第一章：传感器与检测技术基础.ppt

第一章：传感器和检测技术基础，传感器基础知识，检测基本概念，检测分类，检测系统，传感器基础知识，传感器概念。传感器是指能够感应特定测量信号并根据特定规则将其转换成可用输出信号的设备或装置。因此，传感器也被称为敏感元件、检测设备、转换设备等。例如，电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件和气敏元件，机械测量中的扭矩和转速测量装置，超声波技术中的压电换能器等。都可以统称为传感器。1。传感器概述，传感器的基本知识，传感器的组成按其定义一般由敏感元件，转换元件，信号调理转换电路三部分组成，有时需要额外的辅助电源来提供转换能量，传感器的基本知识，目前一般采用两种分类方法：一种是根据被测参数进行分类，如温度，压力，位移，速度等。对应于温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等。另一种根据传感器的工作原理进行分类，如根据应变原理工作、根据电容原理工作、根据压电原理工作、根据磁电原理工作、根据光电效应原理工作等。相应的应变传感器、电容传感器、压电传感器、磁电传感器、光电传感器等。传感器的命名和分类、传感器的基本知识、传感器的性能指标以及描述传感器性能的优缺点的参数都是性能指标。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。1)反映传感器静态特性的性能指标。静态特性是指当检测系统的输入是不随时间变化的恒定信号时，检测系统的输出和输入之间的关系。主要包括线性、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。传感器的基本知识，(1)线性(详见第2章):指传感器输出和输入之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差max与满量程范围内的满量程输出值YFS之比。线性也称为非线性误差，表示为传感器的基本知识，(2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的重要指标。它被定义为产出量增量与导致增量的相应输入量增量之比。灵敏度用S表示，即表示单位输入量的变化引起的传感器输出的变化。显然，灵敏度S值越大，传感器越灵敏。如图所示，传感器的基本知识，(3)迟滞：在输入量从小变大(正行程)和输入量从大变小(反行程)的过程中，传感器的输入和输出特性曲线不一致的现象称为迟滞，即对于相同大小的输入信号，传感器的正、负行程的输出信号大小不相等，这种差异称为迟滞差。迟滞现象主要是由传感器敏感元件材料的物理特性和机械零件的缺陷造成的，如弹性敏感元件的弹性迟滞、运动零件的摩擦、传动机构的间隙、紧固件的松动等。迟滞误差也称为迟滞或变化。传感器的迟滞特性，传感器的基本知识，(4)重复性：重复性是指当传感器的输入量在全范围内多次连续向同一方向变化时，所获得的特性曲线不一致的程度，如图1.4所示。重复性误差属于随机误差。标准偏差计算是常用的，最大重复性差Rmax在正向和反向行程中也可以使用，即传感器的基本知识，(5)漂移：传感器漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出随时间的变化。这种现象当传感器的工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20)时，温度漂移通常用输出值的变化量与温度的变化量之比()表示，即工作环境温度tt 与偏离标准环境温度t20之差，即t=t-t20；环境温度下yt传感器的输出；环境温度t20时y20传感器的输出。(6)稳定性，传感器基础知识，测试时，将传感器输出调整到零或某一特定点，经过4h、8h或一定次数的工作后，再读出输出值，两个输出值之差即为稳定性误差。它可以用相对误差或绝对误差来表示。稳定性是指传感器在长期运行下的输出变化，有时称为长期运行稳定性或零漂移。传感器基础知识，(7)静态误差，取2和3值即为传感器的静态误差。静态误差也可以用相对误差来表示，即静态误差是将所有输出数据的残差和拟合直线上的相应值作为随机分布，并计算其标准偏差来计算的，即静态误差是指传感器全范围内任意一点的输出值与其理论值之间的偏差程度。yi-每个测试点的残差；N1测试点。传感器的基本知识，与精度相关的指标：精度，精度和精度(precision)，(8)精度(详见第2章，这里只有精度是静态指标)，精度：表示传感器输出值和真实值之间的偏差程度。例如，某个流量传感器的精度为0.3m3/s，表示传感器的输出值偏离真实值0.3m3/s。精度是系统误差的标志。高精度意味着系统误差小。同样，高精度不一定是高精度。精度：表示测量传感器输出值的分散度，即某个稳定的被测对象的测量结果在相对较短的时间内被同一测量者和同一传感器多次重复测量的分散度。例如，温度传感器的精度是0.5。精确度是随机误差的标志。高精度意味着小的随机误差。注意：高精度不一定是高精度。传感器的基本知识和精度：精度和准确度的总和。高精度意味着精度和准确度都相对较高。在最简单的情况下，两者的代数和更可取。机器通常用测量误差的相对值来表示。(a)高精度和低精度(b)低精度和高精度(c)高精度测量我们希望得到高精度的结果。传感器的基本知识，2)反映传感器动态特性的性能指标。动态特性是指当检测系统的输入是随时间变化的信号时，系统输出和输入之间的关系。主要动态特性的性能指标包括时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。传感器基本知识，单位阶跃响应性能指标：如图所示，是衰减振荡的二阶传感器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的主要性能指标是：最大超调响应曲线偏离单位阶跃曲线的最大值；上升时间tr响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间；延迟时间td的响应曲线上升到稳态值的50%所需的时间；调整时间ts是响应曲线进入所需的最短时间，并且不再超出误差范围。误差带通常被指定为稳态值的或；稳态误差ess系统响应曲线的稳态值和期望值之间的差值。阻尼下，传感器的基本知识，单位阶跃响应性能指标：如图所示是一阶传感器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性能指标主要包括：时间常数的一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间；延迟时间td传感器输出达到稳态值50%所需的时间；上升时间tr传感器输出达到90%稳态值所需的时间。最大过冲反映了的稳定性(即稳定性)此外，反映传感器频率响应的频域性能指标主要包括通带(或频带)、上下截止频率、固有频率等。过阻尼，传感器基础知识，2。提高传感器性能的技术途径，1。采用线性化技术。传感器通常是非线性的，放大器是线性的。增加了非线性补偿环节，使仪器的输出和输入具有线性关系。2、传感器基础知识，采用闭环技术，开环控制系统不能检测错误，也不能纠正错误。控制精度和干扰抑制性能相对较差，并且对系统参数的变化敏感。只要被控量因任何原因(外部干扰或系统内部变化)偏离规定值，闭环控制系统就会产生相应的控制动作来消除偏差。控制精度和干扰抑制性能相对较差，并且对系统参数的变化敏感。因此，它通常只用于一些可以忽略外部影响、惯性小或精度要求不高的场合。传感器基础知识，3，差分技术，差分放大器电路：温度漂移抑制，传感器基础知识，4，补偿和校正技术，一是并联补偿RS；第二是旁路补偿R1传感器的基本知识，第三是传感器中的弹性传感元件(理解)。物体在外力作用下改变其原始尺寸或形状的现象称为变形，当外力消除后，物体可以完全恢复其原始尺寸和形状。这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。在传感器中，用于直接感测作为力、力矩或压力测量的应变或位移并输出与力、力矩或压力的相应确定关系的元件被称为弹性敏感元件。传感器的基本知识，刚度是测量弹性元件在外力作用下的变形，传感器的基本知识，弹簧管压力表，动圈显示仪，Y-50/60/100/150弹簧管压力表弹簧管压力表适用于测量液体、气体或蒸汽的压力而不会对铜和铜合金产生爆炸、结晶、凝固和腐蚀。传感器的基本知识。4.传感器的校准和校准。校准是使用某些标准仪器对新开发或生产的传感器进行全面的技术验证和校准。(包括刻度、测量范围、精度、测量不确定度等。)校准是指在使用期间和储存之后重新测试传感器的性能。校准的基本方法是使用标准仪器产生已知的非电量，并将其输入待校准的传感器，然后将传感器的输出与输入的标准量进行比较，得到一系列标准数据或曲线。实际应用中输入的标准量可由标准传感器检测，即将被校准的传感器与标准传感器进行比较。传感器校准是通过实验建立传感器输入和输出之间的关系。同时，确定了不同使用条件下的误差关系。传感器、静态校准、静态校准的基本知识是指在输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器静态特性的验证。静态校准的目的是确定传感器的静态特性，如线性、灵敏度、滞后和可重复性。动态校准主要是研究传感器的动态响应。常见的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。动态校准的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比。校准传感器时，所用测量仪器的精度至少比校准传感器的精度高一个等级。这样，通过校准确定的传感器的静态性能指标是可靠的，并且确定的精度是可靠的。(1)将传感器的整个范围(测量范围)分成几个等距点。(2)根据传感器的测量范围，标准值由小到大逐位输入，每个输入值对应的输出值为(5)对测试数据进行必要的处理。根据处理结果，可以确定传感器的线性、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。传感器的基本知识。5.传感器选择的原则。通常，在选择传感器时应考虑以下方面。(1)测试条件：主要包括测量目的、被测物理量特性、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量时间要求等。(2)传感器性能：主要包括精度、稳定性、响应速度、输出(模拟或数字)、负载对被测对象的影响、校正周期、输入保护等。(3)运行条件：主要包括环境条件(温度、湿度、振动等)。)的安装地点、测量时间、所需的功率容量、与其他设备的连接、备件和维护服务等。传感器的基本知识，具体来说，可以从以下几个方面考虑。为了进行特定的测量，应该首先考虑哪种原理的传感器，这只能在分析各种因素后才能确定。因为即使测量到相同的物理量，也有许多种传感器可供选择。哪种传感器更合适，根据传感器的测量特性和使用条件，需要考虑以下具体问题：测量范围的大小；测量位置对传感器体积的要求；测量模式是接触式还是非接触式；信号提取方法，有线或非接触测量；传感器的来源，无论是国产的还是进口的，价格是否实惠，还是自主开发的。在考虑了上述问题之后，我们可以决定选择哪种类型的传感器，然后考虑传感器的具体性能指标。1.根据测量对象和测量环境确定传感器类型，如温度计选择：海关、红外温度计；诊所：温度计；高炉：热电偶电子设备：DS18B20；传感器的基本知识2。灵敏度的选择。通常，在传感器的线性范围内，传感器的灵敏度越高越好。因为只有当灵敏度高时，对应于测量变化的输出信号的值相对较大，这有利于信号处理。然而，应该注意的是，传感器的灵敏度很高，并且与测量无关的外部噪声容易混入，这也会被系统放大并影响测量精度。因此，要求传感器本身具有高信噪比，以最小化来自外部的干扰信号的引入。传感器的灵敏度是方向性的。当被测量为单向量且方向性要求高时，应选择其他方向灵敏度低的传感器。如果测量的是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3.频率响应特性。传感器的频率响应特性决定了要测量的频率范围，并且必须在允许的频率范围内保持不失真的测量条件。事实上，传感器的响应总是有一定的延迟。延迟时间越短越好。传感器频率响应高，可测信号频率范围宽。然而，由于受结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因此低频传感器的可测信号频率较低。在动态测量中，响应特性应基于信号特性(稳态、瞬态、随机等)。)以避免过多的错误。传感器的基本知识。4.线性范围。传感器的线性范围是指输出和输入呈线性关系的范围。理论上，在这个范围内，灵敏度保持不变。传感器的线性范围越宽，范围越大，可以保证一定的测量精度。选择传感器时，当确定传感器的类型时，首先要看其测量范围是否满足要求。但事实上，没有传感器能保证绝对线性，它的线性是相对的。当要求的测量精度较低时，非线性误差小的传感器在一定范围内可以近似视为线性，这将为测量带来极大的方便。稳定性，为了使传感器具有良好的稳定性，传感器必须有很强的环境传感器的稳定性有定量指标。超过使用寿命后，应在使用前再次校准传感器，以确定传感器的性能是否发生了变化。在某些情况下，传感器需要长时间使用，但不容易更换或校准，所选传感器的稳定性要求更严格，应能长时间承受测试。精度是传感器的重要性能指标，是关系到整个测量系统测量精度的重要环节。传感器的精度越高，它就越贵。因此，只要传感器的精度满足整个测量系统的精度要求，就没有必要选择太高的精度。这样，可以在满足相同测量目的的许多传感器中选择更便宜和更简单的传感器。如果测量的目的是定性分析，可以选择重