现代检测技术传感器特征学习教案.pptx

《现代检测技术传感器特征学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代检测技术传感器特征学习教案.pptx（37页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、会计学1现代检测技术现代检测技术(jsh)传感器特征传感器特征第一页，共37页。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及分类及分类图图3-1传感器组成传感器组成(zchn)框图框图第2页/共37页第二页，共37页。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及分类及分类我们所要测量的非电量并不是我们所持有的转我们所要测量的非电量并不是我们所持有的转换元件所能转换的那种非电量，这就需要在转换元件前换元件所能转换的那种非电量，这就需要在转换元件前面增加一个能把被测非电量转换为该转换元件能够接受面增加一个能把被测非电量转换为该转换元件能够接受和转换的非电量的装置或器件。这种能把被测非电量转和转换的

2、非电量的装置或器件。这种能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感元件。换为可用非电量的器件或装置称为敏感元件。转换元件所转换得到的电量并不是后面的显示转换元件所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如，电阻式应变记录电路所能直接利用的。例如，电阻式应变(yngbin)传感器把应变传感器把应变(yngbin)转换为电阻变化，转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不能被电压显示仪表所接受。电阻虽然属电量，但不能被电压显示仪表所接受。第3页/共37页第三页，共37页。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及分类及分类接接在在转转换换元元件件后后面面具具有有这这种种功功能能

3、的的电电路路，称称之之为为测测量量电电路路或或传传感感器器接接口口电电路路。例例如如，电电阻阻应应变变片片接接入入电电桥桥，将将电电阻阻变变化化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。有有些些国国家家和和有有些些学学科科领领域域，也也将将传传感感器器称称为为变变换换器器、检检测器或探测器。测器或探测器。凡凡能能输输出出标标准准信信号号的的传传感感器器称称为为变变送送器器。也也就就是是说说，变变送送器器是是传传感感器器配配接接能能输输出出标标准准信信号号的的接接口口电电路路后后构构成成的的将将非非电电量量(dinling)转换为

4、标准信号的器件或装置。转换为标准信号的器件或装置。第4页/共37页第四页，共37页。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及及分类分类国际电工委员会将国际电工委员会将420mA直流电流信号和直流电流信号和15V直流电压信号确定为过程控制系统直流电压信号确定为过程控制系统(knzhxtn)电模拟信号的统一标准。所以变送器通常就是指将非电量转换为电模拟信号的统一标准。所以变送器通常就是指将非电量转换为420mA直流电流信号的器件或装置。直流电流信号的器件或装置。第5页/共37页第五页，共37页。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及分及分类类3.1.2传感器的分类传感器的分类(fnli)

5、按基本效应按基本效应传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。化学型传感器是利用电化学反应原理化学型传感器是利用电化学反应原理(yunl)，把无机和有机化学物，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学物生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学物质的传感器。质的传感器。第6页/共37页第六页，共3

6、7页。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及分类及分类按构成原理按构成原理按照构成原理，物理型传感器又可分为按照构成原理，物理型传感器又可分为(fnwi)物性型传感器和结构物性型传感器和结构型传感器。型传感器。物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水银温度物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实现温度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实现温度的测量。的测量。结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距型电结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距

7、型电容式传感器是利用极板间距离的变化来实现测量的。容式传感器是利用极板间距离的变化来实现测量的。第7页/共37页第七页，共37页。按能量按能量(nngling)转换原理转换原理根据能量根据能量(nngling)转换原理可分为有源传感器和无源转换原理可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量传感器。有源传感器将非电量转换为电能量(nngling)（如（如电动势、电荷式传感器等），也称为能量电动势、电荷式传感器等），也称为能量(nngling)转换型转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属于此

8、类传感器；电式传感器均属于此类传感器；无源传感器不起能量无源传感器不起能量(nngling)转换作用，只是将被测转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，也称为能量非电量转换为电参数的量，也称为能量(nngling)控制型传控制型传感器。如电阻式、电感式及电容式传感器等。感器。如电阻式、电感式及电容式传感器等。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及分及分类类第8页/共37页第八页，共37页。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及分及分类类按输出按输出(shch)信号的性质信号的性质根据输出根据输出(shch)信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器。信号的性质可分为模拟式传感器

9、和数字式传感器。即模拟式传感器输出即模拟式传感器输出(shch)连续变化的模拟信号，数字式传感器连续变化的模拟信号，数字式传感器输出输出(shch)数字信号。数字信号。按输入物理量按输入物理量根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及流量传感器等。度传感器及流量传感器等。按工作原理按工作原理根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。第9页/共37页第九页，共37页。3.1传感器的定义传感器的定义(dngy)及分及分类类按测量方式按测量方式(fngsh

10、)分为接触式传感器和非接触式传感器。分为接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器和压电式传感器。和压电式传感器。非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、红外线传感器、涡流传感器和超声波传感器等。红外线传感器、涡流传感器和超声波传感器等。第10页/共37页第十页，共37页。3.2传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性检测系统（传感器）特性主要是指输出与输检测系统（传感器）特性主要是指输出与输入入(shr)之间的关系。之间的关系。一个测量系统（仪表或装置），

11、由于输入一个测量系统（仪表或装置），由于输入(shr)信号的这种不同性质，就有所谓静态特性信号的这种不同性质，就有所谓静态特性和动态特性。和动态特性。第11页/共37页第十一页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性3.2.1传感器的静态传感器的静态(jngti)特性特性一、静态测量和静态特性一、静态测量和静态特性静态测量是指测量过程中被测量保持恒定不变（即静态测量是指测量过程中被测量保持恒定不变（即系统处于稳定系统处于稳定(wndng)状态）时的测量。状态）时的测量。静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定(wndng)状态时的输

12、入状态时的输入输出关系。输出关系。输出信号输出信号与输入信号之间的函数关系，一般用代数方程与输入信号之间的函数关系，一般用代数方程多项式表示：多项式表示：(3-1)第12页/共37页第十二页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性式中，式中，输出量；输出量；输入量（被测量）；输入量（被测量）；零点输出（检测系统的零位值）；零点输出（检测系统的零位值）；理论灵敏度；理论灵敏度；、非线性项系数；非线性项系数；、标定系数，它决定静态标定系数，它决定静态(jngti)特性曲线的形状和位置。特性曲线的形状和位置。第13页/共37页第十三页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本

13、(jbn)特性特性这种多项式代数方程可能有多种情况：这种多项式代数方程可能有多种情况：理想线性，在这种情况下，理想线性，在这种情况下，因此得到：，因此得到：因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为在坐标原点附近相当范围内输出在坐标原点附近相当范围内输出输入特性基本输入特性基本(jbn)呈线呈线性。在这种情况下，性。在这种情况下，(3-1)中除线性项外只存在奇次非线性项，中除线性项外只存在奇次非线性项，即：即：对应的曲线为对应的曲线为第14页/共37页第十四页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性u输出输出输入特

14、性曲线不对称，这时输入特性曲线不对称，这时(3-1)中，除线性项外非中，除线性项外非线性项只是偶次项，即：线性项只是偶次项，即：uu普遍情况下的表达式是普遍情况下的表达式是(3-1)所对应的特性。所对应的特性。u由上可知，传感器的输出不可能由上可知，传感器的输出不可能(knng)丝毫不差地反映被丝毫不差地反映被测量的变化，总存在着一定的误差。测量的变化，总存在着一定的误差。第15页/共37页第十五页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性二、静态特性的校准（标定）条件二、静态特性的校准（标定）条件静态标准条件。静态标准条件。检测系统检测系统(传感器传感器)的静态特性是在静

15、态标准条件下进行校准（标的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非定）的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非(chfi)这些参数本身就是被测量）；环境温度一般为室温这些参数本身就是被测量）；环境温度一般为室温；相对湿度不大于；相对湿度不大于85%；大气压力为；大气压力为()的情况。的情况。第16页/共37页第十六页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性u测量范围和量程测量范围和量程(lingchng)u1、测量范围：（、测量范围：（、）u检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）检测系统所能测量到的最小被测输入

16、量（下限）u检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）u测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）至最大被测输入量（上限）至最大被测输入量（上限）之间的范围，即（之间的范围，即（、）u2、量程、量程(lingchng)：u检测系统测量上限检测系统测量上限和测量下限和测量下限之代数差，即之代数差，即u例如：例如：-40100的温度检测系统，其量程的温度检测系统，其量程(lingchng)为为140；又如；又如10g20g的加速度检测系统，其量程的加速度检测系统，其量程(lingchng)为

17、为10g。3.2.2检测检测(jinc)系统系统(传感器传感器)的静态性能指标的静态性能指标第17页/共37页第十七页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性u灵敏度灵敏度u灵敏度是检测系统在稳态下的输出变化与输入灵敏度是检测系统在稳态下的输出变化与输入(shr)变化比值，变化比值，用用K来表示，来表示，u即即uu由由n个串联环节组成的开环系统如图个串联环节组成的开环系统如图3-2所示。所示。第18页/共37页第十八页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性图图3-2串联环节串联环节(hunji)组成的开环系统方框图组成的开环系统方框图第19页/共3

18、7页第十九页，共37页。若检测系统是由灵敏度不同的若检测系统是由灵敏度不同的多个相互多个相互(xingh)独立的环节串联而成时，独立的环节串联而成时，该检测系统的总灵敏度为各组成环节的灵该检测系统的总灵敏度为各组成环节的灵敏度的乘积。敏度的乘积。(3-2)3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性第20页/共37页第二十页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性u分辨力与分辨率分辨力与分辨率u1、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量。u2、分辨率：全量程中最大的、分辨率：全量程中最大的即即与满量程与满量

19、程L之比之比的百分数。的百分数。u3、阙值：即零位附近的分辨力、阙值：即零位附近的分辨力，也就是指能使传感器输出，也就是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。端产生可测变化量的最小被测输入量值。u分辨率与分辨力都是用来表示仪表或装置能够检测被分辨率与分辨力都是用来表示仪表或装置能够检测被测量的最小量值的性能指标。测量的最小量值的性能指标。u前者是以最大量程的百分数来表示，是一个无量前者是以最大量程的百分数来表示，是一个无量(wling)纲的比率的量。纲的比率的量。u后者是以最小量程的单位值来表示，是一个有量纲的后者是以最小量程的单位值来表示，是一个有量纲的量值。量值。第21页/共

20、37页第二十一页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性u线性度线性度u对于实际的传感器测出的输出对于实际的传感器测出的输出输入校准（标定）曲线与其理输入校准（标定）曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为该传感器的论拟合直线之间的偏差就称为该传感器的“非线性非线性”，或称，或称“线线性度性度”，通常用相对，通常用相对(xingdu)误差表示其大小，即相对误差表示其大小，即相对(xingdu)应的最大偏差应的最大偏差与满量程（与满量程（）输出比值的百分）输出比值的百分数（数（%）来表示：）来表示：uu(3-3)uu式中，式中，为非线性误差（线性度）；为非线性误差（线性度）；为

21、输出平均值与基准拟为输出平均值与基准拟合直线的最大偏差；合直线的最大偏差；为满量程输出的平均值。为满量程输出的平均值。第22页/共37页第二十二页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性由此可见，非线性误差的大小是以由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理想直线作为基准一定的拟合直线或理想直线作为基准(jzhn)直线算出来的，因此，基准直线算出来的，因此，基准(jzhn)直线不同所得出的线性精度就不直线不同所得出的线性精度就不一样。一般并不要求拟合直线必须通过一样。一般并不要求拟合直线必须通过所有的检测点，而只要找到一条能反映所有的检测点，而只要找到一条能反映校准

22、数据的一般趋势同时又使误差绝对校准数据的一般趋势同时又使误差绝对值为最小的直线就行。值为最小的直线就行。第23页/共37页第二十三页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性下面介绍几种下面介绍几种(jzhn)不同线性度的定义和表达方法。不同线性度的定义和表达方法。端基线性度端基线性度把检测系统校准数据的零点输出平均值和把检测系统校准数据的零点输出平均值和满量程输平均值连成直线，作为检测系统特性的拟合直满量程输平均值连成直线，作为检测系统特性的拟合直线，其方程式为：线，其方程式为：式中，式中，y为输出量；为输出量；x为输入量；为输入量；b为为y轴上的截距；轴上的截距；k为直

23、为直线的斜率。线的斜率。如图如图3-3所示为一检测系统的输出所示为一检测系统的输出输入实测曲线，根据输入实测曲线，根据端基法作拟合直线端基法作拟合直线第24页/共37页第二十四页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性图图3-3端基线性度的拟合端基线性度的拟合(nh)直线直线第25页/共37页第二十五页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性其方程式其方程式所以所以(suy)第26页/共37页第二十六页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性式中，式中，p为被测压力；为被测压力；ps为传感器的测量压力为传感器的测量压力范围；范围

24、；U为传感器的输出量；为传感器的输出量；U0为零点输出平均值；为零点输出平均值；为满量程输出平均值。为满量程输出平均值。这种拟合方法简单直观，应用比较广泛，但因这种拟合方法简单直观，应用比较广泛，但因没有考虑没有考虑(kol)所有校准数据的分布，拟合精度很所有校准数据的分布，拟合精度很低，尤其当传感器有比较明显的非线性时，拟合精度低，尤其当传感器有比较明显的非线性时，拟合精度更差。更差。第27页/共37页第二十七页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性平均选点线性度平均选点线性度为了寻找较理想的拟合为了寻找较理想的拟合直线直线(zhxin)，可将测量得到的，可将测量得到

25、的n个检测点分个检测点分成数目相等的两组：前半部成数目相等的两组：前半部n/2个检测点为一组；个检测点为一组；后半部后半部n/2个检测点为另一组。个检测点为另一组。两组检测点各自两组检测点各自:具有具有“点系中心点系中心”。检测点。检测点都分布在各自的点系中心周围，通过这两个都分布在各自的点系中心周围，通过这两个“点点系中心系中心”的直线的直线(zhxin)就是所要的拟合直线就是所要的拟合直线(zhxin)。第28页/共37页第二十八页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性图图3-4平均选点的拟合平均选点的拟合(nh)直线直线第29页/共37页第二十九页，共37页。3.

26、2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性前半部前半部个检测点的点系中心个检测点的点系中心(zhngxn)A的坐标为：的坐标为：后半部后半部个检测点的点系中心个检测点的点系中心(zhngxn)B的坐标为：的坐标为：第30页/共37页第三十页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性最小二乘法线性度最小二乘法线性度拟合直线方程通式为拟合直线方程通式为y=b+kx。假定实际校准。假定实际校准(jiozhn)点有点有个个n，第，第i个数据经过传感器后对应的个数据经过传感器后对应的输出值是输出值是yi，第，第i个校准个校准(jiozhn)数据在拟合直线上数据在拟合直线上相应的输

27、出值为相应的输出值为kxi-b，则第，则第i个校准个校准(jiozhn)数据与数据与拟合直线上相应值之间的残差为：拟合直线上相应值之间的残差为：第31页/共37页第三十一页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性u迟滞迟滞u迟滞特性表明了检测系统在正迟滞特性表明了检测系统在正(输入量由小输入量由小增大增大)反（输入量自大反（输入量自大(zd)减小）行程中输出减小）行程中输出输入曲线不重合（特性不一致）的程度。迟滞误输入曲线不重合（特性不一致）的程度。迟滞误差一般以全量程中最大的迟滞差一般以全量程中最大的迟滞与满量程输出与满量程输出值值之比的百分数表示之比的百分数表示,即即

28、 (3-4)第32页/共37页第三十二页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性图图3-5迟滞迟滞(chzh)第33页/共37页第三十三页，共37页。u稳定性与漂移稳定性与漂移u稳定性：在一定工作稳定性：在一定工作(gngzu)条件下，保持输入条件下，保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的变化而出现缓慢信号不变时，输出信号随时间或温度的变化而出现缓慢变化的程度。变化的程度。u时漂：在输入信号不变的情况下，检测系统的输时漂：在输入信号不变的情况下，检测系统的输出随着时间变化的现象。出随着时间变化的现象。u温漂：随着环境温度变化的现象（通常包括零位温漂：随着环境温度变化的

29、现象（通常包括零位温漂、灵敏度温漂）。温漂、灵敏度温漂）。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性第34页/共37页第三十四页，共37页。3.2 传感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性u重复性重复性u重复性是指检测系统在输入量按同一方向作全量重复性是指检测系统在输入量按同一方向作全量程程(lingchng)连续多次变动时所得特性曲线不一致的连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。特性曲线一致，重复性就好，误差也小。程度。特性曲线一致，重复性就好，误差也小。u重复性误差重复性误差按下式计算重复性误差：按下式计算重复性误差：(3-5)第35页/共37页第三十五页，共37页。3.2 传

30、感器的基本传感器的基本(jbn)特性特性3.2.3检测系统（传感器）的动态检测系统（传感器）的动态(dngti)特性特性测量过程中被测量随时间变化测量过程中被测量随时间变化(binhu)时的测量称为动态测量。时的测量称为动态测量。3.2.4传感器工作要求传感器工作要求主要要求：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；主要要求：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等。抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等。第36页/共37页第三十六页，共37页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第37页/共37页第三十七页，共37页。