第三讲传感器的基本知识课件.ppt

第三讲传感器的基本知识第1页，此课件共41页哦包含的概念：传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是 化学量、生物化学量、生物量等；量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。第2页，此课件共41页哦 传感器及基本特性传感器及基本特性 一、传感器的组成一、传感器的组成 1-弹簧管弹簧管 2-电位器电位器图图1-4传感器组成框传感器组成框图图举例：测量压力的电位器式压力传感器 第3页，此课件共41页哦弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。第4页，此课件共41页哦弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角位移第5页，此课件共41页哦弹簧管放大图弹簧管放大图 当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。第6页，此课件共41页哦压力传感器的压力传感器的外形及内部结构外形及内部结构第7页，此课件共41页哦被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量 在右图中在右图中，电位器为电位器为传感元件，它传感元件，它将角位移转换将角位移转换为电参量为电参量-电阻的变化电阻的变化（R）第8页，此课件共41页哦 360360度圆盘形电位器度圆盘形电位器 右图所示右图所示的的360度圆盘度圆盘形电位器的中形电位器的中间焊片为滑动间焊片为滑动片，右边焊片片，右边焊片接地，左边焊接地，左边焊片接电源片接电源。接地接地第9页，此课件共41页哦 测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。成易于处理的电压、电流或频率量。成易于处理的电压、电流或频率量。成易于处理的电压、电流或频率量。在左图中，当电位器在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定的输出量是与压力成一定关系的电压关系的电压Uo。第10页，此课件共41页哦分压比电路的计算公式如下分压比电路的计算公式如下：直直滑滑电电位位器器式式传传感感器器的的输输出出电电压压Uo与与滑滑动动触触点点C的的位移量位移量x成正比：成正比：对圆盘式电位器来说，对圆盘式电位器来说，Uo与与滑动臂的旋转角度成正比：滑动臂的旋转角度成正比：第11页，此课件共41页哦物理型传感器：物理基础的基本定律。场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律构成原理结构型:物理学中场的定律物性型:物质定律能量转换能量控制型能量转换型二、传感器分类二、传感器分类传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。工作机理：物理型、化学型、生物型第12页，此课件共41页哦按被按被测测量分量分类类：可可分分为为位位移移、力力、力力矩矩、转转速速、振振动动、加加速速度度、温度、温度、压压力、流量、流速等力、流量、流速等传传感器。感器。按按测测量原理分量原理分类类：可可分分为为电电阻阻、电电容容、电电感感、光光栅栅、热热电电耦耦、超超声波、激光、声波、激光、红红外、光外、光导纤维导纤维等等传传感器。感器。我我们课们课程主要采用第二种分程主要采用第二种分类类法。法。第13页，此课件共41页哦三、传感器基本特性三、传感器基本特性 传感器的特性一般指输入、输出特性传感器的特性一般指输入、输出特性。一般分为一般分为静态特静态特性性和和动态特性。动态特性。静特性：输入量为常量，或变化极慢动特性：输入量随时间较快地变化时输出与输入间关系 微分方程微分方程微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，可得到静特性静特性（动特性的特例）表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系，希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。第14页，此课件共41页哦 其静态特性主要包括：灵敏度、分辨力、线性度、稳定度、电磁兼容性、可靠性等。输 出 量输 入 量零点输出理论灵敏度非线性项系数第15页，此课件共41页哦灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态下输出量的变化灵敏度是指传感器在稳态下输出量的变化与引起此变化的输入量之比，用与引起此变化的输入量之比，用K 来表示：来表示：表征传感器对输入量变化的反应能力第16页，此课件共41页哦(a)线性传感器 (b)非线性传感器 第17页，此课件共41页哦分辨力：分辨力：指传感器能检出被测信号的最小变化量。当指传感器能检出被测信号的最小变化量。当指传感器能检出被测信号的最小变化量。当指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。变化无任何反应。变化无任何反应。变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。大绝对误差。大绝对误差。大绝对误差。第18页，此课件共41页哦线性度：线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比。感器满量程输出的百分比。非线性误差越小越好非线性误差越小越好 。线性度。线性度的计算公式如下：的计算公式如下：第19页，此课件共41页哦作图法求线性度演示 （1 1拟合曲线拟合曲线拟合曲线拟合曲线 2 2 2 2实际特性曲线实际特性曲线实际特性曲线实际特性曲线 ）第20页，此课件共41页哦直线拟合线性化出发点出发点 获得最小的非线性误差获得最小的非线性误差拟合方法拟合方法：理论拟合；过零旋转拟合；端点连线拟合；端点连线平移拟合；最小二乘拟合；第21页，此课件共41页哦理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说 较大xyLmax第22页，此课件共41页哦过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使xyL2L1第23页，此课件共41页哦端点连线拟合l把输出曲线两端点的连线作为拟合直线把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyLmax第24页，此课件共41页哦端点连线平移拟合l在端点连线拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移动基础上使直线平移，移动距离为原先的一半距离为原先的一半yxLmaxL1第25页，此课件共41页哦最小二乘拟合原理:第26页，此课件共41页哦最小二乘拟合方法xy=kx+by第27页，此课件共41页哦 可靠性可靠性 ：可靠性是反映检测系统在规定的条件可靠性是反映检测系统在规定的条件可靠性是反映检测系统在规定的条件可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。浴盆浴盆曲线曲线第28页，此课件共41页哦 “老化老化”试验：试验：在检测设备通电的情况下，将之放置在检测设备通电的情况下，将之放置在检测设备通电的情况下，将之放置在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境于高温环境于高温环境于高温环境 低温环境低温环境低温环境低温环境 高温环境高温环境高温环境高温环境反复循环。老化反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低之后的系统在现场使用时，故障率大为降低 。老化老化试验台试验台第29页，此课件共41页哦 迟滞：迟滞：传传感感器器在在正正（输输入入量量增增大大）反反（输输入入量量减减小小）行行程程期期间间其其输输出出-输输入入特特性性曲曲线线不不重重合合的的现现象象称称为为迟迟滞滞,如如图图 2-4 所所示示。也也就就是是说说,对对于于同同一一大大小小的的输输入入信信号号,传传感感器器的的正正反反行行程程输输出出信信号号大大小小不不相相等等。产产生生这这种种现现象象的的主主要要原原因因是是由由于于传传感感器器敏敏感感元元件件材材料料的的物物理理性性质质和和机机械械零零部部件件的的缺缺陷陷所所造造成成的的,例例如如弹弹性性敏敏感感元元件件的的弹弹性性滞滞后后、运运动动部部件件摩摩擦擦、传传动动机机构构的的间隙、紧固件松动等。间隙、紧固件松动等。迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差H可由下式计算可由下式计算:第30页，此课件共41页哦第31页，此课件共41页哦%100maxDH=HFSYr式中:Hmax正反行程输出值间的最大差值。重复性：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 2-5 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 第32页，此课件共41页哦%100)32(=FSRYrs第33页，此课件共41页哦%10021maxD=FSRYRr第34页，此课件共41页哦5.零点漂移 l传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移间工作稳定性或零点漂移零漂 式中Y0最大零点偏差；YFS 满量程输出。第35页，此课件共41页哦6、温漂 l传感器在外界温度下输出量发出的变化传感器在外界温度下输出量发出的变化温漂 式中max 输出最大偏差；T 温度变化范围；YFS 满量程输出。第36页，此课件共41页哦 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。输入量的能力。研研究究传传感感器器的的动动态态特特性性主主要要是是从从测测量量误误差差角角度度分分析析产生动态误差的原因以及改善措施。产生动态误差的原因以及改善措施。时域时域时域时域：瞬态响应法：瞬态响应法频域频域频域频域：频率响应法：频率响应法 第37页，此课件共41页哦1.瞬态响应特性 在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。号的响应称为瞬态响应。理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。第38页，此课件共41页哦2.频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性频率响应法频率响应法频率响应法频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。的动态特性。（1）零阶传感器的频率特性）零阶传感器的频率特性（2）一阶传感器的频率特性）一阶传感器的频率特性（3）二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性（4）频率响应特性指标）频率响应特性指标 第39页，此课件共41页哦频率响应特性指标 频带频带频带频带 传传感感器器增增益益保保持持在在一一定定值值内内的的频频率率范范围围，即即对对数数幅幅频频特特性性曲曲线线上上幅幅值值衰衰减减3dB时时所所对对应应的的频频率率范范围围，称称为为传传感感器器的的频频带带或或通通频频带带，对对应应有有上、下截止频率。上、下截止频率。时间常数时间常数时间常数时间常数 用时间常数用时间常数来表征一阶传感器的动态特性，来表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越宽。越小，频带越宽。固有频率固有频率固有频率固有频率 n n 二阶传感器的固有频率二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。表征了其动态特性。第40页，此课件共41页哦休休 息息 一一 下下第41页，此课件共41页哦