传感器及基本特性(第四章-)..ppt

1 第四章传感器的特性 人类处于信息时代 信息技术的三大支柱是测控技术 通信技术和计算机技术 而传感器技术是测控技术的基础 没有传感器技术就没有现代科学技术 的观点已为全世界公认 传感器处于自动检测与控制系统之首 是感知 获取与检测信息的窗口 科学研究和生产过程要获取的信息 都要通过传感器转换成容易传输和处理的电信号 2 一 传感器的定义 国家标准中传感器 Transducer Sensor 的定义 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 传感器名称 敏感元件 变送器 换能器 检测器 探头 第一节传感器的定义 组成与分类 3 二 传感器的组成 传感器组成框图 辅助电源 敏感元件 转换元件 基本转换电路 被测量 电量 4 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 基本转换电路 上述电路参数接入基本转换电路 简称转换电路 便可转换成电量输出 应该指出的是 并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件 如果敏感元件直接输出的是电量 它就同时兼为转换元件 5 1 弹簧管2 电位器 举例 测量压力的电位器式压力传感器 6 弹性敏感元件 弹簧管 敏感元件在传感器中直接感受被测量 并转换成与被测量有确定关系 更易于转换的非电量 7 弹性敏感元件 弹簧管 在下图中 弹簧管将压力转换为角位移 8 弹簧管放大图 当被测压力p增大时 弹簧管撑直 通过齿条带动齿轮转动 从而带动电位器的电刷产生角位移 9 其他各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移 10 被测量通过敏感元件转换后 再经传感元件转换成电参量 在右图中 电位器为传感元件 它将角位移转换为电参量 电阻的变化 R 11 360度圆盘形电位器 右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片 右边焊片接地 左边焊片接电源 接地 12 测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压 电流或频率量 在左图中 当电位器的两端加上电源后 电位器就组成分压比电路 它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo 13 二 传感器分类 传感器的种类名目繁多 分类不尽相同 常用的分类方法有 按被测参数分类 可分为位移 力 力矩 转速 振动 加速度 温度 压力 流量 流速等传感器 2 按测量原理分类 可分为电阻 电容 电感 光栅 热电耦 超声波 激光 红外 光导纤维等传感器 14 第二节传感器的静态特性 传感器所测量的量 物理量 化学量及生物量等 经常会发生各种各样的变化 例如 在测量某一液压系统的压力时 压力值在一段时间内可能很稳定 而在另一段时间内则可能有缓慢起伏 或者呈周期性的脉动变化 甚至出现突变的尖峰压力 传感器主要通过其两个基本特性 静态特性和动态特性 来反映被测量的这种变动性 描述传感器输入一输出关系的方法有两种 一是传感器的数学模型 二是传感器的各种基本特性指标 两者都可用于描述传感器的输入 输出关系及其特性 15 一 传感器静态特性一般知识 传感器的静态特性是指传感器在静态工作状态下的输入输出特性 所谓静态工作状态是指传感器的输入量恒定或缓慢变化而输出量也达到相应的稳定值时的工作状态 这时输出量为输入量的确定函数 16 对静态特性而言 传感器的输入量x与输出量y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示 实际使用中的大多数传感器 其用代数多项式表示的特性方程的次数并不高 一般不超过五次 根据传感器的实际特性所呈现的特点和实际应用场合的具体需要 其静特性方程并非一定要表示成上式所确定的完整形式 17 传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取的 所谓校准试验 就是在规定的试验条件下 给传感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量 在传感器的研制过程中可以通过其已知的元部件的静特性 采用图解法或解析法而求出传感器可能具有的静态特性 传感器除了描述输出输入关系的特性之外 还有与使用条件 使用环境 使用要求等有关的特性 18 二 传感器的静态特性指标 传感器的特性一般指输入 输出特性 包括 线性度 灵敏度 迟滞 重复性 分辨力 稳定度 漂移 电磁兼容性 可靠性等 19 线性度 线性度又称非线性误差 是指传感器实际特性曲线与拟合直线 有时也称理论直线 之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比 将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线 这条直线称为端基理论直线 按上述方法得出的线性度称为端基线性度 非线性误差越小越好 线性度的计算公式如下 20 作图法求线性度演示 1 拟合曲线2 实际特性曲线 21 由于实际遇到的传感器大多为非线性 在实际使用中 为了标定和数据处理的方便 希望得到线性关系 因此引入各种非线性补偿环节 如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理 从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性 但如果传感器非线性的方次不高 输入量变化范围较小时 可用一条直线 切线或割线 近似地代表实际曲线的一段 使传感器输入输出特性线性化 所采用的直线称为拟合直线 22 直线拟合方法a 理论拟合b 过零旋转拟合c 端点连线拟合d 端点连线平移拟合 23 设拟合直线方程 0 y yi 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b和k的表达式 24 灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值 输出增量 与引起输出变化值的输入变化值 输入量增量 之比 用K来表示 25 显然灵敏度表示静态特性曲线上相应点的斜率 对线性传感器 灵敏度为一个常数 对于非线性传感器 灵敏度则为一个变量 随着输入量的变化而变化 26 迟滞 传感器在输入量由小到大 正行程 及输入量由大到小 反行程 变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞 也就是说 对于同一大小的输入信号 传感器的正反行程输出信号大小不相等 这个差值称为迟滞差值 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值与满量程输出值之比称为迟滞误差 即 27 迟滞特性 迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷 加轴承摩擦 间隙 螺钉松动 元件腐蚀或碎裂 材料的内摩擦 积塞灰尘等 迟滞大小一般由实验确定 28 重复性 repeatabilityorreproducibility precision 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时 所得特性曲线不一致的程度 重复性误差属于随机误差 常用标准差 计算 也可用正反行程中最大重复差值 Rmax计算 即 或 29 Rmax1正行程的最大重复性偏差 Rmax2反行程的最大重复性偏差 30 分辨力 指传感器能检出被测信号的最小变化量 当被测量的变化小于分辨力时 传感器对输入量的变化无任何反应 对数字仪表而言 如果没有其他附加说明 可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力 一般地说 分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差 31 漂移 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下 传感器输出量随着时间变化 此现象称为漂移 产生漂移的原因有两个方面 一是传感器自身结构参数 二是周围环境 如温度 湿度等 最常见的漂移是温度漂移 即周围环境温度变化而引起输出的变化 温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移 温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度 一般为20 时的输出值的变化量与温度变化量之比 来表示 即 32 可靠性 可靠性是反映检测系统在规定的条件下 在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标 浴盆曲线 33 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 例如 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 34 精确度 精确度是反映测量系统中系统误差和随机误差的综合评定指标 与精确度有关的指标有 精密度 准确度和精确度 精密度 说明测量系统指示值的分散程度 精密度反映了随机误差的大小 精密度高则随机误差小 思考 与重复性的关系 准确度 说明测量系统的输出值偏离真值的程度 准确度是系统误差大小的标志 准确度高则系统误差小 精确度 是准确度与精密度两者的总和 常用仪表的基本误差表示 精确度高表示精密度和准确度都高 35 准确度高而精密度低 准确度低而精密度高 精确度高 36 第三节传感器的动态特性 传感器测量静态信号时 由于被测量不随时间变化 测量和记录的过程不受时间限制 但是实际检测中的大量被测量是随时间变化的动态信号 传感器的输出不仅需要能精确地显示被测量的大小 而且还能显示被测量随时间变化的规律 即被测量的波形 传感器能测量动态信号的能力用动态特性来表示 37 一 动态参数测试的特殊性 热电偶测温过程的动态特性 38 二 传感器的动态模型 1 微分方程 传感器的种类和形式很多 但它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述 对于常见的传感器 其动态模型通常可用零阶 一阶或二阶的常微分方程来描述 分别称为零阶系统 一阶系统和二阶系统 在实际中 经常遇到的是 阶和二阶环节的传感器 39 1 零阶系统在方程式中的系数除了a0 b0之外 其它的系数均为零 则微分方程就变成简单的代数方程 即 a0y t b0 x t 通常将该代数方程写成 y t kx t 式中 k b0 a0为传感器的静态灵敏度或放大系数 传感器的动态特性用方程式来描述的就称为零阶系统 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 40 2 一阶系统方程式中的系数除了a0 a1与b0之外 其它的系数均为零 则微分方程为 时间常数 具有时间的量纲 它反映传感器的惯性的大小 静态灵敏度则说明其静态特性 用方程式描述其动态特性的传感器就称为一阶系统 一阶系统又称为惯性系统 41 3 二阶系统二阶系统的微分方程为 二阶系统的微分方程通常改写为 根据二阶微分方程特征方程根的性质不同 二阶系统又可分为 二阶惯性系统 其特点是特征方程的根为两个负实根 它相当于两个一阶系统串联 二阶振荡系统 其特点是特征方程的根为一对带负实部的共轭复根 42 2 传递函数 动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时 系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比 当传感器的数学模型初值为0时 对其进行拉氏变换 即可得出系统的传递函数 等号右边是一个与输无关的表达式 它只与系统结构参数有关 因而等号右边是传感器特性的一种表达式 它联系了输入与输出的关系 是一个描述传感器传通信息特性的函数 43 3 传感器的动态响应特性 研究传感器的动态特性主要是为了分析测量时产生动态误差的原因 传感器的动态误差包括两部分 一是输出量达到稳定状态后与理想输出量之间的差别 二是当输入量跃变时 输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差 研究传感器的动态响应特性 实际上就是分析传感器的这两种动态误差 传感器的动态特性不仅与传感器的 固有因素 有关 还与传感器输入量的变化形式有关 也就是说 同一个传感器在不同形式的输入信号作用下 输出量的变化是不同的 通常选用几种典型的输入信号作为标准输入信号 研究传感器的响应特性 44 系统的动态特性取决于系统本身及输入信号的形式 工程上常用正弦函数和单位阶跃函数作为标准的输入信号 通常在时域主要分析传感器在单位阶跃输入下的响应 而在频域主要分析在正弦输入下的稳态响应 并着重从系统的幅频特性和相频特性来讨论 1 传感器阶跃响应当传感器输入一个单位阶跃信号时 其输出信号称为阶跃响应 45 常见的一阶 二阶传感器阶跃响应曲线见图 主要动态指标包括 一阶传感器的阶跃响应曲线二阶传感器阶跃响应曲线 46 时间常数 传感器输出由零上升到稳态值的63 2 所需的时间 见图 上升时间 传感器输出由稳态值的10 上升到90 所需的时间 见图 调节时间 传感器