感测技术绪论.

传感与检测技术本课程的目的、内容•本课程是网络感测专业方向的专业课之一。•要求学生掌握几种常用传感器的工作原理、输入输出特性、误差补偿方法以及常见的应用。•传感器属交叉学科，涉及的知识面广。作用与地位：信息技术的基础。现代信息技术的四大核心是：信息的采集、传输、处理和控制，即传感器技术、通信技术、计算机技术和自动控制技术。自动检测、自动控制的首要环节。应用广泛。第一节、传感与检测技术的基本概念第二节、传感器的基本性能第三节、测量误差分析基础第一节传感与检测技术基本概念非电量电测系统由传感器、测量电路和终端装置三大部分组成。P3传感器：感受被测的非电量,并按一定的规律变换成电信号的装置测量电路：信号的放大、整形与滤波、调制与解调、阻抗变换、温度补偿、线性化及稳定性等终端装置：对被测信号的数据，输出或记录被测信号的相关波形和数据，或进入计算机系统再处理以专用传感器实现非电信号获取的电测技术又称之为感测技术。一、非电量电测系统的组成及特点感测技术的优点：P41、测量灵敏度高，应用范围广；2、感测系统结构紧凑，安装调试方便；3、测量惯性小，反应速度快，频率特性好；4、可进行无接触测量和远程监测，有较高的测量精度；5、在计算机技术的支持下，具有很高的自动测试程度，并向智能化测试方向发展。传感器（sensor或transducer):P4能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（sensingelement）指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件（Transductionelement）指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的被测量转换成适于传输（或）和测量的电信号部分。二、传感器概述1、传感器的定义在非电量电测技术中，通常把传感器称为能将非电信号转换为电信号的装置传感器组成被测量敏感元件转换元件信号调理转换电路辅助电源传感器2、传感器的分类P4（1）按被测物理量分类如温度传感器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器、流量传感器。（2）按转换原理分类（教材的章节按此分类安排）如应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器等。（3）按输出量分类模拟式输出量为模拟信号（电压、电流、……）数字式输出量为数字信号（脉冲、编码、……）敏感元件转换元件被测量非电量电量结构式传感器组成转换元件被测量电量物性传感器组成（4）按敏感元件的物理现象分类可分为结构型传感器和物性型传感器。其中结构型传感器是指依赖敏感元件机械结构参数变化实现信号转换的传感器。物性型传感器是指依赖敏感元件物理性质变化实现信号转换的传感器。1）传感器小型化–开发新材料:半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料等。–采用新工艺：集成技术、微细加工技术、离子注入技术、薄膜技术2）传感器的集成化和多功能化–将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组成一个器件。一个传感器可以同时测量多种参数。3）传感器的智能化－带有微处理器的传感器–灵巧（Smart）传感器，具有：检测、修正、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器。4）传感器的网络化3、传感器的发展P5三、现代检测技术P233智能仪器——微型计算机与传感器的结合虚拟仪器——以软件为核心的仪器计算机检测系统——基于计算机的检测系统现场总线检测系统——基于现场总线的网络集成网络化检测技术——感测技术与网络技术的融合数字信号1.计算机检测系统借助计算机丰富的软、硬件资源对被测信号进行实时处理和输出，实现智能化自动检测的目的。2.虚拟仪器（NI公司的LabView）虚拟仪器VI（VirtualInstrument）是继模拟仪器、数字仪器、智能仪器之后出现的概念性仪器组成：通用计算机、模块化功能硬件和专用控制软件信号输出、入部件：硬件仅仅是和软件运行的物理环境利用计算机丰富的软件资源；核心：应用软件，实现部分功能硬件的软件化，以增强检测系统的灵活性用户调整或修改部分软件－方便地改变或增减仪器的测试功能，也使仪器系统的组建和功能的开发更为灵活和方便。3.网络化检测系统随着网络技术的高速发展，网络化检测技术与具有网络功能的现代网络感测系统应运而生。实现远程数据采集、监测和控制高档智能仪器的远程实时调用企业网（Internet、Intranet）和测控系统可互联第二节传感器的基本性能P6传感器基本特性：其输入信号与输出信号对应关系的特性不同传感器输入/输出特性不同同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同被测量（X）的两种形式：静态量：被测量处于稳定状态或缓慢变化状态。动态量：被测量随时间变化。输入X传感器输出Y传感器的输入/输出特性:–静态特性：传感器在静态工作状态下的输入输出特性。即输入量是静态量，输出量是输入量的确定函数。通过静态性能指标来表示。–动态特性：输入量是动态量，反映传感器对输入量的响应特性。只有了解传感器的基本特性才能正确使用传感器。一、传感器的静态特性二、传感器的动态特性三、传感器的标定一、传感器的静态特性传感器主要静态性能灵敏度线性度重复性迟滞性精度1、线性度（Linearity）P6线性度：传感器输出量与输入量之间关系的线性程度。理想传感器：输出量与输入量之间为线性。实际传感器：非线性的，一般可用下列多项式表示。y=a0+a1x+a2x2+…+anxn（1—1）式中y—输出量；x—输入物理量(被测量)；a0—零位输出；a1，a2，…an—待定常数在某些情况下不能用上述解析法表达时，可用实验数据曲线表示。（1）理想的线性特性多项式（1—1）中a0=a2=a3=…=an=0因此得到y=a1x(1—2)（2）仅有偶次非线性项多项式（1—1）可改写为y=a1X+a2x2+a4x4+…（1—3）特性曲线没有对称性，线性范围很小应尽量避免。y=a0+a1x+a2x2+…+anxn（1—1）（3）仅有奇次非线性项多项式（1—1）改写为y=a1x+a3x3+a5x5+…（1—4）特性曲线以坐标原点为对称线性范围较大差动传感器:两个(或偶数个)传感器组成的传感器组。具以下的特性当其一边输出为y1=a1x+a2x2+…+anxn另一边输出为y2=-a1x+a2x2-a3x3+…+(-1)nanxn差动传感大器输出为y=y1—y2=2(a1x+a3x3+a5x5+…)差动传感器可以改善线性，同时输出量放大一倍为了标定和数据处理的方便，对于非线性程度不大的传感器，通常用割线或切线等直线来近似地代表实际曲线的一段，称为传感器非线性的“线性化”。校准曲线：用一定等级的标准设备，对传感器进行反复测试所得各种输入/出数据画成的曲线；拟合直线：是能反映校准曲线的变化趋势且使误差的绝对值为最小的直线。拟合直线可以用多种方法获得：最小二乘法过于复杂，仅适用于非线性次数不高的情况。切线法仅适用于输入变量变化较小的情况。端基连线法大多数情况下采用。（1）切线线性度切线实际特性曲线量程xy0切线线性度零点切线+△MAX端基直线实际特性曲线量程△MAXxy0端基线性度（2）端基线性度传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差端基直线：定义为由传感器量程所决定的实际平均输出特性首、末两端点的连线%100maxSFlY式中：δl—非线性误差，即线性度；Δmax—最大非线性绝对误差；YF.S——满量程输出量。YF·S例：已知某传感器静态特性方程，试分别用端基法及切线法，在0X1范围内拟合直线方程，并求相应的线性度XeY端基法设拟合直线为bkXY因曲线的两个端点分别为（0，1）和（1，e），代入上式，得：1,718.1bk即，端基拟合直线为：1718.1XY求曲线与拟合直线间的Δmax即，求函数1718.1)(xexfx的最大值。令0)('xf即0718.1xe解得：x=0.5412%100maxSFlY212.0)1718.1(max5412.0xxxe%3.12%1001212.0e端基直线实际特性曲线量程△MAXxy0YF·S已知某传感器静态特性方程，试分别用端基法及切线法，在0X1范围内拟合直线方程，并求相应的线性度XeY切线法设拟合直线为bkXY因切点为（0，1），代入上式，得：b=1求切线的斜率：00)(XXXdXeddXdYk10e故拟合直线为：1XY最大偏差在X=1处，718.0)1(max1XXXe%8.41%1001718.0%100maxeYSFl切线法线性度为：2、灵敏度灵敏度:传感器在稳态下输出增量对输入增量之比值线性传感器测量系统，灵敏度为常数：XYK非线性传感器测量系统，灵敏度不是常数：dxdyKd增量式表示微量式表示△m正行程反行程xy03、迟滞性对于某一输入量，传感器在正行程(输入量增大)时的输出量明显地、有规律地不同于其在反行程(输入量减小)时在同一输入量下的输出量，这一现象称为迟滞。迟滞性：传感器在正反行程期间输出、入特性曲线不重合的程度%100SFtYmyF·SΔm：正、反向输出量的最大偏差YF.S：满量程输出值迟滞产生原因：机械部件的摩擦、间隙，磁性材料的磁滞等4、重复性输入量从同一方向作满量程变化时，同一输入量值所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值，他们之间相互偏离的程度便称为传感器的重复性。反映了传感器的精密度%100)3~2(SFzYδz—重复性误差；σ—标准误差。)1/()(12nyynii5、精度精度即精确度:反映传感器系统误差和随机误差的综合误差指标，即准确度和精密度的综合偏差程度。用电工仪表精度的定义，即以满度（或引用）相对误差表示精度。%100SFmYxΔx—在规定测量范围内的最大绝对误差。去掉“%”所得δm值,即表示仪表的精度等级如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级和5.0级共7级。δm值越小，传感器的精度就越高。%100SFmYxΔx—在规定测量范围内的最大绝对误差。去掉“%”所得δm值,即表示仪表的精度等级如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级和5.0级共7级。δm值越小，传感器的精度就越高。二、传感器的动态特性P9传感器的动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。静态测试中，传感器输入量不随时间变化测量和记录传感器的输出、入量不受时间限制实际工作中，被测信号是随时间变化的动态信号不但要测量传感器输入/出信号幅值的变化而且要测量和记录动态信号变化过程的波形参数所以，要求传感器具有较好的动态响应特性动态特性好的传感器，输出再现输入量变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，输出信号输入信号不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。例：动态测温的问题如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t1℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计）这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t1而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t1℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程，如图所示。热电偶反映出来的温度与其介质温度的差值就称为动态误差。t/℃t1t0o0/s动态误差1、动态特性的一般数学模型通常可以用线性时不变系统来描述传感器的动态特性，即以常系数线性微分方程建立传感器输出量y和输入量x间的数学关系。式中ɑn，ɑn–1，…ɑ0和bm，bm-1，…b0均为与测试系统结构有关的常数。yadtdyadtydadtydannnnnn01111xbdtdxbdtxdbdtxdbmmmmmm01111线性时不变系统的两个十分重要的性质：叠加性：输出响应等于各输入信号单独激励的响应之和对复杂激励信号可分解然后求输出响应的和。频率保特性：线性系统稳态响应时输出信号的频率保持与输入信号的频率相同。XH(s)Y传递函数利用拉氏变换将系统微分方程变为传递函数通过求解传递函数来分析传感器的