第1章传感器概述-《传感器技术与应用》课件.ppt

第1章 传感器技术与应用概述第第1章章 传感器技术与应用概述传感器技术与应用概述1.1 传传感器的定感器的定义义、组成及分类、组成及分类1.2 传感器的特性传感器的特性1.3 传感器的标定传感器的标定1.4 传感器技术与应用的发展方向传感器技术与应用的发展方向1.5 传感器工程应用系统典型结构传感器工程应用系统典型结构返回主目录第1章 传感器技术与应用概述1.1 传感器的定义传感器的定义、组成及分类、组成及分类1.1.1 传感器的定义传感器的定义 一般地说，凡是能够把规定的被测量（如物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信息输出的器件或装置，统称为传感器。目前广泛使用的传感器，其输出都是电量。因此，有人又把传感器狭义地定义为：能把非电量信息转换成电量信息输出的器件或装置。第1章 传感器技术与应用概述1.1.2 传感器的组成传感器的组成 传感器的一般组成如图1-1所示，它主要有敏感元件、测量转换电路及壳体构成。第1章 传感器技术与应用概述1.1.3 传传感器的分感器的分类类目前常见的分类方法有两种：一种是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、电感式、压电式等；另一种是按被测参数分类，如温度、压力、流量、位移、速度等。为了使初学者了解工程上各种各样的被测参数，学会如何合理选择和使用传感器，提高实际应用能力，本课程也是按后一种分类方法来叙述传感器及工程应用的。第1章 传感器技术与应用概述第1章 传感器技术与应用概述(1-1)式中：a0 输入量x为零时的输出量；a1 线性项系数；a2，a3，an非线性项系数。2.2.传感器的静态特性指标传感器的静态特性指标 传感器的静态特性是指被测量处于静态时，传感器的输出与输入之间关系曲线的特征。传感器的静态特性指标比较多，常用的静态特性指标主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。第1章 传感器技术与应用概述(1)线性度 传感器的线性度是指传感器实际静态特性曲线的线性程度。线性度也称为非线性误差。为了标定和使用的方便，常用它的拟合直线来近似地代表实际静态特性曲线，如1-2所示，这种方法称为传感器非线性特性的线性化。第1章 传感器技术与应用概述 传感器的线性度是指实际静态特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS的百分比，用L来表示，即(1-2)由此可知，线性度是以拟合直线为基准直线计算出来的，拟合方法不同，其线性度也不一样。第1章 传感器技术与应用概述第1章 传感器技术与应用概述(2)灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在静态下输出变化量y与引起它相对应的输入变化量x之比。用k表示，即(1-3)第1章 传感器技术与应用概述 显然，线性传感器的灵敏度k是一个常数，可直接表示为k=y/x，如图1-4(a)所示；非线性传感器的灵敏度k是一个变量，可表示为k=dy/dx，如图1-4(b)所示。第1章 传感器技术与应用概述第1章 传感器技术与应用概述 迟滞的大小一般由实验确定，其值定义为在满量程范围内，正、反行程间的最大误差Hmax与满量程输出值YFS的百分比，用H表示，即第1章 传感器技术与应用概述第1章 传感器技术与应用概述 它定义为正、反行程输出多次重复测量时不重复误差的最大值R1max和R2max中较大者Rmax与满量程输出值YFS的百分比，用R来表示，即 式中：Rmax=maxR1max，R2max。第1章 传感器技术与应用概述1.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性 1.传感器的动态数学模型传感器的动态数学模型 传感器的动态数学模型是描述传感器的输出与输入之间动态关系的数学表达式。一般都可以用下面的一个n阶线性常微分方程来描述：(1-6)式中：输入信号；输出信号；ai、bj（i=0,1,n，j=0,1,m）是常系数。第1章 传感器技术与应用概述第1章 传感器技术与应用概述v比例比例(放大放大)传感器传感器 在传感器的动态数学模型中，如果除了a0和b0之外，其他系数均为零，则微分方程式(1-6)变成：(1-9)传递函数(1-8)变成：(1-10)式中：k=b0/a0称作传感器的静态灵敏度或比例(放大)系数。通常将具有该数学模型的传感器称作比例(放大)传感器。第1章 传感器技术与应用概述v一阶传感器一阶传感器 如果传感器动态数学模型除了a0、a1和b0之外，其他系数均为零，则微分方程式(1-6)变成：(1-11)传递函数(1-8)变成：(1-12)式中：T=a1/a0称作传感器的时间常数；k=b0/a0称作传感器的静态灵敏度或放大系数。具有该数学模型的传感器称作一阶传感器。第1章 传感器技术与应用概述v二阶传感器二阶传感器(1-13)传递函数(1-8)变成：(1-14)式中：k=b0/a0称作传感器的静态灵敏度或放大系数；称作传感器的阻尼比；称作传感器的固有角频率。具有该数学模型的传感器称作二阶传感器。如果传感器动态数学模型除了a0、a1、a2和b0之外，其他系数均为零，则微分方程(1-6)变成：第1章 传感器技术与应用概述v标准一阶传感器的单位阶跃响应标准一阶传感器的单位阶跃响应(1-15)2.传感器的时域特性传感器的时域特性 在一阶传感器的微分方程式(1-11)中，令k=1，则称作标准一阶传感器，标准一阶传感器的微分方程如下所示若输入x(t)为单位阶跃信号，如图1-7(a)所示，即第1章 传感器技术与应用概述 假定输入为零时，传感器的输出为零，则求解微分方程(1-15)得标准一阶传感器的单位阶跃响应为 (t0)(1-16)画出式(1-16)的图像曲线如图1-7(b)所示。第1章 传感器技术与应用概述第1章 传感器技术与应用概述当时，将 代入式(1-18)得(1-19)当时，求解微分方程(1-17)得(1-20)当时，求解微分方程(1-17)得(1-21)第1章 传感器技术与应用概述 对应于不同值的二阶系统单位阶跃响应曲线族如图1-8所示，由于横坐标是无量纲变量 ，所以曲线族只与有关。由图1-8可见，值过大或过小都不易快速地达到稳态值1.0。由理论分析可知，当=0.707，传感器系统接近稳态值的平稳性和快速性最理想，故称=0.707为最佳阻尼比。为此传感器通常设计成欠阻尼系统，取值在0.60.8之间比较适宜。图图1-8 二阶系统的单位阶跃响应曲线二阶系统的单位阶跃响应曲线第1章 传感器技术与应用概述v传感器的时域动态特性指标传感器的时域动态特性指标如图1-9所示。表征时域动态特性的主要指标有：上升时间tr；调节时间ts；峰值时间tp；超调量p：(1-22)第1章 传感器技术与应用概述第1章 传感器技术与应用概述其幅频特性为(1-25)相频特性为(1-26)对数幅频特性表达式为(1-27)第1章 传感器技术与应用概述 横坐标取对数坐标，纵坐标分别表示对数幅频201g|G(j)|及相频()，则一阶传感器的对数幅频、相频特性曲线如图1-10所示。第1章 传感器技术与应用概述第1章 传感器技术与应用概述其幅频特性为(1-30)相频特性为(1-31)对数幅频特性表达式为(1-32)第1章 传感器技术与应用概述 二阶传感器的对数频率特性和相频特性曲线族如图1-11所示。第1章 传感器技术与应用概述v传感器的频域特性指标传感器的频域特性指标如图1-12所示，表征频域特性的主要指标有：零频幅值A0；峰值Am；频带b；相频宽b。图图1-12传感器的频域特性指标传感器的频域特性指标第1章 传感器技术与应用概述1.3 传感器的标定传感器的标定 利用一定等级的仪器及设备产生已知的标准非电量（如标准压力、加速度、位移等）作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量；然后绘制出它的一系列输入输出特性曲线（称为标定曲线）；再通过对曲线的分析处理，得到传感器特性的过程称作传感器的标定。其标定分为静态特性标定和动态特性标定两种。第1章 传感器技术与应用概述1.3.1传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定传感器的静态标定步骤如下：将待标定的传感器与标定所需仪器及设备连接好；将传感器全量程分为若干等份，从小到大逐步加载，记录待标定传感器在各输入点的输出稳定值，直到满量程为止；按上述过程，对传感器进行多次往复循环测试，将得到输出-输入测试数据组，用表格列出或画成曲线；对数据进行必要的处理，根据处理结果就可以得到传感器的灵敏度、线性度、重复性和迟滞等静态特性指标。第1章 传感器技术与应用概述1.3.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定 传感器的动态特性标定主要时域标定和频率标定两种。v传感器的时域标定步骤传感器的时域标定步骤将待标定的传感器与标定所需仪器及设备连接好；用标准仪器产生一个接近理想的单位阶跃信号，加到传感器输入端，用双踪示波器或记录仪记录待标定传感器的输出波形；对传感器输出波形进行分析处理，得到它的真实输出波形；根据真实输出波形就可以得到传感器的各个时域指标，如超调量p、上升时间tr、过度时间ts等等。第1章 传感器技术与应用概述v传感器的频域标定步骤传感器的频域标定步骤将待标定的传感器与标定所需仪器及设备连接好；用标准仪器产生一个接近理想的振幅为1的正弦信号，加到传感器输入端，用双踪示波器或记录仪记录待标定传感器的输出波形；保持输入信号的振幅不变，逐次改变输入信号的频率，测出传感器一系列的输出波形的振幅和对输入的相位差角；根据上面的测量数据，画出传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线图，就可以得到传感器的各个频域指标，如峰值Am、频带b、相频宽b等等。第1章 传感器技术与应用概述1.4 传感器技术与应用的发展方向传感器技术与应用的发展方向1.4.1 传感器技术的发展方向传感器技术的发展方向v发现新现象v开发新材料 v研发集成传感器 v研发数字式传感器v研发仿生传感器 v提高现有传感器的分辨率、精度、稳定性、可靠性 第1章 传感器技术与应用概述1.4.2 传感器应用的发展方向传感器应用的发展方向v智能化 将微电子技术、微型计算机技术、传感器技术等多种技术结合在一起，构成新一代智能化的自动检测控制系统是今后一段时期传感器发展的一个方向。v数字化 将传感器和单片机嵌入式系统组合在一起，构成各种各样的自动检测辨识系统也是今后传感器应用的发展方向。v网络化将各种各样的传感器与互联网有机的结合在一起，构成物联网，以实现物物相联也是传感器今后发展的方向。第1章 传感器技术与应用概述1.5 传感器工程应用系统典型结构传感器工程应用系统典型结构 传感器工程应用系统的典型结构主要有两种，一种是测量显示系统，另一种是检测控制系统。1.5.1 测量显示系统的结构测量显示系统的结构 测量显示系统是指对被测对象的特征量进行测量、传输、处理及显示的系统。测量显示系统又有开环测量显示系统和闭环测量显示系统之分。第1章 传感器技术与应用概述v开环测量显示系统开环测量显示系统 开环测量显示系统的结构如图1-13所示。它的全部信息走向只沿着一个方向进行，其中x(t)为被测量，也称作输入量，y(t)为输出量。变送器是将微弱信号放大成标准电信号的设备。信号处理是将信号进行处理和变换成便于显示和记录。显示装置将被测量信息变换成人的感官能接受的信号形式,以达到监视、控制或分析的目的。第1章 传感器技术与应用概述v闭环测量显示系统闭环测量显示系统 闭环测量显示系统结构如图1-14所示。它有两个通道，信号从左向右的通道为正向通道，信号从右向左的通道为反馈通道，其中x1(t)为传感器的输出量，x为正向通道的输入量，y(t)既是正向通道的输出量也是反馈通道的输入量，xf为反馈通道的输出量，且 x(t)=x1(t)xf(t)(1-34)第1章 传感器技术与应用概述1.5.2 检测控制系统的结构检测控制系统的结构 目前检测控制系统可分为开环和闭环两种。v开环开环检测控制系统检测控制系统 开环检测控制系统的结构如图1-15所示。它的特点是被测对象和受控对象不是同一个，并且全部信息走向只沿着一个方向进行。第1章 传感器技术与应用概述v闭环闭环检测控制系统检测控制系统闭环检测控制系统如图1-16所示。它的特点是被测对象和受控对象是同一个，被测参数和受控参数也是同一个，并且信息走向形成一个封闭的环路，故称作闭环。第1章 传感器技术与应用概述课间休息