传感器的基本概念.ppt

传感器原理与应用 教师 屠葵葵 参考书籍和网站1 传感器原理与应用 第二版 黄贤武 郑筱霞编著 高等教育出版社 2004年 2 传感器原理设计与应用 第四版 刘迎春 国防工业出版社 2006年 3 传感器世界 4 中国传感器 第1章传感器的基本概念 在信息化时代发展过程中 各种信息的感知 采集 转换 传输和处理的功能器件 传感器或智能传感器 已经成为各个应用领域中不可缺少的技术工具 传感器是信息采集系统的首要部件 是实现现代化测量和自动控制的主要环节 传感技术与信息技术 计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱 人体系统和机器系统比较眼 视觉 耳 听觉 鼻 嗅觉 皮肤 触觉 舌 味觉 感知外界信息大脑肌体 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接受外界信号 将这些信号传给大脑 大脑把这些信号分析处理传给肌体 如果用机器完成这一过程 计算机相当人的大脑 执行机构相当人的肌体 传感器相当于人的五官和皮肤 传感器好比人体感官的延长 又称 电五官 图1 1投篮控制原理结构框图 其中眼睛能感知篮球的位置 并将这个位置信息传给大脑 因此眼睛就是我们人体的一种传感器件 图1 2夏天房间温度控制结构框图 1 1传感器的定义与组成1 1 1传感器定义国家标准 GB7665 87 中传感器 Transducer Sensor 的定义是 能够感受规定的被测量 并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 传感器是测量装置 能完成检测任务 输入量是某一被测量 可能是物理量 也可能是化学量 生物量等 输出量是某种物理量 便于传输 转换 处理 显示等 可以是气 光 电物理量 主要是电物理量 输出输入有对应关系 且应有一定的精确程度 传感器功用 一感二传 即感受被测信息 并传送出去 1 1 2传感器组成敏感元件 是直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量 不一定直接是电量 的元件 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入 它把输入转换成电路参量 测量电路 信号调理电路 是把转换元件输出的电信号转换为便于显示 记录 处理和控制的有用电信号的电路 图1 1一般传感器组成框图 1 2传感器的分类1 按工作机理分类 结构型传感器 物性型传感器 复合型传感器 2 按被测量分类 物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器 3 按敏感材料分类 半导体传感器 陶瓷传感器 光导纤维传感器 高分子材料传感器 金属传感器等 4 按能量的关系分类 有源传感器 无源传感器 5 按照传感器的用途分类 位移 压力 振动 温度传感器等 6 根据传感器输出信号 模拟传感器和数字传感器 结构型传感器 是利用物理学的定律构成的 其性能与构成材料关系不大 主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化 将外界被测参数转换成相应的电阻 电感 电容等物理量的变化 从而检测出被测信号 物性型传感器 是利用物质的某种和某些客观属性构成的 由其构成材料的物理特性 化学特性 生物特性直接敏感于被测非电量 并可转化为电信号 物质定律是表示物质某种客观性质的法则 这种法则大多数是以物质本身的常数形式给出 复合型传感器 是指将中间转换环节与物性型敏感元件复合而成的传感器 将不易检测的物理量先通过变换成易于检测的中间信号 再利用相应的物性型敏感元件将中间信号 非电参量 转换成电信号 有源传感器 又称能量转换型传感器或换能器 传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量 主要由能量变换元件构成 它不需要外电源 如压电式 机械能转化为电能 热电 热能转化为电能 等传感器 无源传感器 又称能量控制型传感器 在信息变化过程中 传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源 使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号 这类传感器必须由外部提供激励源 如电阻式 电感式 电容式等传感器都属于这一类传感器 1 3传感器的发展趋势 1 开发新型传感器出具有新原理的新型物性型传感器件 这是发展高性能 多功能 低成本和小型化传感器的重要途径 结构型传感器 一般说它的结构复杂 体积偏大 价格偏高 2 开发新材料半导体氧化物可以制造各种气体传感器 而陶瓷传感器工作温度远高于半导体 光导纤维的应用是传感器材料的重大突破 用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点 有机材料作为传感器材料的研究 引起国内外学者的极大兴趣 3 新工艺的采用这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术 该技术又称微机械加工技术 是近年来随着集成电路工艺发展起来的 它是离子束 电子束 分子束 激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术 目前已越来越多地用于传感器领域 4 集成化 多功能为同时测量几种不同被测参数 可将几种不同的传感器元件复合在一起 做成集成块 例如一种温 气 湿三功能陶瓷传感器已经研制成功 5 智能化对外界信息具有检测 数据处理 逻辑判断 自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器 这种传感器具有与主机互相对话的功能 可以自行选择最佳方案 能将已获得的大量数据进行分割处理 实现远距离 高速度 高精度传输等 1 4传感器的数学模型概述1 4 1静态模型静态模型是指在输入信号不随时间变化时传感器输入输出关系 在不考虑迟滞 蠕变 不稳定性等因素的情况下 其静态特性可用下列多项式代数方程表示 式中 输入量 输出量 零位输出 传感器线性灵敏度 传感器输出的变化量y与引起该变化量的输入变化量x之比即为其静态灵敏度 常用K或S表示 非线性项的待定系数 1 3 2动态模型动态模型是指在输入信号随时间变化时传感器输入输出关系 一般用微分方程和传递函数描述 微分方程 描述模拟系统 用线性常系数微分方程描述 式中 为传感器的结构参数 常量 对于传感器 除外 一般取为0 传递函数 利用拉普拉斯变换将微分方程转换为复变量s的有理分式 在零初始条件下 的拉氏变换为 其中s为复变量将微分方程等式两端取拉氏变换 输出的拉氏变换和输入的拉氏变换之比为系统传递函数 传递函数只与系统结构有关 与输入无关 系统传递函数可以用框图表示传感器由n个环节串联 则等效传递函数为传感器由n个环节并联 则等效传递函数为其中为各个环节的传递函数 传递函数框图 1 5传感器的基本特性1 5 1静态特性 1 线性度传感器的线性度就是其输入量与输出量之间的实际关系曲线偏离直线的程度 又称为非线性误差 表示为 式中 输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差 输出满量程值 输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度称为线性度 一般用非线性误差表示可用下式表示 输出量Y 输入量X 0 传感器的线性度表示 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性 非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的 拟合直线不同 非线性误差也不同 所以 选择拟合直线的主要出发点 应是获得最小的非线性误差 另外 还应考虑使用 计算是否简便等 设拟合直线方程 0 y yi x y kx b xi 最小二乘拟合法 最小二乘法拟合 y kx b 若实际校准测试点有n个 则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为 最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值 即 i yi kxi b 对k和b一阶偏导数等于零 求出k和b的表达式 即得到k和b的表达式 将k和b代入拟合直线方程 即可得到拟合直线 然后求出残差的最大值即为非线性误差 2 灵敏度传感器的灵敏度就是其在稳态下输出增量与引起该变化量的输入增量之比 其表达式为 可见 传感器静态输出曲线的斜率就是其灵敏度 对线性特性的传感器 其特性曲线的斜率处处相同 灵敏度是一常数 与输入量大小无关 而非线性传感器的灵敏度是一个变量 用表示传感器在某一工作点的灵敏度 传感器灵敏度定义 a b 3 重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度 多次测试特性曲线越重合 重复性越好 误差越小 可采用极限误差式表示 输出最大不重复误差 满量程输出值 传感器输出特性的不重复性主要由传感器机械部分的磨损 间隙 松动 部件内摩擦等原因产生 Y 满量程输出值 X 传感器重复性 不重复性误差一般属于随机误差 校准数据的离散程度随校准次数不同而不同 其最大偏差值也不同 可按下式计算 为标准偏差 为某次测量值 为测量次数 为各次测量平均值 4 迟滞传感器在正向 输入量增大 和反向 输入量减小 行程中输入输出曲线不重合的程度称为迟滞 滞环误差 最大迟滞率 Y X 迟滞现象 5 分辨率分辨率是指传感器在规定测量范围内所能检测到输入量的最小变化量 有时也用与满量程输入值之比的百分数表示 在传感器输入零点附近的分辨率称为阈值 6 稳定性稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化 有时称为长时间工作稳定性或零点漂移 测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点 相隔4h 8h或一定的工作次数后 再读出输出值 前后两次输出值之差即为稳定性误差 它可用相对误差表示 也可用绝对误差表示 7 漂移在外界干扰下 输出量发生与输入无关的变化 如温度稳定性又称为温度漂移 是指传感器在外界温度下输出量发生的变化 传感器的漂移 零点漂移 灵敏度漂移 时间漂移 温度漂移 零点漂移定义 Y X 0 温度漂移定义 Y T 0 例如如上图所示某压力传感器 其满量程值为1V 温度变化范围为 40度到60度 其输出受温度影响最大偏差为0 2V 则其温漂为 产生漂移的原因是多方面的 主要是由于测量系统的灵敏元件受外界 温度 湿度 电磁干扰 干扰和传感器调理电路的元器件受外界条件干扰引起的 8 精确度精确度是精密度与准确度两者的总和 精确度高表示精密度和准确度都比较高 在最简单的情况下 可取两者的代数和 机器的常以测量误差的相对值表示 精密度 说明测量传感器输出值的分散性 即对某一稳定的被测量 由同一个测量者 用同一个传感器 在相当短的时间内连续重复测量多次 其测量结果的分散程度 注意 精密度高 意味着随机误差小 精密度高不一定准确度高 准确度 说明传感器输出值与真值的偏离程度 准确度是系统误差大小的标志 准确度高意味着系统误差小 同样 准确度高不一定精密度高 a 准确度高而精密度低 b 准确度低而精密度高 c 精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果 1 5 2动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性 对传感器的动态要求即能迅速准确地响应信号幅值变化和无失真地再现被测信号随时间变化的波形 通常从时域或频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析 常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号 而输出与输入之间的差异就为动态误差 1 阶跃响应特性给静止的传感器输入一个单位阶跃信号时 其输出特性称为阶跃响应 t x 0 1 单位阶跃信号 一阶传感器的阶跃响应 dy dt a0y b1 dx dt b0 x 齐次方程通解 非齐次方程特解 y2 1 t 0 方程解 t y 0 1 以初始条件y 0 0代入上式 即得t 0时 C1 1 所以 输出的初值为0 随着时间推移y接近于1 当t 时 y 0 63 一阶常系数微分方程 单位阶跃响应 2 频率响应特性 称为频率响应函数 它为一复数 可用代数形式及指数形式表示 即 式中 分别为的实部和虚部 分别为的幅值和相角 可见 K值表示了输出量幅值与输入量幅值之比 即动态灵敏度 K值是 的函数 称为幅频特性 以K 表示 零阶传感器 在零阶传感器中 只有a0与b0两个系数 微分方程为 a0y b0 x K 静态灵敏度 零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化 其输出量总是与输入量成确定的比例关系 在时间上也不滞后 幅角等于零 如电位器传感器 在实际应用中 许多高阶系统在变化缓慢 频率不高时 都可以近似地当作零阶系统处理 一阶传感器 微分方程除系数a1 a0 b0外其他系数均为0 则 a1 dy dt a0y b0 x 时间常数 a1 a0 K 静态灵敏度 K b0 a0 传递函数 频率特性 幅频特性 相频特性 负号表示相位滞后 时间常数 越小 系统的频率特性越好 二阶传感器 很多传感器 如振动传感器 压力传感器等属于二阶传感器 其微分方程为 时间常数 0 自振角频率 0 1 阻尼比 k 静态灵敏度 k b0 a 不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图 传递函数 幅频特性 相频特性 频率特性 2 4 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 5 1 1 5 2