传感器原理及工程应用第2章dk课件

2.1传感器的组成和分类

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。又称为敏感元件、检测器、转换器等。传感器的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。传感器组成框图如图所示。信号调理转换电路辅助电源转换元件敏感元件被测量3传感器的分类1)按被测物理量来分，位移、力传感器、温度传感器等。2)按传感器工作原理来分，机械式、电气式、辐射式等。3)按信号变换特征来分，可分为物性型和结构型。物性型:利用敏感器件材料物理性质变化实现信号的检测。结构型:通过传感器本身结构参数变化来实现信号转换的。4)按被测量之间的关系，分为能量转换型和能量控制型。能量转换型(无源传感器)由被测对象输入能量使其工作。(5)按输出量的性质分为模拟式和数字式两种前者输出连续变化的模拟量，而后者输出为数字量。传感器技术是一门知识密集型技术,它与许多学科有关。传感器的原理各种各样，种类繁多(1)电参数传感器①电阻传感器②电容传感器③电感传感器④频率传感器(2)电量温差电动势光电效应辐射电离①电动势电磁感应②电荷霍尔效应压电效应一般采用分类方法:按被测参数分,如温度、压力、位移、速度等;按工作原理分,如应变式、电容式、压电式、磁电式等。一种物理量可以用不同类型的传感器来检测;同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。使用者应先由工作原理了解传感器,对工程上被测参数应着重于合理选择使用传感器。传感器的工程应用是根据工程参数进行的。1、传感器静特性包含哪些主要指标，各有何作用？2、什么是动态特性，什么是动态误差？什么是传感器的基本动态特性方程？3、什么是零阶系统，什么是一阶系统，什么是二阶系统，其动态特性方程如何表示？4、什么是频率响应；什么是阶跃响应？5、瞬态响应特性指标有哪些？频率响应特性指标有哪些？6、传感器的命名与图形代号是怎样规定的？7、传感器的主要性能指标有哪些？本节主要内容与问题8、什么是传感器的标定，如何进行标定？传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量,对参数进行检测和控制,这取决于传感器的基本特性,即输出—输入特性。2.2传感器的基本特性传感器的静态特性:被测值处于稳定状态时输出输入关系传感器可看作二端口网络,即有两个输入端和两个输出端,传感器的输出-输入特性是与内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。2.2.1传感器的静态特性输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度,迟滞和重复性等2．灵敏度

灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值,S=Δy/Δx对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率,S=Δy/Δx为常数,而非线性传感器的灵敏度为一变量,用S=dy/dx表示。传感器的灵敏度如图所示。灵敏度误差：gs=Dk/k×100%3.迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞,如图所示。对于同一大小的输入信号,正反行程输出大小不相等。主要原因:传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的。迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差γH可由下式计算: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,如图所示。重复性误差属于随机误差,常用标准偏差表示,也可用正反行程中的最大偏差表示,即5.静态误差（精度）静态误差是指传感器在全量程内任意点的输出值与理论值的偏离程度。全部校准数据与拟合直线对应值的残差属于随机误差,其标准偏差为静态误差6.阈值与分辨率阈值指传感器从零点增加时，使输出值变化的最小输入值分辨率：传感器能检测到的最小输入增量，可用绝对值和满量程的百分比表示。阈值即零点处的分辨率7.时间漂移、零点与灵敏度温度漂移漂移是表征传感器稳定性的重要指标,可导致测控系统瘫痪1)时间漂移：指传感器零位随时间变化的大小如下计算2)零点温度漂移：3)灵敏度温度漂移：8.多种抗干扰能力动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。2.2.2传感器的动态特性当被测量是时间的函数时,则传感器的输出量也是时间的函数,其关系要用动态特性来表示。动态特性好的传感器,其输出再现输入量的变化规律,即具有相同的时间函数。动态测温的问题。实际上除了具有理想的比例特性外,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。一、传感器的基本动态特性方程传感器的动态特性方程用该方程描述的即称为零阶系统传感器一般可以简化为零阶、一阶或二阶系统1）零阶系统：方程中除a0、b0外其他系数均为零即：k=b0/a0为传感器的静态灵敏度高阶传感器系统可一般分解成若干低阶环节串联。零阶系统具有理想的动态特性，无时间滞后，输出不失真，也称为比例系统。2）一阶系统t=a1/a0为传感器时间常数，具有时间的量纲，时间常数反映传感器惯性大小。传感器的动态特性方程用该方程描述的即称为一阶系统一阶系统也称为惯性系统k=b0/a0为传感器的静态灵敏度，说明其静态精度3)二阶系统称为阻尼系数二阶惯性系统：特征根为两个负实根，相当惯性系统串联二阶振荡系统：特征根为带负实部的共轭复根称为传感器固有频率k=b0/a0为传感器的静态灵敏度传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的,在对传感器动态特性进行分析时，采用最典型、最简单、易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。输入正弦信号称频率响应；输入阶跃信号称阶跃响应动态特性除了与传感器的固有因素有关之外,还与传感器输入量的变化形式有关。二、传感器的动态响应特性在研究传感器动特性时,通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。1.瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。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。这种分析方法是时域分析法。1)一阶传感器的单位阶跃响应在工程上,一般将下式:传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。称一阶传感器单位阶跃响应的通式式中x(t)、y(t),均表征传感器输入输出信号随时间变化一阶传感器的传递函数：对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号x(t)=0t≤01t>0由于x(t)=1(t),x(s)=传感器输出的拉氏变换为:Y(s)=H(s)X(s)=一阶传感器的单位阶跃响应信号为相应的响应曲线如图理论上只在t→∞时才达到稳态值,当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%,认为已达到稳态。τ越小,响应曲线越接近输入阶跃曲线,τ值是一阶传感器重要性能参数2)二阶传感器的单位阶跃响应当k=1时二阶传感器的传递函数:二阶传感器的微分方程为传感器输出的拉氏变换: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ξ和固有频率ωn。ωn由传感器主要结构参数所决定,ωn越高,传感器的响应越快。当ωn为常数时,传感器的响应取决于阻尼比ξ。图为二阶传感器的单位阶跃响应曲线ξ=0,为临界阻尼,超调量为100%,产生等幅振荡,达不到稳态ξ>1,为过阻尼,无超调也无振荡,但达到稳态所需时间较长。ξ<1,为欠阻尼,衰减振荡,达稳态所需时间随ξ减小而加长。ξ=1时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调整,ξ取0.7～0.8为最好。12y(t)wntx=0x>10<x<13)瞬态响应特性指标时间常数τ:一阶传感器时间常数τ越小,响应速度越快延时时间:传感器输出达到稳态值的50%所需时间。上升时间:传感器输出达到稳态值的90%所需时间。峰值时间:传感器输出到达第一个峰值所需时间。超调量:传感器输出超过稳态值的最大值。衰减比:传感器输出第一个峰值与第二个峰值之比。将一阶传感器的传递函数中的s用jω代替后,即可得频率特性表达式,即相频特性Φ(ω)=-arctan(ωτ)幅频特性2.频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性,称为频率响应特性。1)一阶传感器的频率响应频率响应法是从传感器的频率特性出发研究其动态特性。从图可见,时间常数τ越小,频率响应特性越好。一阶传感器的频率响应特性曲线。当ωτ<<1时,A（ω）≈1,Φ（ω）≈0,传感器输出与输入为线性关系,且相位差也很小,y(t)比较真实地反映x(t)的变化规律。因此,减小τ可改善传感器的频率特性。2)二阶传感器的频率响应频率特性表达式为幅频特性表达式为相频特性表达式为二阶传感器的频率响应特性曲线传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率ωn和阻尼比ξ当ξ<1,ωn/ω>>1时,A（ω）≈1,Φ（ω）很小,此时,传感器的输出y(t)再现了输入x(t)的波形。固有频率ωn至少应大于被测信号频率ω的3～5倍,即ωn≥（3～5）ω。为了减小动态误差和扩大频率响应范围,一般是提高传感器固有频率ωn。刚度k增加,会使传感器灵敏度降低。所以在实际中,应综合各种因素来确定传感器的各个特征参数。3)频率响应特性指标1)频带:传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带,对应有上、下截止频率。2)时间常数τ:用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小,频带越宽。3)固有频率ωn:固有频率ωn表征了其动态特性。1、命名2.3.1传感器的命名与图形代号2.3传感器的使用与选型GB7666规定：传感器全称由“主题词+四级修饰语”构成主题词——传感器一级修饰语——被测量二级修饰语——转换原理三级修饰语——特征描述四级修饰语——主要技术指标检索是按正序,如：传感器、位移、应变计式、100mm文字描述是按反序,如：100mm应变计式位移传感器2、代号主称被测量序号转换原理如：应变计式位移传感器CWY-YB-103、图形符号基本符号如图，三角表示敏感元件，矩形表示转换元件被测量符号写入三角内，转换原理符号写入矩形内电气引线由矩形三边垂直引出x*x输入输出x1、可靠性——工作寿命、平均无故障时间、疲劳性能等。2.3.2传感器的性能指标2、静态精度——静态误差、线性度、重复性、灵敏度、稳定性指标等。3、动态性能——固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、临界速度等。4、量程——量程范围、过载能力等。5、抗干扰能力——抗外界电磁波、振动、冲击、速度、噪声干扰能力等。6、外形尺寸——使用者设计安装依据。7、通用性、性价比、能耗。8、对被测对象的影响。传感器的标定：利用标准器具对传感器进行标度称为标定传感器的校验：对使用的传感器进行性能复测称为校验传感器的标定与校验均是通过实验建立传感器输入量与输出量之间的关系并确定其误差范围基本方法是利用标准设备产生已知的非电量作为输入量，输入待测传感器，得出输出量，获得标定曲线传感器的标定分为静态与动态两种2.3.3传感器的标定与校验2、标定仪器设备精度标定仪器设备精度必须高于被标定传感器一个等级以上3、静态特性的标定方法1）将传感器全量程分成若干个等间距点2）由小到大逐增输入标准量记录相应输出值3）由大到小逐减输入标准量记录相应输出值4）重复2)-3),循环多次测量将相应输入输出值列表5）对测量数