传感器的选择.

1第2讲传感器的选用依据及性能的改善方法2１传感器选用有哪些注意事项？传感器信号调理信号处理、显示31）测试的对象、目的和要求测量的对象；目的；被测量的选择；测量范围；输入信号的最大值；频带宽度；测试精度要求；测量所需要的时间等。2）传感器的特性静、动态特性指标；输出量的类型；校正周期；过载信号保护；配套仪器等。43）测试条件包括传感器的设置场所；环境(温度、湿度、振动等)；测量时间；与其它设备的连接距离；所需功率等。4）与购买和维护有关的事项性价比；零配件的储备；售后服务与维修制度、保修时间；交货日期等。5选择传感器时要考虑的事项很多，但无需满足所有的事项要求，应根据实际使用的目的、指标、环境等，有不同的侧重点。例如，长时间连续使用的传感器．就必须重视经得起时间考验等长期稳定性问题；而对机械加工或化学分析等时间比较短的工序过程．则需要灵敏度和动态特性较好的传感器。为了提高测量精度，应注意以平常使用时的显示值要在满刻度的50％左右来选择测定范围或刻度范围。选择传感器的响应速度，目的是适应输入信号的频带宽度。合理选择设置场所，注意安装方法，了解传感器的外形尺寸、重量等。6选用传感器需要注意的几点注意事项中，比较重要的一点就是必须对所选传感器的性能特点有足够的了解。如果仅仅是简单的应用，则可以通过对传感器的性能指标的了解来选择传感器；若应用要求较高，环境复杂，则还需要从传感器的原理等方面对传感器的性能进行考察，如从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的负载效应等问题，以确定选择哪一种传感器最合适。7２传感器的选用有何依据？8目的：指导传感器的设计、制造、校准、使用描述传感器输入–输出关系的方法：数学模型设计、研究基本特性指标制造、使用被测输入量静态量准静态量动态量静态特性指标动态特性指标静态数学模型动态数学模型传感器的性能及评价指标9产品型号：CLBSB板环式拉压力传感器品牌：天力产地：安徽主要技术指标测量范围：0--1000Kg输出灵敏度：1.5--2.0V/V非线性：0.0２级；0.05级；0.1级迟滞：0.0２级；0.05级；0.1级重复性：0.0２级；0.05级；0.1级综合精度：0.03级；0.1级零点温度系数：0.05%F.S灵敏度温度系数：0.05%F.S零点不平衡输出：1%F.S输入阻抗：685±30Ω；输出阻抗：650±5Ω激励电压：10V(或12V）；工作温度：-20---+80℃10一、传感器的静态模型1.代数方程x——输入量；y——输出量；a0——零位输出；a1——传感器的灵敏度：K、S；a2……an——非线性项待定常数。......55331xaxaxay......4422xaxayxay1静态条件代数方程特性曲线nnxaxaxaay......2210条件：不考虑传感器滞后、蠕变情况下112.特性曲线描述传感器输入-出关系曲线......55331xaxaxay......4422xaxayxay1nnxaxaxaay......221012二、传感器的静态特性指标1.滞后传感器在正、反行程，输入-输出曲线的不重合程度。%100maxSFHyHe△Hmax——正反行程输出的最大差值yF.S——满量程输出量线性度、滞后、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精度（静态误差）132.线性度（非线性）传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线（工作曲线）之间的吻合（偏离）程度。%100maxSFLyLe△Lmax——校准曲线与拟合直线间的最大差值yF.S——满量程输出值选定拟合直线的过程，就是传感器的线性化过程。14拟合直线的选定原则：保证尽量小的非线性误差计算与使用方便选定拟合直线的方法：序号方法名称拟合直线特点（1）理论直线法理论特性线，与测量值无关简单、方便，非线性误差大。（2）端点线法校准曲线端点连线简单，非线性误差大（3）“最佳直线”法与正、反行程校准曲线的正、负偏差相等且最小精度高，求解复杂（4）最小二乘法与校准曲线的残差平方和最小精度高，普遍推荐的方法15（4）最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小例1-6：用最小二乘法求拟合直线。最小nii12分别对k和b求一阶导数，并令其=0，可求出b和kbkxy设拟合直线)(bkxyiii残差16（5）硬件线性化方法原理：以非线性矫正非线性“以畸制畸”方法一：两只非线性传感器差动方式非线性误差大小相等，极性相反*方法二：利用线性元件和非线性元件的串、并联TRRRXTS1TRUIsUI0ⅠⅡⅢ17*（6）软件线性化方法1、计算法条件：传感器输出与被测量间有确定的数学表达式方法：软件编写计算程序曲线拟合2、查表法条件：传感器输出与被测量间无法用函数拟合183、插值法原理：将查表法与计算法结合方法：线性插值、抛物线插值、拉格朗日插值、牛顿插值、埃米特插值193.重复性传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次(三次以上)测试时，所得特性曲线间一致程度的指标。20重复性误差为随机误差，指标定值的分散性，可用引用误差表示：%100FSRYR△R——同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的极差。可根据标准偏差来计算△R：nKRσ——子样标准偏差；n—标定循环次数K——置信因子，K=2时，置信度为95%；K=3时，置信度为99.73%。21标准偏差σ按贝塞尔公式计算，即：nijjijyyn12DDD11nijjijyyn12III11DjIj、DjyIjy、——正、反行程各标定点响应量的标准偏差——正、反行程各标定点的响应量的平均值22j——标定点序号，j＝1、2、3、…、m；i——标定的循环次数，i＝1、2、3、…、n；yjiD、yjiI——正、反行程各标定点输出值再取σjD、σjI的均方值为子样的标准偏差σ，则mmjmjjj21112D2I234.灵敏度xyK5.分辨力（率）与电源电压有关：位移传感器：1V,1mm,100mV灵敏度：100(mV/mm·V)分辨力：规定测量范围内能检测出的输入量的最小变化量分辨率：分辨力/满量程输入值dxdyK非线性传感器XY00xdydxdyS/dxxyyK0线性传感器=常数XY00x0y0/xySy246.稳定性7.漂移8.阈值零点漂移、灵敏度漂移时间漂移（时漂）、温度漂移（温漂）产生可测输出变化量时的最小输入量值长期稳定性标定的有效期外界干扰下，输出量发生与输入量无关的变化。259.静态误差（精度）（1）将非线性、滞后、重复性、代数法综合222RHLseeee)(RHLseeee偏大（2）将全部校准数据相对于拟合直线求标准偏差1)(12pypii%100)3~2(SFsye偏小%100|)(|maxSFsyye（3）将非线性、滞后视为系统误差，重复性视为随机误差26三传感器的动态数学模型及动态特性指标2728一、动态模型1.微分方程xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111............微分方程传递函数条件：线性定常系统0...,0210mbbbb其中29xbyadtdyadtydadtydannnnnn001111......xbyadtdya001一阶环节一阶传感器xbyadtdyadtyda001222二阶环节二阶传感器xbya00零阶环节零阶传感器比例环节、无惯性环节30kydtdycdtxydm22)(2222dtxdmkydtdycdtydmmakydtdycdtydm22例分析加速度传感器的动态特性。22dtxda加速度-惯性力-位移-伸缩变形-反作用力-位移与加速度二阶环节的传感器通解与特解暂态/稳态传递函数312.传递函数定义：初始条件为零时，输出量（响应函数）的拉普拉斯变换与输入量（激励函数）拉普拉斯变换之比。0)()(dtetysYtS拉氏变换：0)(0tyt时，当为角频率是收敛因子，拉氏变换自变量其中,,jsxbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111............32xbxbxbxbyayayayammmmnnnn0)1(1)1(1)(0)1(1)1(1)(............简写为：)()......()()......(01110111sXbsbsbsbsYasasasammmmnnnn两边取拉氏变换：0)())(()(dtetytyLsYtS输出量拉氏变换0)())(()(dtetxtxLsXtS输入量拉氏变换传递函数：01110111............)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm3301110111............)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm特点：（1）反映传感器系统本身特性，与x(t)无关。（2）X(s)、Y(s)、H(s)知二求一（3）相同的传递函数可以表征不同物理系统H(s)X(s)Y(s)（4）通过实验求传递函数34（5）多环节串并联的传感器系统)(......)()()()(211sHsHsHsHsHnniiH1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)n个环节串联n个环节并联H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)niisHsH1)()()(......)()(21sHsHsHn35二、动态特性指标输入标准信号阶跃响应法（时域）阶跃函数正弦函数指数函数冲击函数频率响应法（频域）动态误差输出稳定后与理想输出量的误差输入量跃变，输出量在过渡状态的误差？动态特性/动态误差/输入标准信号36时间常数一阶传感器系统阶跃响应1.阶跃响应单位阶跃信号)(tx,0,10t0t37二阶传感器系统阶跃响应上升时间Tr响应时间Ts超调量a1峰值时间Tp延滞时间Td衰减率%1002nnnaaa稳态误差%100cssssye38例热电偶传感器测温过程中的动态误差分析。环境温度T0被测液体温度TTT0392.频率响应输入信号tXxsin输出信号)sin(tYy频率响应特性：输入频率变化、幅值相等的正弦信号，输出信号幅值与输入频率的关系：幅频特性输出信号相位与输入频率的关系：相频特性xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111............40)))()(())()((()(jXjYRejXjYImarctg相频特性频率响应函数01110111)(......)()()(......)()()()()(ajajajabjbjbjbjXjYjHnnnnmmmmjjtjtjeAeXYXeYejXjYjH)()()()()(指数形式：幅频特性XYjHA)()(其中，动态灵敏度、增益正弦/传感器，稳定状态下，输入与输出复数比41对数幅频特性曲线通频带LH其中，0dB水平线是理想的零阶系统的幅频特性kabjH00)(kjHA)()(423.一阶系统的动态响应分析一阶系统微分方程xbyadtdya001（1）频率响应特性分析时间常数01aa静态