北航传感器原理4

传感器技术及应用——传感器的特性（一）李成2013.03.19思考题(第1讲：绪论)1.如何理解传感器?2.举例说明传感器在信息技术中的重要性(3个)。3.与传感器相关的几个概念（1）传感器与变送器（2）Sensor&Transducer（3）传感器与测量课程回顾1：思考题(第2讲)1.与传感器相关的一些基本概念——测量2.如何获得传感器的静态特性？3.怎样评价其静态性能指标？4.传感器静态校准的条件是什么？5.实验——数据处理——指标第2讲：传感器的输入输出特性引言：与传感器测量相关的一些基本概念具体内容：2.1传感器静态特性的一般描述2.2传感器的静态标定2.3传感器的主要静态性能指标及其计算2.4非线性传感器静态性能指标计算的讨论第2讲：传感器的输入输出特性科学始于测量,没有测量，便没有精密的科学。门捷列夫仪器科学与光电工程学院信息技术包括测量技术、计算机技术和通信技术，测量技术是信息技术的关键和基础。钱学森引言与传感器相关的基本概念具有标准量值及单位输出的测量装置，有时对输入也有一定约束利用某种装置对可观测量(或称被测参数)进行定性或定量的过程具有分析、处理功能的测量装置被测量(measurand)：测量(measurement)：仪表(meter)：仪器(instrument)：变送器(transmitter)：作为测量对象的特定量具有目视输出的测量装置引言与传感器相关的基本概念仪器科学与光电工程学院测量工具测量误差引言与传感器相关的基本概念测量测量模型传感器性能指标输入输出特性仪器科学与光电工程学院测量的基本概念测量的理解测量的历史测量的实现测量的分类测量的表征仪器科学与光电工程学院测量的理解测量是将被测量与一个作为测量单位的标准量进行比较得出比值的过程。完整的测量过程包括：被测量、测量单位、测量方法、测量精度测量结果＝测量数值×测量单位测量方法可以理解为测量原理、测量器具和测量条件的总和仪器科学与光电工程学院古代测量工具-度量衡度、量、衡？仪器科学与光电工程学院古代测量工具—度：主要差距：现代游标卡尺应用微分原理，通过对齐主尺和副尺的两条刻线，能精确地标出本尺所能测出的精密度，而铜卡尺只能借助指示线，靠目测估出长度单位“分”以下的数据。铜卡尺由固定尺和活动尺等部件构成。固定尺通长13.3cm，固定卡爪长5.2cm、宽0.9cm、厚0.5cm。卡尺《大戴礼记.王言》篇所谓“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”现代长度测量方法?仪器科学与光电工程学院古代测量工具—量：现代容积测量方法?《尔雅.广器》说：“一手之盛，谓之溢；两手谓之掬，掬四谓之斗。”体积/容积仪器科学与光电工程学院古代测量工具—衡：衡器“权衡”或“衡器”：“权”是砝码或秤锤，“衡”是秤杆双支点秤，俗称“铢秤”，改变测量范围现代重量测量方法?仪器科学与光电工程学院测量的实现—传感器使用对象属性影响影响影响测量策略、算法数据状态参数命令被测信息原理方法被测对象仪器系统测量人员测量环境激励信号选择仪器决定方法图1-3测量的基本要素仪器科学与光电工程学院测量的分类按所测得的量（参数）是否为欲测之量直接测量和间接测量按零件上同时被测参数的多少分类单项测量和综合测量按被测工件在测量时所处状态分类静态测量与动态测量按测量中测量因素是否变化分类等精度测量和不等精度测量其他，如接触测量和非接触测量等仪器科学与光电工程学院测量的表征:单位制与基准单位制的重要性工业参数：（温度、压力、流量、磁场强度…）日常生活—消费：（欧元、泰铢、韩元、人民币？）—交通：（时间、交通流量、尾气排放？）—大气污染：（PM2.5，PM10？）仪器科学与光电工程学院测量的表征：古代度量衡的单位清代学者阮元：“古度量衡短小且轻，今度量衡长大且重”夏禹以自己的身长、体重作为长度和重量的标准等。春秋诸侯国有各自的度量衡计量单位制和不同的计量器具系列。容量器在鲁国有釜、庾、秉，齐国有豆、区、釜、钟、秦国为升、斗、桶。秦、燕、楚、三晋用天平砝码称重，单位为石、钧、斤、两、铢、累，非十进制。战国秦以六尺为步，二百四十方步为一亩。秦二十六年(公元前221年)，秦始皇统一全国后，以寸、尺、丈、引为单位，以十为进制；量制方面以龠、合、升、斗、桶(斛)为单位，以十为进制；衡制方面以铢、两、斤、钧、石为单位。秦朝统一的度量衡制沿用了2000多年，形成了我国计量单位制独特的体系。东汉末年1尺=0.23米1尺=XX米？《三国演义》中说东汉末年的张飞身长八尺，实际有多高？仪器科学与光电工程学院测量的表征：国际单位制国际单位制[SI]SI单位7:基本单位19:导出单位用基本单位表示的具有专业名称的用专门名称表示的2:辅助单位SI词头SI单位的十进倍数与十进分数单位由SI词头加SI单位构成七个基本单位？（长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度）仪器科学与光电工程学院测量的基准基准用来复现某一基本测量单位的量值，只用于鉴定各种量具的精度，不直接参加测量。一级基准，又称主基准和国家基准–具有最高水平的基准。一个国家只有一个。二级基准，又称副基准–副基准的量值精度由主基准确定，用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对三级基准，又称工作基准–工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递，用以检定下属计量标准量具的精确度。激光测距传感器热态在线测量大型锻件尺寸传感器测量应用实例锻件温度一般在750℃到1200℃三维激光扫描测量性能指标：测量范围、精度、分辨率、单位、工作环境…；测量标定：传感器（测量工具）、标定（基准）传感器技术参数实例传感器的特性与选型传感器的性能要求1）灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；2）噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；3）滞后、漂移误差小；4）动态特性良好；5）接入测量系统时对被测量产生影响小；6）功耗小，复现性好，有互换性；7）防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；8）结构简单，容易维修和校正；9）满足应用环境条件的工作要求；10）低成本，通用性强。工业传感器选型的基本原则1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型；2、灵敏度的选择；3、频率响应特性；4、线性范围；5、稳定性；6、精度；7、成本；8、自制传感器（特殊场合、没办法）。引言与传感器相关的基本概念仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.1传感器静态特性的一般描述2.2传感器的静态标定2.3传感器的主要静态性能指标及其计算2.4非线性传感器静态性能指标计算的讨论第2讲：传感器的输入输出特性仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.niiixaxfy0xaay10xay12.1传感器静态特性的一般描述xy、—传感器的输出、输入仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.1传感器静态特性的一般描述2.2传感器的静态标定2.3传感器的主要静态性能指标及其计算2.4非线性传感器静态性能指标计算的讨论第2讲：传感器的输入输出特性仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.非电量电量标定：在明确输入-输出变换对应关系的前提下，利用某种标准或标准器具对传感器进行标度。校准：传感器在使用中或存储后进行的性能复测。二者本质相同。传感器的标定与校准的基本概念2.2传感器的静态标定仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响传感器输入输出特性输出衡量传感器特性的主要技术指标取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。2.2传感器的静态标定仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.niiixaxfy0静态标定(Calibration)或静态校准传感器的静态特性在一定的标准条件下，利用一定等级的标定设备对传感器进行多次往复测试的过程—寻求系数ia2.2传感器的静态标定仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.niiixaxfy0在一定的标准条件下，利用一定等级的标定设备对传感器进行多次往复测试的过程标准标定设备被校测试系统输入量输出量输出量—寻求系数ia2.2传感器的静态标定仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.2.1静态标定条件1.对标定环境的要求2.对所用的标定设备的要求3.标定过程的要求(1)无加速度,无振动,无冲击；(2)温度在15～25℃；(3)湿度不大于85％RH；(4)大气压力为0.1MPa。ms31ms101；ijiyxuijiyxd；2.2传感器的静态标定仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.7个基本量：长度、质量、时间、温度、电流、发光强度、物质量2个辅助量：平面角、球面角一定等级的?2.2传感器的静态标定仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.静态标定过程步骤：⑴将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；⑵根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；⑶将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；⑷按⑵、⑶所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出－输入测试数据用表格列出或画成曲线；⑸对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。2.2传感器的静态标定仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.2.2传感器的静态特性mjijijiyymy1du21iiyx，2.2传感器的静态标定ijiyxuijiyxd；标定曲线仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.2.3压力传感器的静态标定标定设备：液体压力计、活塞式压力计和压力定点方法。活塞式压力计是基于帕斯卡原理和平衡原理进行工作的。标定方法：加载法和卸载法注：不同原理的传感器，配用不同的二次仪表。活塞压力计标定压力示意图标定压力曲线2.2传感器的静态标定仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.2传感器的静态标定2.2.4电涡流传感器的静态标定标定设备：系统由静校器、测量电路、高稳定度稳压电源、数个电压表、被测导体及被校传感器组成。静标定系统示意图仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.2传感器的静态标定2.2.4电涡流传感器的静态标定标定方法：将被校准传感器固定于静校器上，并将传感器输出送到测量电路中。被测导体（测试盘）和静校器的千分尺相连，旋动千分尺，被测导体和传感器之间便有相对位移。U-x特性曲线当被测导体和传感器端面接触时，x=0，然后反转千分尺，记下不同x值时，传感器的输出电压读数。根据测得的数据，可绘出U-x特性曲线。仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electro.Eng.2.1传感器静态特性的一般描述2.2传感器的静态标定2.3传感器的主要静态性能指标及其计算2.4非线性传感器静态性能指标计算的讨论第2讲：传感器的输入输出特性仪器科学与光电工程学院SchoolofInstru.Sci.&Opto-electr