由于输入物理量状态不同 传感器所表现出来的输出 输入特性不同 因此存在所谓的静态特性和动态特性 由于不同传感器有不同的内部参数 它们的静态特性和动态特性也表现出不同的特点 12 传感器的一般特性 传感器的动态特性 指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性 输出特性 当传感器的输入信号随时间较快变化时 由于其内部的能量传递需要时间 输出无法瞬时地跟随输入量而变化 会出现一段过渡过程 在这个过程中 输入和输出的关系是怎样的 就是动态特性所要研究的问题 通常要求传感器在静态情况下的输出 输入关系保持线性 传感器的静态特性 在静态信号作用下 输入量与输出量之间的关系 13 传感器的动态特性体现着传感器的输出值能够真实再现变化着的输入量的能力 14 传感器的静态特性 不考虑迟滞及蠕变效应 其输出量和输入量之间的关系为 1 1 Y为输出量 X为输入量 a0为零位输出 a1为传感器的灵敏度 常用K表示 a2 a3 an为非线性项待定常数 指在一定温度和较小的恒定外力作用下 材料的形变随时间增大而逐渐增大的现象 是指在相同工作条件下作全测量范围校准时 在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程输出值间的最大偏差 定量描述 15 传感器的静态特性 若a0 0 表示静态特性通过原点 此时静态特性是由线性项 X 和非线性项 叠加而成 一般可分为以下四种典型情况 1 理想线性 图1 1a 2 具有X奇次项的非线性 图1 1b 3 具有X偶次项的非线性 图1 1c 4 具有X奇 偶次项的非线性 图1 1d 16 图1 1传感器的四种典型静态特性 除图1 1a所示为理想线性关系外 其余均为非线性关系 实际应用中 若非线性项的次数不高 则在输入量变化不大的范围内 用切线或割线代替实际的静态特性曲线的某一段 使传感器的静态特性近似于线性 这称为传感器静态特性的线性化 传感器的静态特性 17 传感器的静态特性 传感器静态特性的主要指标 线性度灵敏度精度最小检测量和分辨率迟滞重复性零点漂移温漂 18 1 1 1线性度 非线性误差 线性度 非线性误差 是指传感器的输入和输出成线性关系的程度 传感器的静态特性 19 1 1 1线性度 非线性误差 线性度 非线性误差 传感器的实际静态特性曲线与拟合直线之间的最大偏差B与满量程输出A之间的百分比 用rL表示为 图1 2传感器的线性度 最小二乘法确定的拟合直线精度最高 各点偏差的平方和为最小 1 6 传感器的静态特性 20 1 1 1线性度 非线性误差 线性度 非线性误差 常用的几种拟合直线 传感器的静态特性 a理论拟合b过零旋转拟合c端点连线拟合d端点平移拟合 21 1 1 2灵敏度 灵敏度 到达稳定工作状态时输出变化量 与引起该变化的输入变化量 之比 其计算方法为K 输出变化量 输入变化量 1 7 传感器的静态特性 它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化 灵敏度K值越大 表示传感器越灵敏 22 1 1 2灵敏度 热电偶温度传感器 在某一时刻温度变化了1 时 其输出电压变化了5mV 那么其灵敏度应表示为5mV 提高传感器的灵敏度 可得到较高的测量精度 但灵敏度愈高 测量范围愈窄 稳定性也往往愈差 传感器的静态特性 23 1 1 3精度 传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大引用误差相对于传感器满量程输出的百分比 可表示为 1 8 S为传感器的精度 A为测量范围内允许的最大引用误差 是满量程输出 传感器的静态特性 24 1 1 3精度 工程技术中为简化传感器精度的表示方法 引用了精度等级概念 精度等级以一系列标准百分比数值分档表示 如压力传感器的精度等级分别为0 05 0 1 0 2 0 3 0 5 1 0 1 5 2 0等 传感器设计和出厂检验时 其精度等级代表的误差是指传感器测量的最大引用误差 传感器的静态特性 25 1 1 4最小检测量和分辨率 最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量 最小检测量愈小 表示传感器检测微量的能力愈高 传感器的静态特性 26 1 1 4最小检测量和分辨率 分辨率是指传感器可感受到的被测量 输入量 的最小变化的能力 如果输入量从某一非零值缓慢地变化 当输入的变化值未超过某一数值时 传感器的输出不会发生变化 即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的 只有当输入的变化值超过某一数值时 传感器的输出才会发生变化 使传感器的输出发生变化的这个数值就是传感器的分辨率 传感器的静态特性 27 例3 应变式压力传感器 在100 0kg时输出电压值为35mV 在100 2kg时输出的电压值仍为35mV 但在100 3kg时输出的电压值为36mV 则其分辨率为0 3kg分辨率也与测量仪表有关如果采用精度更高的电压表来测量 同样在100 0kg时输出电压35 0mV 但在100 1kg时输出电压值为35 1mV 那么其分辨率变为0 1kg 28 1 1 5迟滞 迟滞相同测量条件下 对应于同一大小的输入信号 传感器在正向 输入量增大 行程和反向 输入量减小 行程期间 输入 输出特性曲线不重合的程度称为迟滞 迟滞特性反映了传感器正 反行程期间输入输出特性曲线不重合的程度 传感器的静态特性 29 1 1 5迟滞 迟滞其数值用最大偏差与满量程输出值的百分比表示 为输出值在正 反行程间的最大偏差 为传感器的迟滞 图1 4传感器的迟滞特性 1 10 传感器的静态特性 30 1 1 6重复性 重复性是指在同一工作条件下 输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性 传感器的静态特性 31 1 1 6重复性 重复性 在数值上用正反行程中最大重复差值计算 即 为重复性为最大正 反行程重复性偏差 图1 5传感器的重复性 1 11 传感器的静态特性 32 1 1 6重复性 重复性所反映的是测量结果偶然误差的大小 而不表示与真值之间的差别 有时重复性虽然很好 但可能远离真值 传感器的静态特性 33 漂移 是传感器在输入量不变的情况下 由于外界的干扰 例如温度 噪声等 传感器的输出量发生了变化 常用的有零点漂移和温度漂移 一般可通过串联或并联可调电阻来消除 传感器的静态特性 34 1 1 7零点漂移 零点漂移 传感器无输入 或某一输入值不变 时 每隔一段时间进行读数 其输出偏离零值 或原指示值 即为零点漂移 简称零漂 零漂 100 为最大零点偏差 或相应偏差 为满量程输出 1 12 传感器的静态特性 35 1 1 8温漂 温漂表示温度变化时 传感器输出值的偏离程度 一般用温度变化1 输出最大偏差与满量程的百分比表示 温漂 1 13 为输出最大偏差 为温度变化范围 为满量程输出 传感器的静态特性 36 传感器的动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性 传感器所检测的非电量信号大多数是时间的函数 为了使传感器输出信号和输入信号随时间的变化曲线一致或相近 我们要求传感器不仅有良好的静态特性 而且还应具有良好的动态特性 传感器的动态特性是传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映 传感器的动态特性 37 1 2 1动态特性的一般数学模型 在研究传感器动态特性时 根据传感器的运动规律 其动态输出和动态输入的关系可用微分方程式来描述 对于任何一个线性系统 都可以用常系数线性微分方程式 1 14 表示 传感器的动态特性 1 14 38 1 2 1动态特性的一般数学模型 Y t 为输出量 X t 为输入量 t为时间 及均为常数 只要对式 1 14 的微分方程求解 便可得到动态响应及动态性能指标 绝大多数传感器输出与输入的关系均可用零阶 一阶或二阶微分方程来描述 传感器的动态特性 在 1 14 式表示的微分方程中 39 1 2 1动态特性的一般数学模型 1 零阶传感器的数学模型 40 1 2 1动态特性的一般数学模型 1 零阶传感器的数学模型 零阶系统具有理想的动态特性 无论被测量x t 如何随时间变化 零阶系统的输出都不会失真 其输出在时间上也无任何滞后 所以零阶系统又称为比例系统 在工程应用中 电位器式的电阻传感器 变面积式的电容传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统 41 1 2 1动态特性的一般数学模型 2 一阶传感器的数学模型 对照式 1 14 一阶传感器的微分方程系数除 外 其他系数均为零 因此可写为 用算子D表示d dt 则式 1 17 可写为 1 17 1 18 为静态灵敏度 为时间常数 42 1 2 1动态特性的一般数学模型 3 二阶传感器的数学模型 对照式 1 14 二阶传感器的微分方程系数除 和 外 其他系数均为零 可写为 1 19 43 1 2 1动态特性的一般数学模型 3 二阶传感器的数学模型 用算子D表示d dt 则式 1 19 可写为 为静态灵敏度 为单元阻尼系统固有频率 为阻尼比 44 传递函数 在零状态下线性非时变系统中输出信号与输入信号的拉普拉斯变换之比 1 2 2传递函数 45 传递函数 用代替拉普拉斯变换表达式中的s可得 1 2 2传递函数 幅频特性 幅度与频率变化的曲线 相频特性 相位随频率变化的曲线 46 传感器的静态特性 在静态信号作用下 输入量与输出量之间的关系 理想要求为线性传感器的动态特性 指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性 体现传感器的输出值能够真实再现变化着的输入量的能力 总结 47 线性度 是指传感器的输入和输出成线性关系的程度 灵敏度 到达稳定工作状态时输出变化量与引起该变化的输入变化量之比 分辨率 是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力 或定