传感器基础知识

1,第1章传感器理论基础,1.1传感器基础,传感器就是把非电量转换成电量的装置。,传感器-是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用量的器件和装置。,1.1.1传感器的概念,2020/5/26,2,2,1.1.2传感器的组成和分类,传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成。,1传感器的组成,2020/5/26,3,直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,敏感元件是传感器的核心,2020/5/26,4,转换元件：将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号的元件。,2020/5/26,5,测量电路：将转换元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。,2020/5/26,6,（1）按照其工作原理分：,2传感器的分类,传感器可分为电参数式(如电阻式、电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及热电式传感器等。,传感器可分为力、位移、速度、加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温度和光等。,（2）按照其被测量对象分：,2020/5/26,7,2传感器的分类,B、结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。,（3）按照其结构分：,传感器可分为结构型、物性型和复合型传感器。,A、物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如：水银温度计。,2020/5/26,8,1.1.3传感器基本特性,当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其输入输出关系特性称为静态特性。,传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性，即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测量）x(t)之间的关系，,传感器系统示意图,2020/5/26,9,1.1.3传感器基本特性,1)传感器的静态特性:,1.测量范围：传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。,2.量程：传感器测量范围的上限值与下限值的代数差称为量程。,2020/5/26,10,传感器的精度是指测量结果的可靠程度。,工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。,3.精度：,精度等级以一系列标准百分比数值分档表示。,代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。,2020/5/26,11,4.灵敏度：灵敏度是指传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比，如下图所示。,灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力,(a)线性传感器(b)非线性传感器,最大非线性误差满量程输出,b、线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。,5.线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。,a、在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。,直线拟合线性化,出发点获得最小的非线性误差,拟合方法：理论拟合；过零旋转拟合；端点连线拟合；端点连线平移拟合；最小二乘拟合；最小包容拟合,理论拟合,拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说较大,过零旋转拟合,曲线过零的传感器。拟合时，使,端点连线拟合,把输出曲线两端点的连线作为拟合直线,端点连线平移拟合,在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原先的一半,y,L2,L1,L3,最小二乘拟合,原理:,最小二乘拟合方法,6、迟滞,正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞,正反行程间输出的最大差值。,迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差表示检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。,7、重复性,传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度,正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差,取较大者为,8.零点漂移,漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关的或不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等，如图所示。,2020/5/26,26,10.分辨率:分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。,9.稳定性:稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。,2）传感器的动态特性,传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。,研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。时域：瞬态响应法频域：频率响应法,反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。,1.瞬态响应特性,传感器的瞬态响应即为时间响应。,在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析，这种分析方法称为时域分析法。,一阶传感器,二阶传感器,延迟时间td输出达到稳态值的50%所用的时间。,瞬态响应特性指标,各指标定义如下：,时间常数一阶传感器的上升到63.2%所需的时间，称为时间常数。,上升时间tr输出达到稳态值的90%所用的时间。,峰值时间tp阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。,瞬态响应特性指标,+超调量传感器输出超过稳态值的最大值。,+衰减比d衰减震荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。,2.频率响应特性,传感器对不同频率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动态特性。（1）零阶传感器的频率特性（2）一阶传感器的频率特性（3）二阶传感器的频率特性（4）频率响应特性指标,(a)幅频特性(b)相频特性,时间常数越小，频率响应特性越好。当1时，A()1，()，表明传感器输出与输入为线性关系，相位差与频率成线性关系，输出y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。因此，减小可以改善传感器的频率特性。,二阶传感器的频率特性,频率响应特性指标（自己看）,频带传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数用时间常数来表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越宽。固有频率n二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。,2020/5/26,36,1.1.4传感器的命名、代号和图形符号,传感器的全称应由“主题词+四级修饰语”组成，即主题词传感器一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。二级修饰语转换原理，一般可后缀以“式”字。三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性式能特征，一般可后缀以“式”字。四级修饰语主要技术指标(如量程、精度、灵敏度等)。,传感器的命名,例：传感器，位移，应变式，100mm,2020/5/26,37,2020/5/26,38,一种传感器的代号应包括以下四部分：a主称(传感器)；b被测量；c转换原理；d序号，如图所示。,2传感器的代号,2020/5/26,39,例：应变式位移传感器：CWY-YB-20光纤压力传感器：CY-GQ-2,主称传感器代号C被测量用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。转换原理用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。序号用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。,2020/5/26,40,传感器的图形符号是电气图用图形符号的一个组成部分。按GB/T1447993传感器图用图形符号规定，传感器的图形符号由符号要素正方形和等边三角形组成，如图所示。,3传感器的图形符号,2020/5/26,41,1.1.5传感器的发展趋势,（1）发现利用新现象、新效应；（2）开发新材料；（3）采用高新技术；（4）拓展应用领域；（5）提高传感器的性能；（6）传感器的微型化与低功耗；（7）传感器的集成化与多功能化；（8）传感器的智能化与数字化；（9）传感器的网络化。,2020/5/26,42,1.2.1检测技术,1.2检测技术理论基础,检测技术主要研究被测量的测量原理、测量方法、检测系统和数据处理等方面的内容。,不同性质的被测量要采用不同的原理去测量，测量同一性质的被测量也可采用不同测量原理。,自动检测技术的重要性,(2)非电量电测量技术优点：测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。,（1）测试手段就是仪器仪表在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。,酒精测试仪,呼气管,电子湿度计模块,封装后的外形,2020/5/26,46,4)静态测量与动态测量,1.2.2测量方法,1)直接测量、间接测量和组合测量(又称联立测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后结果，则称这样的测量为组合测量。,2)偏差式测量、零位式测量与微差式测量,3)等精度测量与非等精度测量,2020/5/26,47,1.2.3检测系统,检测系统是由被测对象、传感器、数据传输环节、数据处理环节和数据显示环节构成。（P9）,1、检测系统的构成,2020/5/26,48,检测系统又分：开环检测系统与闭环检测系统,1.2.3检测系统,开环检测系统：,2020/5/26,49,闭环检测系统：,1.2.3检测系统,2020/5/26,50,测量误差,1.2.4测量误差及数据处理,检测值与真实值之间的差值。,原因,测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等。,1.3.3测量误差的表示方法,(1)绝对误差(2)相对误差,(1)绝对误差,绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差为,由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为,通常以此值来代表绝对误差。,修正值,修正值与绝对误差值大小相等、符号相反，测得值加修正值可以消除该误差的影响,为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值，常用C表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即,A0=x+C,由此得C=A0-x,在实际工作中，可以用实际值A近似真值A0，则上式变为C=A-x=-x,(2)相对误差,相对误差有以下表现形式：实际相对误差。示值相对误差。满度（引用）相对误差,相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。,实际相对误差。示值相对误差。满度（引用）相对误差,2）误差的分类,（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差,系统误差,1.系统误差的发现2.系统误差的削弱和消除,1.系统误差的发现,理论分析及计算实验对比法残余误差观察法残余误差校核法计算数据比较法,（1）理论分析及计算因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。（2）实验对比法实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。（3）残余误差观察法根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。,（4）残余误差校核法,用于发现累进性系统误差马利科夫准则：设对某一被测量进行n次等精度测量，按测量先后顺序得到测量值x1，x2，xn，相应的残差为v1，v2，vn。把前面一半和后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值用于发现周期性系统误差阿卑-赫梅特准则：,则认为测量列中含有周期性系统误差。,当存在,设,(5)计算数据比较法,对同一量进行多组测量，得到很多数据，通过多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比较结果应满足随机误差条件，否则可认为存在系统误差。任意两组结果与间不存在系统误差的标志是,2.系统误差的削弱和消除,从产生误差源上消除系统误差引入修正值法零位式测量法补偿法对照法,（1）算术平均值（2）标准误差,随机误差的评价指标有以下两点：,随机误差,（1）算术平均值,当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平均值即等于真值，事实上是不可能无限次测量，即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加，算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。,()标准差,标准误差(又称均方根误差)。,算术平均值是反映随机误差的分布中心，而标准误差则反映随机误差的分布范围。,标准误差越大，测量数据的分散范围也越大，标准误差可以描述测量数据和测量结果的精度，是评价随机误差的重要指标。,测量列中单次测量的标准差,在等精度测量列中，单次测量的标准差式中，n测量次数；每次测量中相应各测量值的随机误差。,测量列算术平均值的标准差,式中，算术平均值标准差（均方根误差）；测量列中单次测量的标准差；n测量次数,当测量次数n愈大时，算术平均