第一章 传感器的概念及特性精选PPT.ppt

第一章 传感器的概念及特性第1页，本讲稿共37页 敏感元件敏感元件(或称预变换器，也统称弹性敏感元件或称预变换器，也统称弹性敏感元件)将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。种非电量变换成电量。弹性敏感元件是传感器的心脏部分，它常由金属或非弹性敏感元件是传感器的心脏部分，它常由金属或非金属材料做成，当承受外力作用时，它会产生弹性变形；金属材料做成，当承受外力作用时，它会产生弹性变形；当去除外力后，弹性变形消失并能完全恢复其原来的尺当去除外力后，弹性变形消失并能完全恢复其原来的尺寸和形状。寸和形状。2 传感器的组成第2页，本讲稿共37页 传感元件传感元件 凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电量的器件称为传感元件（或称变换元件）。换为电量的器件称为传感元件（或称变换元件）。如应变计、压电晶体、压磁式器件、光电元件及热电偶等。传如应变计、压电晶体、压磁式器件、光电元件及热电偶等。传感元件是利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。感元件是利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。说明说明:并不是所有的传感器都包括敏感元件和传感元件两部分。并不是所有的传感器都包括敏感元件和传感元件两部分。如如热敏电阻、光电器件等。合二为一的传感器：如固态压阻式压力传感热敏电阻、光电器件等。合二为一的传感器：如固态压阻式压力传感器等。器等。第3页，本讲稿共37页按输入量分：传感器以按输入量分：传感器以被测物理量被测物理量的命名的命名按工作原理分：传感器以按工作原理分：传感器以工作原理工作原理命名命名3 传感器的分类传感器的分类第4页，本讲稿共37页例如：气体压力传感器例如：气体压力传感器 由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一。直接能将被测量转换为件与转换元件二合一。直接能将被测量转换为电量输出。电量输出。压电传感器、光电池。热敏电阻等。压电传感器、光电池。热敏电阻等。膜盒差动电感电桥电路气体压力传感器组成框图PSLU0第5页，本讲稿共37页mVTT0BA热电偶IhfG光电池f+Q压电传感器RRTR0RU0Ui热敏电阻传感器第6页，本讲稿共37页人与机器的机能对应关系图人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器传感器的作用和地位第7页，本讲稿共37页传感器技术的发展方向新现象、新材料、新工艺、智能化传感器第8页，本讲稿共37页传感器实例温度传感器温度传感器 压力传感器压力传感器第9页，本讲稿共37页 液位传感器第10页，本讲稿共37页传感器的特性传感器的特性静态特性：输入量为常量或变化极慢时传感器输入输出特性。动态特性：输入量随时间变化时的传感器的输入输出特性。第11页，本讲稿共37页传感器的静态特性 传感器的静态特性：通过静态标定，可得到测量系统的响应值yi和激励值xi之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。传感器的静态特性可以用一个多项式方程表示，即 称为传感器的静态数学模型第12页，本讲稿共37页传感器的静态特性传感器的静态特性静态特性主要指标静态特性主要指标线性度迟滞重复性灵敏度和灵敏度误差分辨率和阈值稳定性温度稳定性抗干扰能力静态误差第13页，本讲稿共37页非线性误差：非线性最大偏差：满量程输出一、线性度定义：在采用直线拟合线性化时，输入输出的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，称为非线性误差。第14页，本讲稿共37页（3）端点连线（2）过零旋转拟合（1）理论拟合（4）端点平移线第15页，本讲稿共37页（5）最小二乘直线拟合最小二乘直线拟合基本含义：基本含义：直线方程的形式为直线方程的形式为y y=kx+b，且对于各个且对于各个标定点（标定点（xi，yi）偏差的平方和最小的直线；）偏差的平方和最小的直线；计算方法：n个测量点（xi，yi），第i个校准数据yi与拟合直线上相应值之间的残差为根据平方和最小原理即从而求得k和b的值为最小值，即第16页，本讲稿共37页二、迟滞迟滞特性曲线迟滞：亦称滞后量、滞后或回程误差，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两者静态特性不一致的程度。显然,越小,迟滞性能越好第17页，本讲稿共37页三、重复度重复特性重复性：表示测量系统在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次(三次以上)测量时，对于同一个激励量其测量结果的不一致程度。第18页，本讲稿共37页 灵敏度灵敏度：是仪器在静态条件下响应量的变化是仪器在静态条件下响应量的变化y和和与之相对应的输入量变化与之相对应的输入量变化x的比值。的比值。四、灵敏度和灵敏度误差若K为常数，线性传感器。灵敏度误差：第19页，本讲稿共37页量程：测量上限值与下限值的代数差称为量程。测量范围：测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量（上限）之间的范围称为测量范围。S00 xS0S0%五、量程及测量范围第20页，本讲稿共37页 分辨率是指测量系统能测量到输入量最小变化分辨率是指测量系统能测量到输入量最小变化的能力。的能力。六、分辨率与阈值为了保证测量系统的测量准确度，工程上规定：测量系统的分辨率应小于允许误差的1/3,1/5或1/10。可以通过提高仪器的敏感单元的增益的方法来提高分辨率。测量仪器必须有足够高的分辨率。阈值(死区值)的概念简介第21页，本讲稿共37页七、稳定性八、温度稳定性传感器在外界温度变化情况下输出量的变化。传感器在长时间工作情况下输出量的变化第22页，本讲稿共37页 测量系统的动态特性是指系统对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好的测量系统，其输出随时间变化的规律（变化曲线），将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。传感器的动态特性時域：瞬态响应法，采用阶越、脉冲和斜坡函数分析方法频域：频率响应法第23页，本讲稿共37页典型测量系统的动态特性及分析 测量系统的种类和形式很多，一般可以简化为一阶或二阶系统。1典型一阶系统的动态响应 在工程上，将视为一阶测量系统的微分方程的通式，可改写为 第24页，本讲稿共37页式中式中 具有时间的量纲，称为系统的时间具有时间的量纲，称为系统的时间 系统的灵敏度系统的灵敏度s s，具有输出，具有输出/输入的量纲。输入的量纲。常数，一般记为 ；传递函数为：第25页，本讲稿共37页 典型例：图2-7所示的由弹簧阻尼器组成的机械系统其微分方程为或 式中式中 k k弹性刚度；弹性刚度；c c阻尼系数；阻尼系数；时间常数，时间常数，=c/k=c/k 。第26页，本讲稿共37页(a)幅频特性；(b)相频特性。21.010520.11.00.70.50.50.40.30.20.20.110521.00.50.20.1-80-60-40-200()A()当 时：，表明测量系统输出与输入为线性关系；很小，相位差与频率 呈线性关系。频域分析第27页，本讲稿共37页一阶系统的零输入响应一阶系统的冲激响应时域分析自学一阶系统的阶越响应一阶系统的阶越响应单位阶跃信号方程的零状态响应一阶系统的阶跃响应解为：第28页，本讲稿共37页2典型二阶测量系统的频率响应二阶测量系统的微分方程通式 传递函数：频率响应函数：幅频特性：相频特性：第29页，本讲稿共37页典型例：图2-9所示弹簧质量阻尼系统其微分方程为改写为 第30页，本讲稿共37页 式中式中 m m系统运动部分的质量；系统运动部分的质量；c c阻尼系数；阻尼系数；k k弹簧刚度；弹簧刚度；系统的固有圆频率；系统的固有圆频率；系统的阻尼比系数系统的阻尼比系数 c cc c临界阻尼系数，临界阻尼系数，。动态特性讨论：图2-10为二阶测量系统的频率响应特性曲线。可见系统的频率响应特性好坏，取决于系统的固有频率 和阻尼比 。第31页，本讲稿共37页频域分析第32页，本讲稿共37页（1）1，时，幅频特性平直，输出与输入为线性关系；很小，与 为线性关系。系统的输出y(t)真实准确地再现输入x(t)的波形，这是测试设备应有的性能。结论：为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形，在传感结论：为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形，在传感器设计或测量系统设计时，必须使其阻尼比器设计或测量系统设计时，必须使其阻尼比 1 1，固有圆频，固有圆频率率 至少应大于被测信号频率至少应大于被测信号频率 的（的（3 35 5）倍，即）倍，即 (3 (35)5)。第33页，本讲稿共37页时域响应二阶系统的零输入响应二阶系统的零输入响应二阶系统的冲激响应二阶系统的冲激响应自学二阶系统的阶越响应二阶系统的阶越响应二阶系统的阶跃响应第34页，本讲稿共37页传感器选择减小误差的方法 一阶系统：时间常数 的选取原则。一般的讲，时间常数 越小越好 二阶系统：、选取原则。、两参数要正确、合理的选择，一般地，要尽可能大，选择在0.60.8之间第35页，本讲稿共37页作业1.何为传感器静态特性？静态特性主要技术指标有哪些？2.何为传感器动态特性？动态特性主要技术指标有哪些？3.已知某二阶系统传感器的自振频率f0=20kHz,阻尼比 =0.1,若要求该系统的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。4.有一个传感器，其微分方程为有一个传感器，其微分方程为 ，其中其中 y输出电压（输出电压（mV），），x为输入温度（为输入温度（）,试求传感器的时间常数和静态灵敏度试求传感器的时间常数和静态灵敏度k。5.某力传感器为一典型的二阶振荡系统，已知该传感器的自振频率f0=1000Hz，阻尼比 ，试求用它测量频率为600Hz的正弦交变力时，其输出与输入幅值比 和相位差 各为多少？6.某压力传感器的标定数据如表1所列。分别求以端点连线、端点连线平移线、最小二乘直线作为参考工作直线的线性度、迟滞误差及重复性。第36页，本讲稿共37页表1 某压力传感器标定数据X压力/MPa系统输出/mV第一轮第二轮第三轮正行程反行程正行程反行程正行程反行程0-2.74-2.72-2.71-2.68-2.68-2.670.020.560.660.610.680.640.690.043.954.053.994.094.024.110.067.397.497.427.527.457.520.0810.8810.9410.9210.8810.9410.990.1014.4214.4214.4714.4714.4614.46第37页，本讲稿共37页