第1章 传感器概述

传感器原理及工程应用,第1章传感器检测技术概论,第1章传感器检测技术概论,本章要求：传感器的组成及分类传感器的静态特性：线性度、灵敏度、迟滞、重复性和漂移。传感器的动态特性：时间常数对一阶传感器动态性能的影响，固有频率n和阻尼比对二阶传感器动态性能的影响；,第1章传感器检测技术概论,1.1传感器的基本概论1.2传感器的基本特征1.3传感器的技术性能指标及改善途径,1.1.1传感器的定义及组成,传感器定义：感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器输出信号：通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。,1.1.1传感器的定义及组成,传感器组成：敏感元件转换元件敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路,1.1.2（5）传感器的基础效应,传感器利用了诸多的效应（物理效应、化学效应和生物效应）将被测量变换成电量。,1.1.2（5）传感器的基础效应,1.1.2（5）传感器的基础效应,1.1.3传感器的分类,传感器的分类方法：按照工作机理：物理效应、化学效应、生物效应按照构成原理：结构型、物性型按照能量转换：能量转换型、能量控制型按照工作原理：应变式、电容式、压电式、磁电式、热电式按照被测参数：温度、压力、位移、速度按照使用材料：金属、半导体、光纤、陶瓷、高分子材料按照输出信号：模拟式、数字式按照空间关系：接触式、非接触式结论：先从工作原理出发，了解各种各样传感器，应着重于如何合理选择和使用传感器。,1.1.4传感器的命名方法及代号,1.传感器的命名方法1）命名法的构成：主题词+四级修饰语（1）主题词-传感器（2）第一级修饰语-被测量：压力，温度，频率，（3）第二级修饰语-转换原理：电容式、电感式、压电式（4）第三级修饰语-特征描述：K型热电偶、J型热电偶（5）第四级修饰语-主要技术指标：量程、精度、灵敏度2）命名法规范：（1）题目中的用法-索引检索：传感器，位移，应变式，100mm（2）正文中的用法-技术文件：100mm应变式位移传感器（3）修饰语的省略-可视情况省略：位移传感器,1.1.4传感器的命名方法及代号,2.传感器代号标记1）传感器代号的构成：主称+被测量+转换原理+序号（1）主称：C（传感器）（2）被测量：Y（压力）（3）转换原理：CY(差压式)、DR（电容）（4）序号：设计特征、性能参数2）传感器代码标记示例：（1）压阻式压力传感器：C-Y-YZ-2.5（2）霍尔式电流传感器：C-DL-HE-1200（3）氢离子活度传感器：C-（H+）-12,1.2传感器的基本特性,1.2.1传感器的静态特性1.2.2传感器的动态特性,1.2.1传感器的静态特性,传感器的静态特性:指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性，如空气温度、空气压力对静态特性而言，传感器的输入量x与输出量y之间的关系与时间量无关，通常可用一个多项式表示：传感器的静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨力、漂移、静态误差,y=a0+a1x+a2x2+anxn,1.2.1传感器的静态特性,1.量程与测量范围：传感器所能测量的最大被测量（即输入量）的数值称为测量上限（xmax），最小被测量称为测量下限（xmin）。测量上限和测量下限之间所表示的区间，称为测量范围。测量范围为010N，是单向测量范围，则量程为10N；测量范围为4040，是双向对称测量范围，则量程为80；测量范围为310g，是双向不对称测量范围，则量程为13g；测量范围为540kPa，是单向测量范围，则量程为35kPa。,1.2.1传感器的静态特性,2.线性度：输出与输入之间数量关系的线性程度,式中：Lmax最大非线性绝对误差；YFS满量程输出值。,1.2.1传感器的静态特性,线性传感器优点：a、简化理论分析和设计计算b、为标定和处理数据带来方便c、可使仪表可读盘刻度均匀，因而制作、安装、调试容d、避免了非线性补偿环节非线性可用下式表示输入输出特性：,式中：y输出量；x-输入量；a0-零位输出；a1-传感器线性灵敏度；a2,a2,an-待定常数,1.2.1传感器的静态特性,3.迟滞：输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程），输入输出特性曲线不重合的现象主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的间隙,1.2.1传感器的静态特性,4.重复性：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，常用标准差计算可用正反行程中最大重复差值Rmax计算,1.2.1传感器的静态特性,5.灵敏度：输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏线性传感器灵敏度是它的静态特性的斜率，测量范围内为常量。非线性传感器灵敏度是输入输出特性曲线上某点斜率，为变量。,1.2.1传感器的静态特性,6.漂移：在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间的变化产生漂移的原因：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）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,1.2.2传感器的动态特性,传感器的动态特性:输入量随时间变化时传感器的响应特性一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数,实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,1.2.2传感器的动态特性,1.传感器的基本动态特性方程传感器的输出处于动态过渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示根据方程系数a,b取值不同，可分为一下三种系统：1)零阶系统2)一阶系统3)二阶系统,1.2.2传感器的动态特性,1）零阶系统：除a0、b0外，其余全为零零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。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。,1.2.2传感器的动态特性,2）一阶系统：除a0、a1、和b0外，其余全为零时间常数具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小。不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器等。,1.2.2传感器的动态特性,一阶传感器时域动态性能指标：一阶传感器动态性能指标,时间常数：输出上升到稳态值的63.2%所需的时间延迟时间Td：输出达到稳态值的50%所需的时间。上升时间Tr：输出达到稳态值的90%所需的时间。,1.2.2传感器的动态特性,3）二阶系统：特征方程：特征方程根：二阶惯性系统：二阶振荡系统：带有套管的热电偶、电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路等。,1.2.2传感器的动态特性,二阶传感器的时域动态性能指标：二阶传感器动态性能指标,延迟时间td：输出达到稳态值的50%所需的时间。上升时间Tr：输出达到稳态值的90%所需的时间。峰值时间Tp：输出达到第一个峰值所需的时间。超调量：输出超过稳态值的最大值。,1.2.2传感器的动态特性,2.传感器的阶跃响应及性能指标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。1)一阶传感器阶跃响应2)二阶传感器阶跃响应,1.2.2传感器的动态特性,1)一阶传感器的阶跃响应一阶传感器的微分方程及传递函数：对初始状态为零的传感器，输入单位阶跃信号：一阶传感器的单位阶跃响应:,1.2.2传感器的动态特性,传感器存在惯性，输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但通常认为t=（34）时，可以认为已达到稳态。一阶传感器的时间常数越小，响应越快，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，即动态误差小。,1.2.2传感器的动态特性,2)二阶传感器的阶跃响应二阶传感器的微分方程及传递函数：对初始状态为零的传感器，输入单位阶跃信号：二阶传感器的单位阶跃响应:,1.2.2传感器的动态特性,二阶传感器根据阻尼比不同的单位阶跃响应信号：a、欠阻尼（）：b、临界阻尼（）：c、过阻尼（）：,1.2.2传感器的动态特性,=0，无阻尼状态，阶跃响应是等幅振荡过程；1，过阻尼状态，阶跃响应是不振荡的衰减过程；,1.2.2传感器的动态特性,阻尼比直接影响超调量和振荡次数，对于二阶传感器取=0.60.7之间，则最大超调量不超过10%，趋于稳态的调整时间也最短，约为（34）/()。固有频率n由传感器的结构参数决定，固有频率n也即等幅振荡的频率，n越高，传感器的响应也越快。,1.2.2传感器的动态特性,3.传感器典型环节的动态响应传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值比和两者相位差的变化(1)一阶传感器的频率响应（2）二阶传感器的频率响应,1.2.2传感器的动态特性,(1)一阶传感器的频率响应一阶传感器的频率特性表达式：幅频特性：相频特性：阶跃响应动态误差：,1.2.2传感器的动态特性,当Ts=时，ed=0.368；Ts=3时，ed=0.05；Ts=5时，ed=0.007，动态误差可以忽略；反之，根据所允许的动态误差可计算出所需响应时间。当1时，A（）1，（）0，表明传感器输出与输入成线性关系，且相位差也很小，输出y(t)比较真实地反映了输入x(t)的变化规律。时间常数越小，频率响应特性越好。,1.2.2传感器的动态特性,(2)二阶传感器的频率响应二阶传感器的频率特性表达式：幅频特性：相频特性：,1.2.2传感器的动态特性,当/n1时，A（）1，（）很小，输出y(t)再现输入x(t),近似于零阶系统。为了减小动态误差和扩大频率响应范围，一般可提高传感器固有频率n=（k/m）1/2。通常固有频率n至少应为被测信号频率的（35）倍，即n（35）。频率响应特性好坏主要取决于传感器的固有频率n和阻尼比，0.7称为最佳阻尼。,1.3传感器的技术性能指标及改善,1.3.1传感器的技术性能指标1.3.2改善传感器性能的技术途径,1.3.1传感器的技术性能指标,1.3.2改善传感器性能的技术途径,1.差动技术一传感器，其输出为另一传感器，其输出为使二者输出相减，即抵消共模误差，减小非线性误差，增大灵敏度。,1.3.2改善传感器性能的技术途径,2.平均技术（1）误差平均效应利用n个传感器单元同时感受被测量，每