第一章-绪论及传感器基本概念.ppt

第一章 绪论及传 感 器 概 述 第二节 传感器基本特性 1.2.1 传感器的数学模型 1.2.2 传感器的静态特性 1.2.3 传感器的动态特性 1.2.4 传感器发展展望第一节 传感器基本概念 1.1.1 传感器的定义及组成 1.1.2 传感器的分类 1.1.1 传感器的定义及组成传感器的定义及组成1 1、定义：、定义：传感器是能感受传感器是能感受规定的被测量规定的被测量并按照并按照一定的规律一定的规律转换成转换成与之有与之有对应关系对应关系的的可用可用输出信号的器件或装置。输出信号的器件或装置。在有些学科领域在有些学科领域,传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法些不同提法,反映了在不同的技术领域中反映了在不同的技术领域中,只是根据器件用途对同一类型只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。的器件使用着不同的技术术语而已。传感器输出信号通常是传感器输出信号通常是电量电量，它便于传输、转换、处理、显示，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。形式由传感器的原理确定。2 2、组成：、组成：通常，传感器由敏感元件、转换元件及调理转换电路组成（如图所示）。敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件：指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。调理与转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路，进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路与敏感元件一起集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。输出U砝码弹簧F+电源测力传感器例如：例如：我们要测量一个直线运动的汽车的加速度我们要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。可设计一个简单的实验装置。（规定的被测量）。可设计一个简单的实验装置。敏感元件敏感元件转换元件转换元件+电子线路电子线路输出输出砝码砝码m千克千克弹簧弹簧k转换转换 电路电路加速度加速度电量电量a力力mama/k位移位移vma/kL1.1.2 1.1.2 传感器的分类传感器的分类传传感感器器的的原原理理有有各各种种各各样样，它它与与许许多多学学科科有有关关，其其种种类类十十分分繁多，分类方法也很多，繁多，分类方法也很多，但目前一般采用两种分类方法：但目前一般采用两种分类方法：一种是按一种是按被测参数分类被测参数分类，如温度、压力、位移、速度等；，如温度、压力、位移、速度等；另一种是按另一种是按传感器的工作原理分类传感器的工作原理分类，如应变式、电容如应变式、电容式、压电式、磁电式等。式、压电式、磁电式等。本书是按后一种分类方法来介绍各种传感器的。还可以按如下的方法分类：还可以按如下的方法分类：物理型：物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感器。化学型：化学型传感器是利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器。生物型：生物型传感器是利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。按照检测过程中对外界能源的分类按照检测过程中对外界能源的分类:有源传感器、无源传感器有源传感器、无源传感器按照输出信号的性质分类按照输出信号的性质分类:模拟式传感器、数字式传感器模拟式传感器、数字式传感器按照输入按照输入/输出信号间的动态关系分类输出信号间的动态关系分类:零阶、一阶、二阶或高阶传感器零阶、一阶、二阶或高阶传感器第二节 传感器基本特性1.1.1 传感器的静态特性一、静态模型一、静态模型静态模型静态模型是指在静态信号情况下，描述传感器输出是指在静态信号情况下，描述传感器输出与输入间的一种函数关系。与输入间的一种函数关系。一般可用多项式表示：一般可用多项式表示：x输入量输入量 y输出量输出量 a0 零位输出零位输出a1 传感器的线性灵敏度传感器的线性灵敏度 a2 an 非线性项的待定系数非线性项的待定系数y=a0+a1x+a2x2+anxn静态特性曲线过原点，分为四种情况：静态特性曲线过原点，分为四种情况：(1)(1)理想线性特性；理想线性特性；(2 2)非线性项仅有奇次项；非线性项仅有奇次项；(3 3)非线性项仅有偶次项；非线性项仅有偶次项；(4 4)普遍情况。普遍情况。y=a0+a1x+a2x2+anxn 二、传感器的静态特性二、传感器的静态特性传传感感器器的的静静态态特特性性可可以以用用一一组组性性能能指指标标来来描描述述，如如灵灵敏敏度度、迟滞、线性度、重复性迟滞、线性度、重复性和和漂移漂移等。等。1.灵敏度灵敏度:它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然灵敏度显然灵敏度K值越大，值越大，表示传感器越灵敏。表示传感器越灵敏。灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量其定义是输出量增量y与引起输出量增量与引起输出量增量y的相应输入的相应输入量增量量增量x之比。用之比。用K表示灵敏度，即表示灵敏度，即 对于线性传感器，灵敏度就是特性曲线的对于线性传感器，灵敏度就是特性曲线的斜率斜率；而；而非线性传感器的灵敏度是变量，用非线性传感器的灵敏度是变量，用dy/dx表示某一点的灵表示某一点的灵敏度。敏度。2.2.线性度：线性度：传感器的传感器的线性度线性度是指传感器的是指传感器的输出与输入输出与输入之间数量关系的之间数量关系的线性程度线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，传感器的性能看，希望具有线性关系，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性（但实际遇到的传感器大多为非线性（如图所示如图所示）。）。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种性关系，因此引入各种非线性补偿环节非线性补偿环节，如采用非线性补偿电，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高，关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高，输输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为直线称为拟合直线拟合直线。传传感感器器的的线线性性度度是是指指在在全全量量程程范范围围内内实实际际特特性性曲曲线线与与拟拟合合直直线线之之间间的的最最大大偏偏差差值值Lmax与与满满量量程程输输出出值值yFS之之比比。线线性性度度也称为也称为非线性误差非线性误差，用，用L表示，即表示，即式中：式中：Lmax最大非线性绝对误差；最大非线性绝对误差；yFS满量程输出值。满量程输出值。几种直线拟合方法几种直线拟合方法 (a)理论拟合理论拟合 (b)过零旋转拟合过零旋转拟合 (c)端点连线拟合端点连线拟合 (d)端点平移拟合端点平移拟合3.迟滞：迟滞：传感器在输入量传感器在输入量由小到大由小到大（正行程）及输入量（正行程）及输入量由大到由大到小小（反行程）变化期间其输入输出（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合特性曲线不重合的现象的现象称为称为迟滞迟滞(如图所示如图所示)。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量与满量程输出值程输出值yFS之比称为迟滞误差，用之比称为迟滞误差，用H表示，即表示，即迟滞特性 4.重复性：重复性：重复性是指传感器在输入量按重复性是指传感器在输入量按同一方向同一方向作全量程作全量程连续连续多次变化多次变化时，所得时，所得特性曲线不一致特性曲线不一致的程度（的程度（见图见图）。）。重复性误差属于重复性误差属于随机误差随机误差，常用标准差，常用标准差计算，也可用计算，也可用正反行程中最大重复差值正反行程中最大重复差值max计算，即计算，即重复性5.分辨力分辨力 分分辨辨力力是是指指传传感感器器在在规规定定测测量量范范围围内内所所能能检检测测出出被被测测输输入入量量的的最最小小变变化化值值。有有时时对对该该值值用用相相对对满满量量程程输输入入值值之之百百分分数数表表示，则称为示，则称为分辨率分辨率。阈阈值值是是使使传传感感器器的的输输出出端端产产生生可可测测变变化化量量的的最最小小被被测测输输入入量值，即量值，即零点附近的分辨力零点附近的分辨力。6.静态误差静态误差(精度精度)：静态误差是指传感器在其全量程内任一点的静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值输出值与其与其理理论输出值论输出值的偏离程度。的偏离程度。静态误差是一项静态误差是一项综合性指标综合性指标，它基本上包含了前面叙述的，它基本上包含了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。1、动态模型、动态模型 动态模型动态模型是指在准动态信号或动态信号作用是指在准动态信号或动态信号作用下，描述传感器输出与输入间的一种数学关系。下，描述传感器输出与输入间的一种数学关系。一般可用一般可用微分方程微分方程和和传递函数传递函数来表示：来表示：式中，a0、a1、,an,b0、b1、.,bm是与传感器的结构特性有关的常系数。（1）微分方程：）微分方程：1.1.2 传感器的动态特性（2）传递函数：）传递函数：对微分方程两边取拉普拉斯变换，得对微分方程两边取拉普拉斯变换，得ansn+an-1sn-1+a1s+a0)Y(s)=(bmsm+bm-1sm-1+b1s+b0)X(s)定义传递函数定义传递函数H(s)=Y(s)/X(s)，则有则有 传递函数与微分方程两者完全等价，可以相互转化。传递函数与微分方程两者完全等价，可以相互转化。考察传递函数所具有的基本特性，比考察微分方程的基考察传递函数所具有的基本特性，比考察微分方程的基本特性要容易得多。本特性要容易得多。测试环节的串联和并联：测试环节的串联和并联：如如下下图图a所所示示的的两两传传递递函函数数分分别别为为H1(s)和和H2(s)的环节的环节串联串联而成的测试系统，其传递函数为而成的测试系统，其传递函数为 如下如下图图b所示的两传递函数分别为所示的两传递函数分别为H1(s)和和H2(s)的环节的环节并联并联而成的测试系统，其传递函数为而成的测试系统，其传递函数为 一般地，对由一般地，对由n个环节串联而成的系统，有个环节串联而成的系统，有一般地，对由一般地，对由n个环节并联而成的系统，有个环节并联而成的系统，有 测试环节的串联和并联测试环节的串联和并联1.2.3 传感器的动态特性传感器的动态特性传传感感器器的的动动态态特特性性是是指指输输入入量量随随时时间间变变化化时时传传感感器器的的响响应应特特性性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的关系要用动特性来说明。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，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动态误差。动特性还与被测量的变化形式有关。动态测量输入信号可分类如下：为了说明传感器的动态特性，下面简要介绍动态测温的问题。当被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中，以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况时，都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为t0环境中迅速插入一个温度为t1的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t1，而热电偶反映出来的温度从t0变化到t1需要经历一段时间，即有一段过渡过程，如图所示。热电偶反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差。造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管热电偶其热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的，它决定了热电偶测量快速变化的温度时会产生动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。动态测温1.1.传感器的基本动态特性方程传感器的基本动态特性方程传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一般都可以用下述的微分方程来描述：式中，a0、a1、,an,b0、b1、.,bm是与传感器的结构特性有关的常系数。1 1）零阶系统零阶系统在方程式中的系数除了a0、b0之外，其它的系数均为零，则微分方程就变成简单的代数方程，即a0y(t)=b0 x(t)通常将该代数方程写成y(t)=kx(t)式中，k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数。传感器的动态特性用上述方程式来描述的就称为零阶系统。零零阶阶系系统统具具有有理理想想的的动动态态特特性性，无无论论被被测测量量x(t)x(t)如如何何随随时时间间变变化化，零零阶阶系系统统的的输输出出都都不不会会失失真真，其其输输出出在在时时间间上上也也无无任任何滞后，何滞后，所以零阶系统又称为所以零阶系统又称为比例系统比例系统。在在工工程程应应用用中中，电电位位器器式式的的电电阻阻传传感感器器、变变面面积积式式的的电电容容传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统。传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统。2 2）一阶系统一阶系统若在方程式中的系数除了a0、a1与b0之外，其它的系数均为零，则微分方程为时间常数具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小，静态灵敏度则说明其静态特性。用此方程式描述其动态特性的传感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。如前面提到的不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器等均可看作为一阶系统。3 3）二阶系统二阶系统二阶系统的微分方程为二阶系统的微分方程通常改写为根据二阶微分方程特征方程根的性质不同，二阶系统又可分为：二阶惯性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根，它相当于两个一阶系统串联。二阶振荡系统：其特点是特征方程的根为一对带负实部的共轭复根。带有套管的热电偶、电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路等均可看作为二阶系统。1)与阶跃响应有关的动态性能指标与阶跃响应有关的动态性能指标 时时间间常常数数：一一阶阶传传感感器器输输出出上上升升到到稳稳态态值值的的63.2%所所需需的的时时间间,称称为为时时间常数。间常数。延迟时间延迟时间td：传感器输出达到稳态值的：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。所需的时间。上升时间上升时间tr：传感器输出达到稳态值的：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间所需的时间。传感器的动态性能指标传感器的动态性能指标 峰值时间峰值时间t tp p：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。超调量超调量：二阶传感器输出超过稳态值的最大值。二阶传感器输出超过稳态值的最大值。衰衰减减比比d d：衰衰减减振振荡荡的的二二阶阶传传感感器器输输出出响响应应曲曲线线第第一一个个峰峰值值与与第第二二个个峰峰值值之之比。比。2)频率响应特性指标频率响应特性指标通通频频带带0.707：传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围。工工作作频频带带0.95（或或0.90）：当传感器的幅值误差为5%（或10%）时其增益保持在一定值内的频率范围。时时间间常常数数：用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽。固有频率固有频率n：二阶传感器的固有频率n表征其动态特性。相相位位误误差差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值，即为相位误差。跟跟随随角角0.707:当=0.707时，对应于相频特性上的相角，即为跟随角。图2-14传感器的频域动态性能指标2.2.传感器的动态响应特性传感器的动态响应特性1)零阶传感器的动态特性零阶传感器的动态特性传感器的传输函数传感器的传输函数:传感器的频率特性传感器的频率特性:a0y(t)=b0 x(t)(1)一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的微分方程为设传感器的静态灵敏度k=1，传递函数为对初始状态为零的传感器，若输入一个单位阶跃信号，即t0t02)一阶传感器动态特性一阶传感器动态特性输入信号x(t)的拉氏变换为一阶传感器的单位阶跃响应拉氏变换式为对上式进行拉氏反变换，可得一阶传感器的单位阶跃响应信号为相应的响应曲线如图所示。由图可见，传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但通常认为t=（34）时，如当t=4时其输出就可达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。所以，一阶传感器的时间常数越小，响应越快，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，即动态误差小。因此，值是一阶传感器重要的性能参数。一阶传感器单位阶跃响应(2）一阶传感器的频率响应一阶传感器的频率响应将一阶传感器传递函数式中的s用j代替后，即可得如下的频率特性表达式：幅频特性:相频特性：一阶传感器频率响应特性(a)幅频特性；(b)相频特性(1)二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的微分方程为设传感器的静态灵敏度k=1，其二阶传感器的传递函数为传感器输出的拉氏变换为3)二阶传感器动态特性二阶传感器动态特性二阶传感器单位阶跃响应图为二阶传感器的单位阶跃响应曲线，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和固有角频率n。=0时，特征根为一对虚根，阶跃响应是一个等幅振荡过程，这种等幅振荡状态又称为无阻尼状态；1时，特征根为两个不同的负实根，阶跃响应是一个不振荡的衰减过程，这种状态又称为过阻尼状态；=1时，特征根为两个相同的负实根，阶跃响应也是一个不振荡的衰减过程，但是它是一个由不振荡衰减到振荡衰减的临界过程，故又称为临界阻尼状态；01时，特征根为一对共轭复根，阶跃响应是一个衰减振荡过程，在这一过程中值不同，衰减快慢也不同，这种衰减振荡状态又称为欠阻尼状态。阻尼比直接影响超调量和振荡次数，为了获得满意的瞬态响应特性，实际使用中常按稍欠阻尼调整，对于二阶传感器取=0.60.7之间，则最大超调量不超过10%，趋于稳态的调整时间也最短，约为（34）/()。固有频率n由传感器的结构参数决定，固有频率n也即等幅振荡的频率，n越高，传感器的响应也越快。(2)二阶传感器的频率响应二阶传感器的频率响应由二阶传感器的传递函数式可写出二阶传感器的频率特性表达式，即其幅频特性、相频特性分别为相位角负值表示相位滞后。由上述式可画出二阶传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线，如图所示。二阶传感器频率响应特性曲线(a)幅频特性；(b)相频特性传感器的频率响应特性好坏主要取决于传感器的固有频率n和阻尼比。当时，A（）1，（）很小，此时，传感器的输出y(t)再现了输入x(t)的波形，通常固有频率n至少应为被测信号频率的（35）倍，即n（35）。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n：n=（k/m）1/2增增大大刚刚度度k k和和减减小小质质量量m m都都可可提提高高固固有有频频率率，但但刚刚度度k k增增加加，会会使使传传感感器器灵灵敏敏度降低。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。传感器的选择原则根据测量对象与测量环境确定传感器的类型根据测量对象与测量环境确定传感器的类型灵敏度的选择灵敏度的选择频率响应特性频率响应特性线性范围线性范围稳定性稳定性精度精度1.2.4 传感器发展展望1、改善传感器性能的技术途径、改善传感器性能的技术途径差动技术差动技术平均技术平均技术补偿与修正技术补偿与修正技术屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制稳定性处理稳定性处理当前传感器技术的主要发展动向：当前传感器技术的主要发展动向：开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺，实现传感器的集成化与智能化。料和新工艺，实现传感器的集成化与智能化。发现新现象发现新现象开发新材料开发新材料采用微细加工技术采用微细加工技术研究多功能集成传感器研究多功能集成传感器智能化传感器智能化传感器新一代航天传感器研究新一代航天传感器研究仿生传感器研究仿生传感器研究