第1章引言传感器原理及其应用精选文档.ppt
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1、第1章引言传感器原理及其应用本讲稿第一页,共七十四页1.1 传感器的发展和作用传感器的发展和作用 刚开始人类为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官接受来自外界的刺激,再通过大脑分析判断,发出命令而动作。随着科学技术的发展和人类社会的进步,只靠这些感觉器官就显得很不够了,而且危险场所人不易靠近。于是,一系列代替、补充、延伸人的感觉器官功能的各种手段就应运而生,从而出现了各种用途的传感器。传感器技术已成为世界各国高新技术竞争的核心技术之一,并且发展十分迅速。下面即为传感器的市场结构如表1.1所示。本讲稿第二页,共七十四页表 1.1传感器市场结构 本讲稿第三页,共七十四页 传感器的主要作用:(1)信
2、息的收集:计量测量、目标物的存在状态、系统或运行状态的监控、判断产品是否合格、人体各部位的异常诊断都由传感器完成。(2)信息数据的交换:把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸上或胶片上的信息数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据。如磁盘与光盘的信息读出就是一种传感器。(3)控制信息的采集:检测控制系统处于某种状态的信息,并用此控制系统的状态,或跟踪系统变化的目标值。本讲稿第四页,共七十四页 展望未来,传感器将向着小型化、集成化、多功能化、智能化和系统化的方向发展,由微传感器、微执行器及信号和数据处理器总装集成的系统越来越引起人们的广泛关注。传感器市场将会迅速发展,并会加速新一代传感器
3、的开发和产业化。本讲稿第五页,共七十四页1.2 什么是传感器什么是传感器定义1:一种以一定的精确度把被测量转换成与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。这一概念包括以下四方面含意:1、传感器是测量装置,能完成信号获取任务。2、它的输入量是一被测量,可能是物理量、化学量、生物量等。3、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,这种量可以是气、光、电量,但主要是电量。4、输入输出有对应关系,且应有一定的精确度。定义2:把非电量转换成电量的器件称为传感器。本讲稿第六页,共七十四页1.2 什么是传感器什么是传感器定义3:(国家标准GB 7665-87对传感器下的定义)
4、“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。敏感元件:是直接感受或响应被测量(输入量)的部分;转换元件:是指能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和(或)测量的电信号的部分。本讲稿第七页,共七十四页图 1.1传感器组成方块图 下图说明了传感器的基本组成和工作原理。但如压电传感器、热电偶等没有中间转换环节,直接将被测量转换成电信号。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量,无论是信号转换或信号处理,或最佳数据的显示和控制都无法实现。因此,信息技术包括计算机技术、通信技术、传感器技术,精通而灵活使用传感器技术者少,因为传感器应用
5、技术都需要使用模拟技术,模拟技术中有许多问题难以解决。非线性补偿、放大本讲稿第八页,共七十四页传感器与变送器的区别 按传统观念,传感器归入检测技术,变送器则属于自动化仪表。把非电量转换成电量的器件称为传感器。而变送器是从传感器发展起来的,凡能输出标准信号的传感器称为变送器。例;直流电流:4-20mA;0-10mA;电压:1-5V等,作为非标准信号的传感器,必须和特定的仪表或装置配套,才能实现检测和调节功能,例如:传感器+转换器方可输出标准信号。本讲稿第九页,共七十四页1.3 传感器的分类传感器的分类传感器种类繁多,功能各异。故传感器有不同的分类法:本讲稿第十页,共七十四页热电偶热电阻(晶体的压
6、电性)(热敏电阻)本讲稿第十一页,共七十四页1.4 传感器的性能和评价传感器的性能和评价1.4.1 传感器的静态特性 1.灵敏度与信噪比灵敏度是描述传感器的输出量(一般为电学量)对输入量(一般为非电学量)敏感程度的特性参数。其定义为:选用传感器首先考虑的是灵敏度,如果达不到测量所必须的灵敏度,传感器就不能采用.但灵敏度高的传感器不一定是最好的传感器.它易受传感器本身或外界环境噪声影响.必须用信号与噪声的相互关系全面衡量传感器.本讲稿第十二页,共七十四页传感器输出信号中的信号分量与噪声分量的平方平均值之比成为信噪比(S/N),S/N 小,信号与噪声难以分清,S/N=1,就完全分辨不出信号与噪声.
7、因此,S/N至少也要大于10.2.线性度(非线性误差或非线性度)理想的传感器输出与输入呈线性关系。然而,实际的传感器输出与输入总存在一定的非线性。(采用电子电路也不能使其完全线性化.此外,还有补偿电路、放大器、运算电路等引起的非线性)。其定义为:传感器的输出输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比,称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”,也称“非线性度”。通常用相对误差表示其大小:本讲稿第十三页,共七十四页 图 1.2 非线性误差说明本讲稿第十四页,共七十四页 若改变拟合直线则可以得到不同的线性度。理论线性度:拟合直线为理论直线,通常以 0%作为直线起始点,满量程输出
8、100%作为终止点。端基线性度:以校准曲线的零点输出和满量程输出值连成的直线为拟合直线。独立线性度:作两条与端基直线平行的直线,使之恰好包围所有的标定点,以与二直线等距离的直线作为拟合直线。最小二乘法线性度:以最小二乘法拟合的直线为拟合直线。(精度最高)本讲稿第十五页,共七十四页最小二乘法原理:各次测量值的残余误差平方和最小。如何求拟合直线:令输出与输入满足下述关系:y=a+Kx(a和K的确定条件是使实际测量值与由方程给出的值y之间偏差为最小。假设实际校准有n个点,则第i个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为:本讲稿第十六页,共七十四页 3.灵敏度界限(阈值)输入改变x时,输出变化y,x变小
9、,y也变小。但是一般来说,x小到某种程度,输出就不再变化了,这时的x叫做灵敏度界限。存在灵敏度界限的原因有两个。一个是输入的变化量通过传感器内部被吸收,因而反映不到输出端上去。典型的例子是螺丝或齿轮的松动。螺丝和螺帽,齿条和齿轮之间多少都有空隙,如果x相当于这个空隙的话,那么x是无法传递出去的。本讲稿第十七页,共七十四页 第二个原因是传感器输出存在噪声。如果传感器的输出值比噪声电平小,就无法把有用信号和噪声分开。如果不加上最起码的输入值(这个输入值所产生的输出值与噪音的电平大小相当)是得不到有用的输出值的,该输入值即灵敏度界限。灵敏度界限也叫灵敏阈,门槛灵敏度,或阈值。本讲稿第十八页,共七十四
10、页 4.迟滞差 输入逐渐增加到某一值,与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等,叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。其值以满量程的输出YFS的百分数表示。max=Y2-Y1。本讲稿第十九页,共七十四页 各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。如把应力加于某弹性材料时,弹性材料产生变形,应力虽然取消了但材料不能完全恢复原状。又如,铁磁体、铁电体在外加磁场、电场作用下均有这种现象。迟滞也反映了传感器机械部分不可避免的缺陷,如轴承摩擦、间隙、螺丝松动等。各种各样的原因混合在一起导致了迟滞现象的发生。本讲稿第二十页,共七十四页 5.稳定性 稳定性:传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理
11、想特性的传感器是在加相同大小的输入量时,输出量总时大小相等。但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化,产生一种经时变化的现象。本讲稿第二十一页,共七十四页1.4.2 传感器的动态特性传感器的动态特性动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器的输入信号随时间变化,则传感器输出信号也应是时间的函数。输出信号随输入信号变换的过程叫做响应。一般研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性.标准输入有三种:呈正弦变化的输入、阶跃变化的输入和线性输入。模拟传感器阶跃输入输出输入与响应的关系本讲稿第二十二页,共七十四
12、页分析传感器动态特性的步骤1、写出微分方程;2、拉氏变换传递函数;3、阶跃响应动态误差;4、写出频率特性幅频特性、相频特性;5、特性曲线分析本讲稿第二十三页,共七十四页 1.传递函数传递函数 1)定义 假设传感器在输入输出存在线性关系的范围内使用,则可用线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性.在数学上用高阶常系数线性微分方程表示:式中,y为输出量,x为输入量,ai,bi为常数。对上式进行拉普拉斯变换,由叠加性原理和频率保持性本讲稿第二十四页,共七十四页 并设t=0时,(i=0,1,)全部为0,得到传递函数在数学上的定义是:初始条件为零时,输出量(响应函数)的拉氏变换与输入量(激励函数)的拉氏
13、变换之比。本讲稿第二十五页,共七十四页 2)系统的串联和并联 两个各有G1(s)和G2(s)传递函数的系统串联后,如果它们的阻抗匹配合适,相互之间不影响彼此的工作状态,如图1.4(a)所示,则其传递函数为图1.4 两个系统的串联和并联(a)串联;(b)并联本讲稿第二十六页,共七十四页对于由n个系统串联组成的新系统,则其传递函数为如果两个系统并联时,如图1.4(b)所示,则其传递函数为对于由n个系统并联组成的新系统,则其传递函数为3)零阶、一阶、二阶系统本讲稿第二十七页,共七十四页 当传递函数中,只有a0与b0不为零时 a0 y=b0 x 即 称为零阶系统(传感器)。这种传感器输出能精确地跟踪输
14、入,电位器式传感器就是一种零阶系统。除系数a1,a0,b0外,其他系数均为零的系统称为一阶系统。由弹簧和阻尼组成的机械系统就是典型的一阶传感器。RC回路、液体温度计等也属于一阶系统。只有a2、a1、a0、b0不为零的系统称为二阶系统。电动式震动传感器、RLC谐振线路为二阶系统。本讲稿第二十八页,共七十四页 4)传递函数的分解 传感器一般可以近似为集总参数的、线性的、特性不随时间变化的系统。其一般形式的传递函数为了说明问题方便并根据大多数传感器的情况,可假设 bm=bm-1=b1=0则(1.1)式可简化为 其中分母是s的实系数多项式。方程式 ansn+an-1sn-1+a0s0=0本讲稿第二十九
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