数据采集技术第五讲.ppt

附录.1 传感器传感器是将某一被测量物理量（多为非电量）按一定传感器是将某一被测量物理量（多为非电量）按一定规律转换为另一种与之有确定对应关系的、便于应用规律转换为另一种与之有确定对应关系的、便于应用的物理量（电量）的器件或装置。的物理量（电量）的器件或装置。传感器已经大量地应用于工业生产、海洋探测、环境传感器已经大量地应用于工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、航空航天等领域。一切现代化仪器、保护、医学诊断、航空航天等领域。一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。设备几乎都离不开传感器。1 1一、传感器的组成一、传感器的组成一、传感器的组成一、传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成，如下图：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成，如下图：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成，如下图：传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路组成，如下图：l l敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的某一物理量。某一物理量。某一物理量。某一物理量。(举例举例举例举例)l l转换元件：把敏感元件输出的物理量转换为电路参数。转换元件：把敏感元件输出的物理量转换为电路参数。转换元件：把敏感元件输出的物理量转换为电路参数。转换元件：把敏感元件输出的物理量转换为电路参数。l l转换电路：把电路参数接入电路，转换为电量输出。转换电路：把电路参数接入电路，转换为电量输出。转换电路：把电路参数接入电路，转换为电量输出。转换电路：把电路参数接入电路，转换为电量输出。敏感元件敏感元件被测量被测量转换元件转换元件转换电路转换电路电量电量2 2二、传感器的分类二、传感器的分类二、传感器的分类二、传感器的分类 传感器用途极广泛，种类繁多，有多种不同的分类方法。传感器用途极广泛，种类繁多，有多种不同的分类方法。传感器用途极广泛，种类繁多，有多种不同的分类方法。传感器用途极广泛，种类繁多，有多种不同的分类方法。1 1、按被测量分类、按被测量分类、按被测量分类、按被测量分类传感器直接以被测量命名：温度传感器、压力传感器、速度传感器直接以被测量命名：温度传感器、压力传感器、速度传感器直接以被测量命名：温度传感器、压力传感器、速度传感器直接以被测量命名：温度传感器、压力传感器、速度传感器、流量传感器、线位移传感器等。传感器、流量传感器、线位移传感器等。传感器、流量传感器、线位移传感器等。传感器、流量传感器、线位移传感器等。2 2、按工作原理分类、按工作原理分类、按工作原理分类、按工作原理分类 （1 1）电阻式：利用电阻参数变化实现信号转换。）电阻式：利用电阻参数变化实现信号转换。）电阻式：利用电阻参数变化实现信号转换。）电阻式：利用电阻参数变化实现信号转换。（2 2）电容式：利用电容参数变化实现信号转换。）电容式：利用电容参数变化实现信号转换。）电容式：利用电容参数变化实现信号转换。）电容式：利用电容参数变化实现信号转换。（3 3）电感式：利用电感参数变化实现信号转换。）电感式：利用电感参数变化实现信号转换。）电感式：利用电感参数变化实现信号转换。）电感式：利用电感参数变化实现信号转换。（4 4）压电式：利用压电效应实现信号转换。）压电式：利用压电效应实现信号转换。）压电式：利用压电效应实现信号转换。）压电式：利用压电效应实现信号转换。3 3 （5 5）磁电式：利用电磁感应原理实现信号转换。）磁电式：利用电磁感应原理实现信号转换。）磁电式：利用电磁感应原理实现信号转换。）磁电式：利用电磁感应原理实现信号转换。（6 6）热电式：利用热电效应实现信号转换。）热电式：利用热电效应实现信号转换。）热电式：利用热电效应实现信号转换。）热电式：利用热电效应实现信号转换。（7 7）光电式：利用光电效应实现信号转换。）光电式：利用光电效应实现信号转换。）光电式：利用光电效应实现信号转换。）光电式：利用光电效应实现信号转换。3 3、按能量关系分类、按能量关系分类、按能量关系分类、按能量关系分类 （1 1）能量转换型：传感器输出量的能量直接由被测量的能）能量转换型：传感器输出量的能量直接由被测量的能）能量转换型：传感器输出量的能量直接由被测量的能）能量转换型：传感器输出量的能量直接由被测量的能量转换而来，不需要外接电源。如，热点效应、光电量转换而来，不需要外接电源。如，热点效应、光电量转换而来，不需要外接电源。如，热点效应、光电量转换而来，不需要外接电源。如，热点效应、光电效应传感器属于此类传感器。效应传感器属于此类传感器。效应传感器属于此类传感器。效应传感器属于此类传感器。（2 2）能量控制型：传感器输出量的能量由外部提供，且受）能量控制型：传感器输出量的能量由外部提供，且受）能量控制型：传感器输出量的能量由外部提供，且受）能量控制型：传感器输出量的能量由外部提供，且受输入量控制。如，电阻、电感、电容式传感器属于此输入量控制。如，电阻、电感、电容式传感器属于此输入量控制。如，电阻、电感、电容式传感器属于此输入量控制。如，电阻、电感、电容式传感器属于此类传感器。类传感器。类传感器。类传感器。4 4三、传感器的一般特性三、传感器的一般特性三、传感器的一般特性三、传感器的一般特性传感器应能感受被测非电量的变化，并将其转换为据具有传感器应能感受被测非电量的变化，并将其转换为据具有一定函数关系的电量。传感器的特性是指传感器的输入量一定函数关系的电量。传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性和动态特性。l l静态特性：输入不随时间变化而变化的特性，表示传感器静态特性：输入不随时间变化而变化的特性，表示传感器在被测量处于稳定状态下的输入输出关系。在被测量处于稳定状态下的输入输出关系。l l动态特性：输入随时间变化而变化的特性，表示传感器对动态特性：输入随时间变化而变化的特性，表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性，对激励的响应特性。随时间变化的输入量的响应特性，对激励的响应特性。5 51 1、静特性、静特性、静特性、静特性人们总希望传感器的输入与输出有唯一的对应关系，而且最人们总希望传感器的输入与输出有唯一的对应关系，而且最好呈线性关系。但一般情况下，很难做到这一点，因传感器好呈线性关系。但一般情况下，很难做到这一点，因传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等因素，同时还受到外界条件本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等因素，同时还受到外界条件的多种影响。的多种影响。传感器静态特性的主要指标有：线性度、灵敏度、重复性、传感器静态特性的主要指标有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、测量范围、分辨率、漂移、稳定性等。迟滞、测量范围、分辨率、漂移、稳定性等。（1 1）线性度）线性度传感器输入输出特性的一般表达式：传感器输入输出特性的一般表达式：x x:输入量；输入量；y y:输出量；输出量；a a0 0:零位输出；零位输出；a a1 1:传感器灵敏度；传感器灵敏度；a a2 2，a a3 3,a,an n:高阶参数。高阶参数。6 6输出输出y y与输入与输入x x呈现非线性关系。如果传感器非线性的次方呈现非线性关系。如果传感器非线性的次方不高，输入量变化范围较小，可用一条直线近似代表实际不高，输入量变化范围较小，可用一条直线近似代表实际曲线（或一段），使传感器的输入输出特性线性化。所采曲线（或一段），使传感器的输入输出特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。用的直线称为拟合直线。线性度：传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离线性度：传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度，用非线性误差表示，定义为在全量程范拟合直线的程度，用非线性误差表示，定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。输出值之比。式中，式中，e e：非线性误差；：非线性误差；：最大非线性误差绝对值：最大非线性误差绝对值 ：满量程：满量程yx07 7（2 2）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度灵敏度：输出量的增量与引起该增量的相应灵敏度：输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。输入量增量之比。线性传感器的灵敏度为常数；非线性传感器的灵敏度为变量。线性传感器的灵敏度为常数；非线性传感器的灵敏度为变量。y0 xS=y/x线性系统灵敏度（常数）y0 xdydx非线性系统灵敏度（变量）8 8（3 3）迟滞）迟滞）迟滞）迟滞迟滞：传感器迟滞：传感器“输出输出输入输入”特性曲线在正行程时与反行程特性曲线在正行程时与反行程时的输出量不重合的程度。也就是，对于同一大小的输入信时的输出量不重合的程度。也就是，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程的输出信号大小不相等，由传感器敏号，传感器的正反行程的输出信号大小不相等，由传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所致。感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所致。迟滞大小通常由实验决定，迟滞误差计算：迟滞大小通常由实验决定，迟滞误差计算：y0 xYFs：正反行程输出的最大差值：正反行程输出的最大差值：传感器输出的满量程值：传感器输出的满量程值9 9（4 4）重复性）重复性）重复性）重复性重复性：传感器在按输入量同一方向作全量程多次测试时所重复性：传感器在按输入量同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。得特性曲线不一致性程度。重复性误差属于随机性误差：重复性误差属于随机性误差：重复性的好坏与许多因素有关，与产生迟滞现象的原因相同，重复性的好坏与许多因素有关，与产生迟滞现象的原因相同，表示测量结果偶然误差的大小，而非与真值的差别。表示测量结果偶然误差的大小，而非与真值的差别。0 xYFs：最大重复误差：最大重复误差10102 2、动态特性、动态特性、动态特性、动态特性在实际测量中，被测物理量一般都是随时间变化的动态在实际测量中，被测物理量一般都是随时间变化的动态信号这就要求传感器不仅能精确反应北侧量的大小，而信号这就要求传感器不仅能精确反应北侧量的大小，而且能正确再现被测量随时间的变化规律。一个动态特性且能正确再现被测量随时间的变化规律。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入的变化规律，即输出和好的传感器，其输出将再现输入的变化规律，即输出和输入具有相同的时间函数。输入具有相同的时间函数。实际上，除理想比例特性的环节外，输出信号很难与输实际上，除理想比例特性的环节外，输出信号很难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。就是所谓的动态误差。多数传感器，都可以简化为一阶和二阶系统。传感器动多数传感器，都可以简化为一阶和二阶系统。传感器动态特性的研究，可以从时域和频域两个方面研究。态特性的研究，可以从时域和频域两个方面研究。1111（1 1）瞬态响应特性（时域分析）瞬态响应特性（时域分析）瞬态响应特性（时域分析）瞬态响应特性（时域分析）传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应，常用激励信号传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应，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研究传感器的动态性能指标。阶跃响应来研究传感器的动态性能指标。l l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单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应设设x(tx(t)和和y(ty(t)分别是传感器的输入量和输出量，则一阶传感分别是传感器的输入量和输出量，则一阶传感器的数学模型为器的数学模型为其传递函数为其传递函数为为时间常数为时间常数1212对初始状态为零的传感器，输入单位阶跃信号对初始状态为零的传感器，输入单位阶跃信号传感器输出的拉氏变换为传感器输出的拉氏变换为则一阶传感器的单位阶跃响应为则一阶传感器的单位阶跃响应为可见，传感器存在惯性，输出不能立即复现输入信号，而可见，传感器存在惯性，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，最终达到终点。是从零开始按指数规律上升，最终达到终点。越小，响越小，响应曲线越接近输入曲线，应曲线越接近输入曲线，是一阶传感器重要的性能参数。是一阶传感器重要的性能参数。0 xy11313l l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单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应设设x(t)x(t)和和y(ty(t)分别是传感器的输入量和输出量，则分别是传感器的输入量和输出量，则二阶传二阶传感器的数学模型为感器的数学模型为 ：传感器的固有频率：传感器的固有频率 ：传感器的阻尼比：传感器的阻尼比 二阶传感器的传递函数二阶传感器的传递函数 在单位阶跃信号的作用下，传感器输出的拉氏变换为在单位阶跃信号的作用下，传感器输出的拉氏变换为 1414对上式进行拉氏反变换，可得到二阶传感器的单位阶跃响应。对上式进行拉氏反变换，可得到二阶传感器的单位阶跃响应。对上式进行拉氏反变换，可得到二阶传感器的单位阶跃响应。对上式进行拉氏反变换，可得到二阶传感器的单位阶跃响应。二阶传感器对阶跃信号的响应主要取决于阻尼比二阶传感器对阶跃信号的响应主要取决于阻尼比二阶传感器对阶跃信号的响应主要取决于阻尼比二阶传感器对阶跃信号的响应主要取决于阻尼比 和固有频率和固有频率和固有频率和固有频率 。l l 由传感器的结构参数决定，由传感器的结构参数决定，由传感器的结构参数决定，由传感器的结构参数决定，越高，传感器响应越快。越高，传感器响应越快。越高，传感器响应越快。越高，传感器响应越快。l l 为常数时，传感器的响应取决于阻尼比为常数时，传感器的响应取决于阻尼比为常数时，传感器的响应取决于阻尼比为常数时，传感器的响应取决于阻尼比 ，直接影响超调直接影响超调直接影响超调直接影响超调 量和振荡次数。量和振荡次数。量和振荡次数。量和振荡次数。为临界阻尼，为临界阻尼，为临界阻尼，为临界阻尼，超调量超调量超调量超调量100%100%，等幅振荡，等幅振荡，等幅振荡，等幅振荡，达不到稳态；达不到稳态；达不到稳态；达不到稳态；为过阻尼，无振荡无超调，达到稳态时间为过阻尼，无振荡无超调，达到稳态时间为过阻尼，无振荡无超调，达到稳态时间为过阻尼，无振荡无超调，达到稳态时间 较长；较长；较长；较长；为欠阻尼，衰减振荡，随为欠阻尼，衰减振荡，随为欠阻尼，衰减振荡，随为欠阻尼，衰减振荡，随 减小而加长；减小而加长；减小而加长；减小而加长；响响响响 应时间最短，通常阻尼比取应时间最短，通常阻尼比取应时间最短，通常阻尼比取应时间最短，通常阻尼比取0.6-0.80.6-0.8。1515（2 2）频域响应特性（频域分析）频域响应特性（频域分析）频域响应特性（频域分析）频域响应特性（频域分析）传感器对正弦输入信号的相应特性，称为频域响应特性。传感器对正弦输入信号的相应特性，称为频域响应特性。1 1）零阶传感器的频域响应）零阶传感器的频域响应零阶传感器的传递函数为零阶传感器的传递函数为频率特性为频率特性为可见，零阶传感器的输入和输出成正比，与信号频率无关。可见，零阶传感器的输入和输出成正比，与信号频率无关。不存在峰值和相位失真，具有理想的动态特性。不存在峰值和相位失真，具有理想的动态特性。电位器式传感器是零阶传感器的典型例子，实际中，许多高电位器式传感器是零阶传感器的典型例子，实际中，许多高阶系统在信号变化缓慢、频率不高时，做零阶处理。阶系统在信号变化缓慢、频率不高时，做零阶处理。16162 2）一阶传感器的频率响应）一阶传感器的频率响应）一阶传感器的频率响应）一阶传感器的频率响应用用 代替代替s s后，得到频率特性的表达式后，得到频率特性的表达式幅频特性幅频特性相频特性相频特性可见时间常数可见时间常数可见时间常数可见时间常数 越小，频率特性越好。当越小，频率特性越好。当越小，频率特性越好。当越小，频率特性越好。当 时，时，时，时，此时传感器的输入与输出近似为线性关系，相位，此时传感器的输入与输出近似为线性关系，相位，此时传感器的输入与输出近似为线性关系，相位，此时传感器的输入与输出近似为线性关系，相位差与频率成正比，因此，减小差与频率成正比，因此，减小差与频率成正比，因此，减小差与频率成正比，因此，减小 可改善传感器的频率响应特性。可改善传感器的频率响应特性。可改善传感器的频率响应特性。可改善传感器的频率响应特性。（负号表示相位滞后）（负号表示相位滞后）17173 3）二阶传感器的频率特性）二阶传感器的频率特性）二阶传感器的频率特性）二阶传感器的频率特性对二阶传感器，同样可以得到其频率特性、幅频特性和相对二阶传感器，同样可以得到其频率特性、幅频特性和相频特性表达式频特性表达式1818可见，传感器频率可见，传感器频率响应特性的好坏取响应特性的好坏取决于传感器的固有决于传感器的固有频率频率 和阻尼比和阻尼比 。当当 时，时，很小，很小，此时，传感器的输此时，传感器的输出出y(t)y(t)再现输入再现输入x(t)x(t)的波形。通常固有的波形。通常固有频率频率 取为被测信取为被测信号号频率频率 的的3-53-5倍。倍。=0.70722.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.52.5=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707=0.2=0.4=0.6=11919四、传感器举例：位移传感器四、传感器举例：位移传感器四、传感器举例：位移传感器四、传感器举例：位移传感器主要以电容式位移传感器为例进行分析。电容式传感器是利用主要以电容式位移传感器为例进行分析。电容式传感器是利用主要以电容式位移传感器为例进行分析。电容式传感器是利用主要以电容式位移传感器为例进行分析。电容式传感器是利用被测量的变化引起传感器电容量的变化来工作的，主要有三种被测量的变化引起传感器电容量的变化来工作的，主要有三种被测量的变化引起传感器电容量的变化来工作的，主要有三种被测量的变化引起传感器电容量的变化来工作的，主要有三种形式：变间隙式电容传感器、变面积式电容传感器、变介电常形式：变间隙式电容传感器、变面积式电容传感器、变介电常形式：变间隙式电容传感器、变面积式电容传感器、变介电常形式：变间隙式电容传感器、变面积式电容传感器、变介电常数式电容传感器。数式电容传感器。数式电容传感器。数式电容传感器。1 1、变间隙式电容传感器、变间隙式电容传感器、变间隙式电容传感器、变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器结构如图所示。传感器的初始电容变间隙式电容传感器结构如图所示。传感器的初始电容变间隙式电容传感器结构如图所示。传感器的初始电容变间隙式电容传感器结构如图所示。传感器的初始电容C C0 0为：为：为：为：其中，其中，其中，其中，介电常数介电常数介电常数介电常数 S S 电容板面积电容板面积电容板面积电容板面积 d d 电容板极距电容板极距电容板极距电容板极距2020当电容器的动极板向对于定极板有位移时，传感器的电容量当电容器的动极板向对于定极板有位移时，传感器的电容量当电容器的动极板向对于定极板有位移时，传感器的电容量当电容器的动极板向对于定极板有位移时，传感器的电容量就会发生相应变化。例如就会发生相应变化。例如就会发生相应变化。例如就会发生相应变化。例如，动极板与定极板间的距离减小动极板与定极板间的距离减小动极板与定极板间的距离减小动极板与定极板间的距离减小d d时，电容量就相应增大，此时的电容为时，电容量就相应增大，此时的电容为时，电容量就相应增大，此时的电容为时，电容量就相应增大，此时的电容为可见，可见，可见，可见，C C与与与与d d不是线性关系。当不是线性关系。当不是线性关系。当不是线性关系。当 时，上式可近似为：时，上式可近似为：时，上式可近似为：时，上式可近似为：此时，此时，此时，此时，C C与与与与d d近似呈线性关系。由此把非电量近似呈线性关系。由此把非电量近似呈线性关系。由此把非电量近似呈线性关系。由此把非电量“位移位移位移位移”转换转换转换转换为电量，可通过检测电容量来获得位移量。为电量，可通过检测电容量来获得位移量。为电量，可通过检测电容量来获得位移量。为电量，可通过检测电容量来获得位移量。21212 2、变面积式电容传感器、变面积式电容传感器、变面积式电容传感器、变面积式电容传感器变面积式电容传感器结构如图所示。传感器的初始电容变面积式电容传感器结构如图所示。传感器的初始电容变面积式电容传感器结构如图所示。传感器的初始电容变面积式电容传感器结构如图所示。传感器的初始电容C C0 0为：为：为：为：当极板间有当极板间有当极板间有当极板间有L L的相对位移时，电容量变为：的相对位移时，电容量变为：的相对位移时，电容量变为：的相对位移时，电容量变为：电容的相对变化为：电容的相对变化为：电容的相对变化为：电容的相对变化为：传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：特点：特点：特点：特点：1 1、传感器线性输出、传感器线性输出、传感器线性输出、传感器线性输出2 2、灵敏度与极距成反比、灵敏度与极距成反比、灵敏度与极距成反比、灵敏度与极距成反比22223 3、变介电常数式电容传感器、变介电常数式电容传感器、变介电常数式电容传感器、变介电常数式电容传感器常见的变介电常数式电容传感器结构如图所示。两平行板电极常见的变介电常数式电容传感器结构如图所示。两平行板电极常见的变介电常数式电容传感器结构如图所示。两平行板电极常见的变介电常数式电容传感器结构如图所示。两平行板电极固定不变，极距为固定不变，极距为固定不变，极距为固定不变，极距为d d，相对介电常数为，相对介电常数为，相对介电常数为，相对介电常数为 的电介质以不同的深的电介质以不同的深的电介质以不同的深的电介质以不同的深度插入电容器中，从而改变了两种介质的极板覆盖面积，传感度插入电容器中，从而改变了两种介质的极板覆盖面积，传感度插入电容器中，从而改变了两种介质的极板覆盖面积，传感度插入电容器中，从而改变了两种介质的极板覆盖面积，传感器总电容量为器总电容量为器总电容量为器总电容量为若若若若 ，当，当，当，当L L=0 0时，电容器的初始电容为时，电容器的初始电容为时，电容器的初始电容为时，电容器的初始电容为 。当被。当被。当被。当被测电介质测电介质测电介质测电介质 进入极板深度进入极板深度进入极板深度进入极板深度L L后，引起的电容相对变化量为后，引起的电容相对变化量为后，引起的电容相对变化量为后，引起的电容相对变化量为可见，电容变化量与电介质的移动量呈线性关系。介质含水量可见，电容变化量与电介质的移动量呈线性关系。介质含水量可见，电容变化量与电介质的移动量呈线性关系。介质含水量可见，电容变化量与电介质的移动量呈线性关系。介质含水量变化会引起介电常数变化，可构成用于含水量测量的传感器。变化会引起介电常数变化，可构成用于含水量测量的传感器。变化会引起介电常数变化，可构成用于含水量测量的传感器。变化会引起介电常数变化，可构成用于含水量测量的传感器。2323