传感与检测技术基础PPT学习教案

1、会计学1传感与检测技术基础传感与检测技术基础1.11.1 传感与检测的概念（传感与检测的概念（1 1学时）学时）1.2 1.2 传感器概述（传感器概述（1 1学时）学时）1.3 1.3 传感器的基本特性（传感器的基本特性（2 2学时）学时）1.4 1.4 测量方法（测量方法（1 1学时）学时）1.5 1.5 测量误差（测量误差（1 1学时）学时）1.6 1.6 传感器标定（传感器标定（2 2学时）学时）本章内容与学时安排：本章内容与学时安排：第1页/共92页技术）的三大支柱之一。技术）的三大支柱之一。第2页/共92页第3页/共92页第4页/共92页传感器传感器测量电路测量电路记录仪记录仪指示仪

2、指示仪数据处数据处理仪器理仪器电电 源源图图1.11.1检测系统组成框图检测系统组成框图被测量被测量第5页/共92页第6页/共92页 传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此其组成细节有较大差异。总的来说，传感器是因此其组成细节有较大差异。总的来说，传感器是由敏感元件、转换元件和信号调理电路组成，有些由敏感元件、转换元件和信号调理电路组成，有些包含有辅助电源电路，如下图。包含有辅助电源电路，如下图。信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息转换元件转换元件辅助电

3、源电路辅助电源电路图图1. 2传感器组成框图传感器组成框图被测信息被测信息敏感元件敏感元件第7页/共92页第8页/共92页第9页/共92页第10页/共92页第11页/共92页传感器2传感器1e+ex-xx+xy2y1y1( f )2( f )差动技术原理与结构差动技术原理与结构第12页/共92页2 2、平均技术平均技术：减少误差，提高灵敏度。：减少误差，提高灵敏度。 n n个传感单元，若每个单元带来的误差个传感单元，若每个单元带来的误差0 0均可均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论中的看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论中的“方和根法方和根法”，总误差将减少，为：，总误差将减少，为

4、：3 3、补偿与修正技术补偿与修正技术：针对传感器本身特性不好或外：针对传感器本身特性不好或外 界条件而设置。界条件而设置。4 4、干扰抑制干扰抑制：设法消除外界因素的影响。：设法消除外界因素的影响。5 5、稳定性处理稳定性处理：传感器一般都长期使用。：传感器一般都长期使用。第13页/共92页（二）寻找新原理、新材料、新功能和新工艺等（二）寻找新原理、新材料、新功能和新工艺等 （传感器发展动向）（传感器发展动向）1 1、开发新型传感器开发新型传感器 采用新原理：加强物性型传感器的研究。采用新原理：加强物性型传感器的研究。 填补空白：检测微弱信号是其发展方向。填补空白：检测微弱信号是其发展方向。

5、 仿生研究：研究其原理，自然界很多动物的感官功能，超仿生研究：研究其原理，自然界很多动物的感官功能，超过了当今能实现的范围过了当今能实现的范围。、开发新材料开发新材料半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料、智能材料等。半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料、智能材料等。第14页/共92页第15页/共92页 传感器的传感器的输出输出-输入关系输入关系特性是传感器的基本特性是传感器的基本特性，从误差角度去分析输出特性，从误差角度去分析输出输入特性是测量技输入特性是测量技术所要研究的主要内容之一。输出术所要研究的主要内容之一。输出输入特性虽是输入特性虽是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切关系传感器的外部

6、特性，但与其内部参数有密切关系。 传感器特性分为传感器特性分为静态特性静态特性和和动态特性动态特性。 衡量传感器的特性又有静态性能指标和动态性衡量传感器的特性又有静态性能指标和动态性能指标。能指标。第16页/共92页第17页/共92页max100%LFSLYLmax输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大大 偏差；偏差； YFS输出满量程值。输出满量程值。 图图1.4 1.4 输出输入特性的非线性输出输入特性的非线性YFSyyyYFSYFSxmxmxmxxxLmaxLmaxLmax（1.1）第18页/共92页y图图1.3 1.3 传感器静态特性传感器静

7、态特性yyyxxxx实际上许多传感器的输出实际上许多传感器的输出-输入特性是非线性的，如果输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下列多项式表示输出不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下列多项式表示输出y与与输入输入x关系。其表达式如下：关系。其表达式如下： ya0a1 x a2 x 2an x n （1.2） a0零位输出；零位输出； a1传感器线性灵敏度；传感器线性灵敏度； a2，a3，an待定常数。待定常数。 第19页/共92页第20页/共92页第21页/共92页在使用非线性特性的传感器时，为了简单方便，常在使用非线性特性的传感器时，为了简单方便，常用切线或割线等直线来近似地代表

8、实际曲线的一段，这用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器非线性特性的种方法称为传感器非线性特性的“线性化线性化”，所用直线，所用直线称为称为拟合直线拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差，如图为传感器的非线性误差，如图1.4中所示的中所示的Lmax值。值。 非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准得来非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准得来的。选择拟合直线的出发点：的。选择拟合直线的出发点：获取最小的非线性误差获取最小的非线性误差。常用拟合方法包括：理论拟合；过零旋转拟合；常用拟合方法包括：理论拟合；过

9、零旋转拟合； 端点连线拟合；端点连线拟合； 端点平移拟合；端点平移拟合； 最小二乘拟合。最小二乘拟合。第22页/共92页 0 xyyk第23页/共92页y0 xyy0(a)x0(b)xyyK=y/x图1.5灵敏度定义0yyKx0yyKx第24页/共92页y图1.6重复性0Rm1Rm2yFSxFSx第25页/共92页(2 3)100%RFSY 21()1niiyyny重复性指标常表示为：重复性指标常表示为：）（ 7 . 1 %100maxFSRYR（1.8）（1.9）第26页/共92页YFSyxXFSHmax图1.7迟滞现象0max100%HFSHY（1.11）第27页/共92页00100%tF

10、SYyYt 00100%TF SYyYT （1.12）（1.13）第28页/共92页选用传感器时，要考虑动态选用传感器时，要考虑动态特性。如动态测量，要考虑频率特性。如动态测量，要考虑频率范围。范围。第29页/共92页1、动态特性的研究方法、动态特性的研究方法 传感器的动态特性取决于传感器的动态特性取决于传感器本身结构传感器本身结构。 组成传感器的环节可能有组成传感器的环节可能有模拟环节模拟环节和和数字环数字环节节，其中模拟环节有接触和非接触环节，两者的，其中模拟环节有接触和非接触环节，两者的动特性及研究方法不同。动特性及研究方法不同。 研究传感器动态特性时，必须研究传感器动态特性时，必须考虑

11、输入量的考虑输入量的形式形式。不同类型的信号，特别是不同频率的信号。不同类型的信号，特别是不同频率的信号，影响着传感器的输出。，影响着传感器的输出。第30页/共92页各态历经过程非各态历经过程其它信号阶跃信号线性变化信号复杂周期信号正弦周期信号非平稳的随机过程平稳的非周期性的周期性的随机性的规律性的信号动态测量输入信号种类动态测量输入信号种类第31页/共92页应特性称频率特性；传感器对应特性称频率特性；传感器对阶跃输入信号阶跃输入信号的响应称过渡函的响应称过渡函数。数。第32页/共92页111 01n nn nn nd yd yd yaa aa yd t d t d t 111 01m mmm

12、m md xd xd xbb bb xd t d t d t 2、动态特性的数学模型、动态特性的数学模型 研究传感器动态特性时，常将它当作为一个线性研究传感器动态特性时，常将它当作为一个线性系统来处理。对于线性定常（时不变）系统，其数系统来处理。对于线性定常（时不变）系统，其数学模型为高阶常系数线性微分方程，即：学模型为高阶常系数线性微分方程，即： 式中：式中：t 为时间，为时间，y(t)为传感器输出，为传感器输出， x(t)为传感器输入。为传感器输入。 只要对上式微分方程求解，便可得到动态响应及动态性只要对上式微分方程求解，便可得到动态响应及动态性能指标。能指标。（1.14）第33页/共92

13、页1111011110( )( )( )mmmmnnnnb sbsb sby sHsx sa sasa sa 正弦输入下传感器的动态特性（即频率特性）为：正弦输入下传感器的动态特性（即频率特性）为： 11101110()()()()()()()()()mmmmnnnnbjbjbjbyjHjxjajajaja3、传递函数、传递函数 动态特性的传递函数，在线性（或线性化）动态特性的传递函数，在线性（或线性化）定常系统中是指：初始条件为定常系统中是指：初始条件为0时，系统输出量的时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。（1.15）（1.16）第34页/共92页

14、00byxkxa（1.17）（1.18）（1.19）第35页/共92页100d yaaybxd t5、一阶传感器的动态特性、一阶传感器的动态特性（1）一阶传感器的微分方程）一阶传感器的微分方程（2）一阶传感器的传递函数）一阶传感器的传递函数( )( )( )1YskHsXss（3 3）一阶传感器的频率特性）一阶传感器的频率特性 1)(）（jkjH（1.20）（1.22）（1.25）第36页/共92页 相频特性为相频特性为： （）-arctan-arctan（） A（）（a）幅频特性（）（b）相频特性图1.9 一阶传感器的频率响应特性曲线21k)(）（A可以看出：可以看出：时间常数时间常数越小，

15、频率响应特性越好。越小，频率响应特性越好。（1.26）（1.27）第37页/共92页221002d ydyaaa yb xdtdt（2 2）二阶传感器的瞬态响应）二阶传感器的瞬态响应 2002202)()()(ssksXsYSH k k 静态灵敏度，静态灵敏度，k =k = b0 / a0； 0 传感器无阻尼时的固有频率，传感器无阻尼时的固有频率， 传感器阻尼系数，传感器阻尼系数，200aa2012aaa（1.28）（1.29）第38页/共92页y（t）nt 1为临界阻尼，响应时间最短；为临界阻尼，响应时间最短； 1为过阻尼，无超调也无振荡，但反应迟钝，动作缓慢，达到稳态为过阻尼，无超调也无振

16、荡，但反应迟钝，动作缓慢，达到稳态所需的时间较长；所需的时间较长； 1为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态所需的时间随着为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态所需的时间随着减少而加长。减少而加长。 0，零阻尼，超调量为零阻尼，超调量为100，产生等幅振荡，达不到稳态。，产生等幅振荡，达不到稳态。 实际设计和使用中，实际设计和使用中，阻尼比取阻尼比取0.60.8。 当单位阶跃信号输入二当单位阶跃信号输入二阶系统时，其输出响应如右阶系统时，其输出响应如右图所示。可知：图所示。可知：传感器的响传感器的响应在很大程度上取决于阻尼应在很大程度上取决于阻尼比比和固有频率和固有频率0。第39页/共92页第40页/共92页21

17、00()1 ()2H jj2120220)2()(1)(A2()arctan(2) /1() nn （1.32）（1.33）（1.34）第41页/共92页A（）/0(a) 幅频特性图1.13 二阶传感器的频率响应特性曲线（）(b) 相频特性/0 传感器频率特性主要取决于其固有频率传感器频率特性主要取决于其固有频率0和阻尼比和阻尼比 。 当当 时，时，A ()1，()很小，此时传感器的很小，此时传感器的输出输出y(t)再现输入再现输入x(t)的波形。的波形。 通常固有频率通常固有频率0至少应大于被测信号频率的至少应大于被测信号频率的35倍。倍。第42页/共92页第43页/共92页第44页/共92

18、页第45页/共92页第46页/共92页第47页/共92页第48页/共92页第49页/共92页第50页/共92页第51页/共92页准确度准确度：它反映测量结果中系统误差：它反映测量结果中系统误差的影响程度。的影响程度。精确度精确度：它反映测量结果中系统误差：它反映测量结果中系统误差和随机误差综和随机误差综合的影响程度。合的影响程度。第52页/共92页）（ 36. 1 %100AXA XX绝对误差，绝对误差， A A约定值约定值( (在实际测量中，常用在实际测量中，常用某一被测量多次测量的平均值，或上一级标准仪器测某一被测量多次测量的平均值，或上一级标准仪器测量所得的示值量所得的示值A A代替真值

19、代替真值A A0 0 ，A A 称为约定真值。称为约定真值。) )第53页/共92页）（ 37. 1 %100XXX 其中：其中：X绝对误差绝对误差 X 仪器示值仪器示值3、引用误差（满量程相对误差、引用误差（满量程相对误差）（ 38. 1 %100FSFXX其中：其中： X绝对误差绝对误差 XFS 仪器满度值仪器满度值 当当X 取最大值时的满量程相对误差，常用来表示仪表的精度取最大值时的满量程相对误差，常用来表示仪表的精度等级。国家规定电工仪表精确度等级分为等级。国家规定电工仪表精确度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。七级。 如如0.20.2级表的引用误差最

20、大值级表的引用误差最大值0.2%0.2%。第54页/共92页第55页/共92页ix第56页/共92页图图1.14 剩余误差变化规律剩余误差变化规律0u00nuunn(a)(b)(c) （a a）存在线性系统误差；（存在线性系统误差；（b b）存在周期性系统误差；存在周期性系统误差； （c c）同时存在线性系统误差和周期性系统误差同时存在线性系统误差和周期性系统误差 3）不同公式计算标准误差比较法）不同公式计算标准误差比较法 对等精度测量，可用不同公式计算标准误差，通过比较可对等精度测量，可用不同公式计算标准误差，通过比较可发现系统误差发现系统误差。 第57页/共92页第58页/共92页第59页

21、/共92页21niixniiixxx1)(12nxxnii( 1.42 )第60页/共92页 用用 代替代替A0 产生的产生的算术平均值的标准误差为算术平均值的标准误差为 x / n 测量结果可表示为测量结果可表示为 或或 xxi3 xxi 均方根误差均方根误差的物理意义的物理意义: : 随机误差出现在随机误差出现在+ +范围内的概率是范围内的概率是68.368.3，出现在，出现在- -3 3+ +33范围内的概率是范围内的概率是99.799.7。3 3是置信限，大于是置信限，大于3 3的随机误差被认为是粗大误差，的随机误差被认为是粗大误差，则该测量结果无效，此数据予以剔除。则该测量结果无效，

22、此数据予以剔除。 ( 1.43 )第61页/共92页第62页/共92页第63页/共92页第64页/共92页第65页/共92页ty(t)kAAx(t)ty(t)x(t)一阶传感器63.2% 1）一阶传感器）一阶传感器时间常数时间常数的确定的确定 对于一阶传感器，当输入为幅值为对于一阶传感器，当输入为幅值为A的阶跃函数时，其的阶跃函数时，其输出可以求出为：输出可以求出为： )e(1)(t/ kAty（1.44）第66页/共92页t/ey(t)/(kA)1 令：令：Z Z-t/-t/，可见与，可见与t t成线性关系，而且：成线性关系，而且： y(t)/(kA)ln1Z 因此，根据测得的输出信号因此，

23、根据测得的输出信号y(t)y(t)作出作出t t曲线，则：曲线，则： - - t/t/Z Z。这种方法考虑了瞬态响应的全过程。并且可根。这种方法考虑了瞬态响应的全过程。并且可根据据Z- tZ- t曲线与直线的符合程度来判断传感器接近一阶系统的程度。曲线与直线的符合程度来判断传感器接近一阶系统的程度。（1.45）（1.46）第67页/共92页10y(t)/y()tptptsy()第68页/共92页 )/y(ln( 112p 1122d0pt(1.49) )/ln(n4112n)p(ipi22 也可从传感器阶跃响应曲线上，测得相隔也可从传感器阶跃响应曲线上，测得相隔n个周期的任个周期的任意两个过冲量意两个过冲量pi 和和 p（i+n) ，然后代入下式计算，然后代入下式计算：（1.47）（1.48）第69页/共92页（2 2）正弦信号响应法）正弦信号响应法 -3dB20lgA()01/第70页/共92页0rrA0rAA /A0(1.50) 121AA20r(1.51) 212r0第71页/共92页 )A(C)(2Y）(1.52 Y(C1A()第72页/共92页第73页/共92页5-砝码 6-加力活塞 7-测力液压缸 8-导管图1.16 液压式测力机工作原理1-传感器 2-工作活塞 3-液压缸 4-液体876534211-支架 2-传感器