第1章传感器的一般特性.

传感器原理与设计/应用（64/48学时）西南石油大学何道清使用教材传感器与传感器技术何道清等编传感器原理与设计/应用使用教材：何道清等编，传感器与传感器技术，科学出版社参考书籍：教材后附参考文献教学内容和重点：传感器的基本概念及其基本特性（静态、动态特性）；传感器的标定和校准方法；各类传感器的转换原理；特性分析及其设计方法；信号调理电路；实际应用技术；实验。考核方法（参考）：平时(作业、考勤)15%+实验15%+期末考试70%绪论—传感器与传感器技术0.1传感器1、定义:传感器(transducer/sensor)是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号(一般为电信号)的器件或装置。2、组成：传感器通常由敏感元件(sensingelement)和转换元件(transductionelement)组成。绪论—传感器与传感器技术传感器绪论—传感器与传感器技术绪论—传感器与传感器技术3、分类：(1)按工作原理分类：(2)按输入信号分类：位移传感器，速度传感器，加速度传感器，力/压力传感器，温度传感器，湿度传感器，磁传感器，色传感器，等。(3)按应用范围分类：工业用、农业用、民用、军用、医用、科研用、家电用传感器等；计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用、分析用等；。绪论—传感器与传感器技术0.2传感器技术传感器技术是关于传感器的研究、设计、试制、生产、检测和应用的综合技术。传感器技术的特点：内容的离散性物理、化学、生物学中的“效应”、“反应”、“机理”等，多而彼此独立；知识的密集性物理学、化学、材料学、电子技术、机械设计等；技术(工艺)的复杂性微电子/机械加工技术，特种加工技术，智能化技术；品种的多样性与用途的广泛性。绪论—传感器与传感器技术0.3传感器与传感器技术的地位和作用传感器是获取信号的工具，传感器与传感器技术是现代工业社会自动检测与自动控制系统的主要环节。火箭、卫星、飞机、汽车等设备，油气勘探、开发、集输、加工处理等自动化过程，大量使用传感器。传感器与传感器技术是现代信息社会信息技术（传感器技术、通信技术和计算机技术）的三大支柱之一，是信息系统的“源头”。绪论—传感器与传感器技术0.3传感器与传感器技术的地位和作用-振动测试绪论—传感器与传感器技术0.3传感器与传感器技术的地位和作用-位移测试绪论—传感器与传感器技术0.3传感器与传感器技术的地位和作用-滚柱分选0.4传感器与传感器技术的发展趋势发现新现象；开发新材料；采用微细加工技术；智能传感器(Intelligentsensor/Smartsensor)；多功能传感器：如Honeywell公司ST-3000型差压压力传感器，基片340.2cm3，制作静压、差压和温度三种敏感元件和CPU、EPROM，精度0.1%，具有自诊断、自动选择量程、存储补偿数据等功能。绪论—传感器与传感器技术第1章传感器的一般特性传感器的基本特性即输出—输入关系特性：静态特性：y=f(x)；动态特性：y(t)=fx(t)图1-1传感器系统研究传感器的基本特性的意义：测量传感器作为测量系统，由输出y推求输入x；传感器的研究、设计与系统建立。传感器的基本特性是外特性，但由其内部结构参数决定。1.1传感器的静态特性1.1.1线性度(非线性误差)(Linearity)传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度。理想输出—输入线性特性传感器（系统）优点：简化传感器理论分析和设计计算；方便传感器的标定和数据处理；显示仪表刻度均匀，易于制作、安装、调试，提高测量精度；避免非线性补偿环节。实际传感器输出—输入特性一般为非线性，即y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn式中，a0----零位输出，零点漂移（零漂）；a1----传感器线性灵敏度，常用K表示；a2、a3、、an-----待定系数。1.1传感器的静态特性线性度(非线性误差)(Linearity)(1)理想线性：y=a1x，灵敏度Sn=y/x=a1=常数（K）(2)具有偶次项非线性：y=a1x+a2x2+a4x4+‥‥(3)具有奇次项非线性：y=a1x+a3x3+a5x5+‥‥(4)普遍情况：y=a1x+a2x2+a3x3+a4x4+‥‥图1-2传感器的静态特性1.1传感器的静态特性传感器非线性特性的线性化—直线拟合:端点法；切线法；割线法；最小二乘法；等图1-3传感器静态特性的非线性非线性误差（线性度）—实际静态特性曲线与拟合直线之间的偏差。（属系统误差）式中，max—最大非线性绝对误差；yFS—输出满量程。%100ySFmaxL1.1传感器的静态特性最小二乘法线性拟合根据误差理论，采用最小二乘法来确定一组实验数据的最佳拟合直线时，可以得到最小的非线性误差。设y和x之间满足线性关系y=a+Kx假设实际测试点有n个，即测试点(xi，yi)，i=1，2，…，n。第i个测试点数据(xi，yi)与拟合直线上相应值之间的残差为i=yi(a+Kxi)1.1传感器的静态特性最小二乘法原理就是要使最小，这就要求V对a和K的一阶偏导数为零，即由数学推导可得拟合直线方程的待定参数a、K分别为niiV1200KVaV，xKyxKynxnxyxyxxaniiniiniiniiniininiiiiii111221111121)(niiniiniiiniiniixnxyxnyxK1221111)(1.1传感器的静态特性例1-0有一压力传感器，校验数据如表1-0所示，求最小二乘法拟合直线方程及线性度。表1-0压力传感器校验数据及数据处理表1.1传感器的静态特性解为了求最小二乘法拟合直线方程，就是要确定方程系数a和K。为此，首先对三次正、反行程校验输出值平均，计入表中。校验数据点数n=6，并根据前面计算公式，列表求出:由此可得K=0.3987V/MPa，a=0.0028V，则直线方程为y=0.0028+0.3987x(V)再将各校验点的输入值代入直线方程即可得到理论拟合直线上对应点的输出值yi，计入表中。由此可得实验曲线与拟合直线间各校验点的非线性误差i=yiyi。最大非线性误差max=0.0005MPa，所以非线性误差为75.1350394.500767.35.7612616161iiiiiiiiixyxyx%02.0%1005.20005.0%100maxLSFp1.1传感器的静态特性1.1.2灵敏度(Sensitivity)灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化量与输入变化量的比值，用Sn表示，即具有输出/输入量纲。图1-4灵敏度定义(a)非线性传感器;(b)线性传感器对于线性传感器，灵敏度常表为K=y/x。dxdySn输入量的变化量输出量的变化量1.1传感器的静态特性1.1.3分辨率和分辩力（Resolution）分辨率和分辩力都是表示传感器能检测被测量的最小值的性能指标。分辨率是以满量程的百分数来表示，无量纲；分辩力是以最小量程的单位值来表示，有量纲。1.1传感器的静态特性1.1.4迟滞（滞环）（Hysteresis)迟滞现象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的现象。迟滞误差（属系统误差）图1-5滞环特性示意图%100ySFmaxH1.1传感器的静态特性1.1.5重复性（Repeatability)重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。不重复性误差(属随机误差）：标准差表示：其中：图1-6重复性%100ySFmaxR%100y3~2SFR1nyyn1i2i1.1传感器的静态特性1.1.6精度（Accuracy)传感器的精度是指其测量结果的可靠程度，它由其量程范围内的最大基本误差m与满量程之比的百分数表示。基本误差由系统误差和随机误差两部分组成，故传感器的精度用精度等级a表示，如0.05，0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5级等。传感器偏离规定的正常工作条件还存在附加误差测量时应考虑。RHLSFmy%1001.1传感器的静态特性提高传感器性能的技术途径:通常，由单一敏感元件与单一变送器组成的传感器，其输出-输入特性较差，如果采用差动、对称结构和差动电路（如电桥）相结合的差动技术，可以达到消除零位值、减小非线性、提高灵敏度、实现温度补偿和抵消共模误差干扰等的效果，改善传感器的技术性能。(各类传感器特性分析中具体介绍)1.2传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号x(t)的响应特性。y(t)=fx(t)理想传感器：y(t)与x(t)的时间函数表达式相同；实际传感器：y(t)与x(t)的时间函数在一定条件下基本保持一致动态特性的描述方法：时间域微分方程；复频域传递函数H(s)；频率域频率特性H(j)图1-9传感器的输出—输入关系（a）时域；（b）复频域；（c）频域1.2传感器的动态特性1.2.1动态参数测试的特殊问题线性传感器测静态信号：xy；测动态信号：xy动态测试实例：热电偶测阶跃变化温度,如图所示。动态测试存在动态误差。？图1-7热电偶测温过程曲线1.2传感器的动态特性1.2.2研究传感器动态特性的方法及其指标方法：瞬态响应法；频率响应法指标：1．瞬态响应法—阶跃输入信号研究时域动态特性：上升时间tr响应时间ts超调量ym(p)衰减度图1-8阶跃响应特性m1myyy%100yyymaxP1.2传感器的动态特性2．频率响应法—正弦输入信号研究频域动态特性(频率特性)：幅频特性；相频特性；频带宽度（带宽）1.2传感器的动态特性1.2.3传感器的数学模型（微分方程）工程实用的传感器是线性定常系统，其数学模型为高阶常系数线性微分方程，其中,x—输入量；y—输出量；t—时间；a0，a1，，an和b0，b1，，bm—系数（由传感器的结构参数决定）。xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn01111011111.2传感器的动态特性线性定常系统的两个基本特性：1.叠加性：niniiitytx112.频率保持性：若输入x(t)=Asint则输出y(t)=B()sin[t+()]频率保持不变，只是幅度变为B()；相位落后()。1.2传感器的动态特性1.2.4传递函数H(s)在初始条件为零时，传感器系统的传递函数为：传递函数H(s)与输入x(t)无关，由传感器的结构参数决定，是传感器的固有特性。给系统一个简单激励x(t)，测得系统对x(t)的响应y(t)，则系统的特性可确定，对于任意激励x(t)X(s)Y(s)=H(s)X(s)L1[Y(s)]=y(t)。01110111asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm式中，0dtetytyLsYst——y(t)的拉氏变换；0dtetxtxLsXst——x(t)的拉氏变换；s=+j是复变量，且0。sXsYtxLtyLsH)(1.2传感器的动态特性RIHHjHarctanarctan22IRHHjHA01110111ajajajabjbjbjbjXjYjHnnnnmmmmjeA1.2.5频率响应函数（频率特性）H(j)式中，0dtetyjYj—y(t)的付