第二章传感器的特性.ppt

第2章传感器的基本特性,2.1传感器的静态特性2.2传感器的动态特性2.5传感器的干扰与噪声2.6生物医学传感器的安全性2.7传感器的标定与校准,2.1传感器的静态特性,2.1.1传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。如果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，这时传感器的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中不含有时间变量。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：,y=a0+a1x+a2x2+anxn,式中：a0输入量x为零时的输出量；a1，a2，an非线性项系数。,各项系数决定了特性曲线的具体形式。传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性和漂移等。,1.灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。用S表示灵敏度，即,它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。,（2-2）,图2-2传感器的灵敏度,线性传感器,非线性传感器,2.线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。,图2-3线性度,传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用L表示，即,式中：Lmax最大非线性绝对误差；YFS满量程输出值。,图2-4几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合,常用方法：最小二乘法拟合（误差的平方和最小）,3.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(如图2-5所示)。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用H表示，即,（2-4）,图2-5迟滞特性,产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。,4.重复性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（见图2-6）。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,（2-5）,或,（2-6）,图2-6重复性,5.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。,(2-7),式中：t工作环境温度t偏离标准环境温度t20之差，即t=t-t20；yt传感器在环境温度t时的输出；y20传感器在环境温度t20时的输出。,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,17,传感器的准确度又称精确度或精度，表示被测量的测量结果与约定真值间的一致程度。准确度是衡量仪器、传感器总误差的一个尺度，它不考虑误差的类型和原因，是测量精密度和正确度的综合。,6.准确度,18,（7）精密度和正确度精密度是描述在同一测量条件下，测量仪表指示值不一致的程度，反映测量结果中的随机误差的大小。精密度由两个因素确定，一是重复性；二是仪表能显示的有效位数。而测量的正确度表示测量结果有规律地偏离真值的程度，它反映测量结果中的系统误差大小。实际测量中，精密度高，不一定正确度高；反之，正确度高，精密度也不一定高。,19,（8）灵敏限灵敏限是指输入量的变化不一致引起输出量有任何可见变化的量值范围。例如，某血压传感器当压力小于0.1333kPa时无输出，则其灵敏限为0.1333kPa。,2.2动态特性传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡状态，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。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。,为了说明传感器的动态特性，下面简要介绍动态测温的问题。当被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中，以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况时，都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为t0环境中迅速插入一个温度为t1的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t1，而热电偶反映出来的温度从t0变化到t1需要经历一段时间，即有一段过渡过程，如图2-7所示。热电偶反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差。,图2-7动态测温,造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管热电偶其热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的，它决定了热电偶测量快速变化的温度时会产生动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。,1.传感器的基本动态特性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：,（2-8）,式中，a0、a1、,an,b0、b1、.,bm是与传感器的结构特性有关的常系数。,1）零阶系统在方程式（2-8）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（2-9）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。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。,2）一阶系统若在方程式（2-8）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,上式通常改写成为,(2-10),式中：传感器的时间常数，=a1/a0；k传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0。,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（2-10）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。如不带套管热电偶测温系统、玻璃液体温度计、电路中常用的RC滤波器等均可看作为一阶系统。,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,式中：k传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0；传感器的阻尼系数，n传感器的固有频率，,图2-9二阶传感器单位阶跃响应,许多医用传感器都是二阶传感器，如测血压及其他生理压力的弹性压力传感器、加速度型心音传感器、微震颤传感器等振动型传感器，它们都含有质量m和弹簧k及阻尼器c，其物理模型均可表示为弹簧质量阻尼系统，其动态特性都可用二阶微分方程来描述：,2.传感器的动态响应特性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。1）瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。在时间域上研究传感器的响应和过渡过程进行分析，称为时域分析法。标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号，传感器的输出瞬态响应分别称为阶跃响应和脉冲响应。,(1)一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的微分方程为,设传感器的静态灵敏度k=1，写出它的传递函数为,对初始状态为零的传感器，若输入一个单位阶跃信号，即,输入信号x(t)的拉氏变换为,一阶传感器的单位阶跃响应拉氏变换式为,(2-13),对式(2-13)进行拉氏反变换，可得一阶传感器的单位阶跃响应信号为,(2-14),图2-8一阶传感器单位阶跃响应,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。因此，值是一阶传感器重要的性能参数。,(2）二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的微分方程为,设传感器的静态灵敏度k=1，其二阶传感器的传递函数为,(2-15),传感器输出的拉氏变换为,(2-16),图2-9二阶传感器单位阶跃响应,二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有角频率n。=0时，无阻尼状态，阶跃响应是一个等幅振荡过程；1时，过阻尼状态，阶跃响应是一个不振荡的衰减过程；=1时，临界阻尼状态，阶跃响应也是一个不振荡的衰减过程，01时，欠阻尼状态，阶跃响应是一个衰减振荡过程。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。,阻尼比直接影响超调量和振荡次数，为了获得满意的瞬态响应特性，实际使用中常按稍欠阻尼调整，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）/()。,(3）传感器的时域动态性能指标时间常数：一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间,称为时间常数。延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。峰值时间tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。超调量：二阶传感器输出超过稳态值的最大值。衰减比d：衰减振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。,图2-10一阶传感器的时域动态性能指标,图2-11二阶传感器的时域动态性能指标,2）频率响应特性一个传感器输入端有正弦信号作用时，其输出仍然是同频率的正弦信号，只是与输入端正弦信号的幅值和相位不同。频率响应法是对于不同频率的正弦输入，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将一阶传感器传递函数式（2-12）中的s用j代替后，即可得如下的频率特性表达式：,(2-17),幅频特性:,(2-18),相频特性：,(2-19),图2-12一阶传感器频率响应特性(a)幅频特性；(b)相频特性,(2）二阶传感器的频率响应由二阶传感器的传递函数式（2-15）可写出二阶传感器的频率特性表达式，即,(2-20),其幅频特性、相频特性分别为,(2-21),(2-22),相位角负值表示相位滞后。由式（2-21）及式（2-22）可画出二阶传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线，如图2-13所示。,图2-13二阶传感器频率响应特性曲线(a)幅频特性；(b)相频特性,49,2.5传感器的干扰与噪声,传感器总是存在着一定噪声的，外界干扰也是普遍存在的，对于微弱的生物医学信号的测量，各种干扰和噪声尤其容易串入，且其幅度常常超过了待测信号。干扰和噪声的抑制和消除是传感器设计中要解决的一项关键问题。这方面的革新常可以导致新的测量方法与技术的诞生。,50,2.5.1传感器的常见干扰（1）机械干扰这类干扰包括振动和冲击，它们对于具有相对运动元件的传感器有很大影响。防范措施是设法阻止来自振动源的能量的传递。采用重量大的工作台是吸收振动的有效方法。也可为传感器配用质量大的基座，以造成阻抗失配，进而防止振动，但应注意增加传感器重量对被测对象带来的附加影响。,51,（2）音响干扰音响干扰一般功率不大，尤其是在医院和生物医学实验室环境下，故这类干扰较易抑制，必要时可用隔音材料作传感器的壳体，或将其放在真空容器中使用。（3）热干扰由热辐射造成的热膨胀，会使传感器内部元件间发生相对位移，或使得元件性能发生变化。易受此类干扰影响的传感器有电容式传感器、电感式传感器等。,52,（4）电磁干扰1）静电干扰,53,54,2）电磁干扰由于我们所处社会的电器化程度越来越高，各种各样的电子仪器在空中造成的电磁波污染也大量增加。如果不加小心，这些电磁波会由于电磁感应而对传感器输出信号产生严重干扰。对于此类干扰，除可用电磁屏蔽外，还可用滤波的方法来消除，后者对于已知干扰信号频率时尤为有效。,55,2.5.2传感器的噪声（1）电阻热噪声任何电阻的两端即使没有外加电势，也会有一定的交变电压，这就是材料内的自由电子不规则的热运动所产生的热噪声电压，其均方根值为,56,（2）散粒噪声散粒噪声是由电子（或空穴）随机地发射而引起的，存在于电子管和半导体两种元件上。在光电管和真空管等器件中，散粒噪声来自于阴极电子的随机发射，而在半导体器件中则来自载流子的随机扩散以及空穴电子对的随机发射及复合。该噪声电流的均方根值为,57,（3）1/f噪声由于导体的不完全接触等制造工艺及材料方面的原因，电子器件中还存在着一种功率谱与频率成反比的噪声，称之为1/f噪声。1/f噪声发生在两种不同材料的导体相接触的部位，其大小与直流电流成正比，振幅为高斯分布，噪声电流的均方值为,58,（4）噪声系数传感器的噪声系数定义为传感器输入端的信噪比与输出端的信噪比之比，即,59,2.6生物医学传感器的安全性,生物医学传感器是用于生物体的，除了一般测量对传感器的更求外，必须考虑到生物体的解剖结构和生理功能，尤其是安全性问题更应特别重视。对安全性的主要要求有：传盛器的包封村料应该有很好的生物相容性，能耐受体液的长期腐蚀，不凝血，不溶血，不受生物排异反应的影响；传感器的形状、尺寸和结构应适应被测部位的解剖结构，使用时不应损伤组织；,60,传感器要有足够的牢固性，在引入被测部位时，传感器不能损坏；传感器和人体要有足够的电绝缘，即使在传感器损坏的情况下，人体受到的电压必须低于安全值，不安全的电压绝不能加到人体上；传感器不能给生理活动带来负担，也不应干扰正常的生理功能；对于植人体内长期使用的传感器，不应引起赘生物；在结构上要便于消毒。,2.6生物医学传感器的安全性,（1）医用传感器的电气安全（2）生物医学材料的安全性,62,（1）医用传感器的电气安全随着医院及医学研究机构使用医学电子仪器设备的品种、数量和复杂程度的不断增加，偶发的电击事故也逐渐增多。室颤是电击死亡的主要原因，电击还可能产生烧伤、心脏暂时停搏、神经系统受损等现象。,电击分为宏电击和微电击。宏电击是电压较高，电流较大，电流是从人体皮肤的某一点流入，经过体内再从另一点流出，这种电击往往是由误操作，绝缘损坏等意外原因造成的。微电击则是电压较低，电流可能很微小，是由插入人体内部的电子仪器产生的泄漏电流，它是由人体内部流出体外的，这种电击现象的发生很可能电子仪器仍处于正常工作状态，医务人员往往不易察觉而使电击延续时间较长，由于电击是在人体内部发生，体内电阻很小，距离心脏又很近，致人死命的可能是很大的。,漏电流是衡量医疗仪器电气安全的一项重要指标，它的容许最大值在GB9706.1作了规定，表2.1分别规定频率在1KHz内的交、直流复合波时的连续漏电流和患者辅助漏电流的容许漏电流值。(单位mA),65,漏电流分为：1.接地漏电流(流过保护接地导线的电流)2.机壳漏电流(从外壳流向大地的电流)3.患者漏电流-(从仪器和患者的接触部位流向大地的电流)4.患者漏电流-(从加在信号输出、输入部分的电源经仪器和患者的接触部位流向大地的电流)5.患者漏电流-(从加在仪器与患者接触部位的市电电源经接触部位流向大地的电流)6.患者辅助电流正常使用时，流经应用部分部件之间的患者的电流，此电流预期不产生生理效应。,漏电流种类,患者漏电流,患者辅助电流,外壳漏电流,外壳漏电流,接地漏电流,患者漏电流的种类,患者漏