传感器1章概念和特性

20141传感器原理与应用主讲人：杨湖电话：[phone]E-mail:[e-mail]20142第1章传感器与检测技术基础知识传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置；简单地讲传感器就是将外界被测信号转换为电信号的电子装置。一般地，它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。20143第一章传感器的特性1.1.1静态模型静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态时的输入输出关系检测系统输入量x输出量y理想状态：bxaya---零点输出b---理论灵敏度线性关系实际状态：)(xfy非线性关系xyaO1.1传感器的静态特性检测系统输入x输入y=f(x)温度湿度压力冲击振动电场磁场摩擦间隙松动迟滞蠕变变形老化误差因素外界干扰非线性原因：(结构原理性原因除外)201441.1.2.1传感器的线性度（非线性误差）由于线性度(非线性误差)是以所参考的拟合直线为基准算得的，所以基准线不同，所得线性度就不同。拟合直线的选取方法很多，采用理论直线作为拟合直线，确定的检测系统线性度，称做理论线性度。理论直线通常取连接理论曲线坐标零点和满量程输出点的直线。如图1.1.3所示。y12ΔLmaxymaxxmax0图1.1.3理论线性度示意图xmaxΔHmax012ymax图1.1.4迟滞特性示意图采取不同的方法选取拟合直线，还可以得到不同的线性度。如使拟合直线通过实际特性曲线的起点和满量程点，可以得到端基线性度。使拟合直线与特性曲线上各点偏差的平方和为最小，可得到最小二乘法线性度等。线性度是用实测的检测系统输入-输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的。%100EFSmY(1-1-1)1.1.2静态指标(non-linearity)20145这种方法是按最小二乘原理来求取拟合直线的。该直线能保证传感器校准数据的残（偏）差平方和最小。设拟合直线为，和根据下述分析求得。设实际校准测试点有个，则第个校准数据与拟合直线上相应值之间的残（偏）差为bkxybk)(iiikxbyniiy按最小二乘法原理知，应使最小,即可求得：nii1222)(iiiiiixxnyxyxnk222)(iiiiiiixxnyxxyxb;...21mixxxx;...2211nniiyxyxyxyx;...21miyyyy222212...nixxxx式中最小二乘法201461.1.2.2传感器的灵敏度与分辨率1、灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。可表示为它是输入与输出特性曲线的斜率。如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。否则，它将随输入量的大小而变化。如图1.1.1所示。一般希望灵敏度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。x0ydydx图1.1.1检测系统灵敏度dxdysxys或(1-1-2)(sensitivity)由于输入和输出的变化量一般都有不同的量纲，所以灵敏度s也是有量纲的。如输入量为温度(℃)，输出量为标尺上的位移(格)，则s的量纲为格/℃。如果输入量和输出量是同类量，则此时s可理解为放大倍数。因此，灵敏度比放大倍数有更广泛的含义。20147如果检测系统由于多个环节组成，各环节的灵敏度分别为s1、s2、s3，而且各环节以图1.1.2所示的那样串联的方式相连接，则整个系统的灵敏度可用下式表示s=s1s2s3(1-1-3)提高灵敏度，可得到较高测量精度，但应当注意，灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性往往越差。xy0y2y1s1s2s3图1.1.2串联系统示意图2、分辨率分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。输入量从某个任意值(非零值)缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。(resolution)201481.1.2.3传感器的迟滞与重复性1、迟滞迟滞特性表明检测系统在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程期间，输入-输出特性曲线不一致的程度。也就是说，对同样大小的输入量，检测系统在正、反行程中，往往对应两个大小不同的输出量。通过实验，找出输出量的这种最大差值，并以满量程输出YFS的百分数表示，就得到了迟滞的大小(见图1.1.4)。迟滞可能是由仪表元件存在能量吸收或传动机构的摩擦、间隙等原因造成的。y12ΔLmaxymaxxmax0图1.1.3理论线性度示意图xmaxΔHmax012ymax图1.1.4迟滞特性示意图2、重复性重复性是指传感器在检测同一物理量时每次测量的不一致程度，也叫稳定性。重复性的高低与许多随机因素有关，也与产生迟滞的原因相似，它可用实验的方法来测定。%100EFSmtY(1-1-4)(hysteresis)(repeatability)20149图1.1.5传感器的重复性不重复产生的原因：传感器的机械部分的磨损、间隙、振动、部件间的摩擦、积尘及辅助电路老化、漂移等；重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属随机误差，按极限误差公式计算不合理，因此应根据标准偏差计算，即：%100)32(SFRyE1.1.2.4稳定性(Stability)指在室温条件下，经相当长的时间后，传感器输出与起始标定时的输出之间的差异。差异越小，稳定性越好。1.1.2.5漂移(Excursion)指在外界干扰下，传感器输出量发生了与输入量无关的、不需要的变化。常表现为零点漂移和温度漂移。1.零点漂移（零漂）：指传感器在无输入或在输入量不变时，其输出值偏离零值（或原指示值）的现象。2.温度漂移（温漂）：，指在温度变化时，传感器输出量偏移正常输出值的程度。1.1.2.6准确度（精度）(Accuracy)，表示被测量的测量结果与约定真值之间的一致程度。它是衡量传感器总误差的一个尺度，它不考虑误差的类型和原因，是测量精密度和正确度的综合。1.1.2.7阈值(ThresholdValue)，能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力；有时与零位附近形成死区，此时将死区大小作为阈值。2014101.2传感器的动态特性随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的情况，即输出—输入具有相同的时间函数。实际在动态输入的情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。影响动态特性的因素是多方面的，在工程上常采用输入“标准”信号的函数法分析。并据此确定若干评定动态特性的性能指标，常用的“标准”函数是正弦函数和阶跃函数。对应的分析方法有频率响应法和阶跃响应法。1.2.1传感器的频率响应特性设输入信号为，且响应输出为。则频率特性的物理意义是：当正弦输入信号作用于传感器时，在稳定状态下的输出信号是同频率的正弦信号，其输出量与输入量的复数比称为频率特性（包括幅频特性和相频特性），即tXxsintYysinjjtjtjeAeXYXeYejxjy)()(由于相频特性与幅频特性之间有一定的内在关系，所以研究传感器的频率特性时以幅频特性为主。传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶系统。分析了一阶和二阶传感器的频率响应特性，对各种传感器的动态特性就有了基本了解。1.2.2传感器的阶跃响应特性传感器的动态特性除了用频域中的频率特性来评价外，也可以从时域中的瞬态响应和过渡过程进行分析。常用激励信号是阶跃函数、冲激函数和斜坡函数等。201411图1.1.6传感器的阶跃响应特性3.峰值时间：指最大超调量对应的时间或响应第一次到达最大值时所对应（经历）的时间。描述了传感器的响应速度。4.调整时间：指响应达到允许误差时所须（经历）的时间。一般取2、3或5。5.延迟时间：指响应达到终值的50%所需要（经历）的时间。6.稳态误差：稳态输出值与终值之间的差值。描述了传感器的准确性。pt%stdtsse%100)()()(yytypp对于二阶传感器系统而言，衡量其阶跃响应特性的几项性能指标见图1.1.6所示。1.超调量：指输出响应偏离稳态输出的最大值的百分数，它描述了传感器相对稳定性的好坏。用公式表示为rt2.上升时间：指输出响应第一次到达终值（稳态值）所对应（经历）的时间。描述了传感器的响应速度。上述性能指标一般使用于一阶和二阶传感器，而高阶传感器往往可用一阶和二阶传感器的特性来描述。2014121.3传感器的数学模型从系统角度来说，一个传感器就是一种系统。据系统工程学理论讲，一个系统总可用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性，从而用这种关系指导传感器的设计、制造、校正和应用。1.3.1传感器的静态数学模型nnxaxaxaay...2210传感器静态数学模型有三种有用的特殊形式：1．表示传感器的输出与输入呈严格的理想线性关系且无零漂；2．表示传感器的输出与输入呈偶次非线性关系；3．表示传感器的输出与输入呈奇次非线性关系。xay1...44220xaxaay...55331xaxaay2014131.3.3传感器无失真测试的条件：幅频特性为常数，相频特性为线性关系1.3.4改善传感器性能的技术途径1.结构材料与参数的合理选择；2.差动技术的应用；3.平均技术应用；4.稳定性处理；5.抗干扰技术应用；6.集成化智能化应用；7.校正技术应用1.3.2传感器的动态数学模型1．微分方程xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn01111011112．传递函数011011......)()(asasabsbsbsXsYsGnnnnmmmm2014141.4检测技术概述一、检测的作用与意义二、检测的基本概念三、检测系统构成四、检测系统的静态特性五、检测系统的动态特性六、一般检测方法2014151.4.1检测技术概述一、检测的地位和作用1.信息化是科学技术发展的必然历史时代：手工化机械化自动化信息化…生产方式：人与简单工具动力机与机械自动测量控制智能机械装置…人与机器的机能对应关系：2014162.信息流是客观世界的一个主流•物料流•能流•信息流客观世界信息获取是信息流的一环信息流组成信息流获取传输处理控制…201417•获取信息是仪器科学的基本任务•仪器仪表是信息产业的重要组成部分•仪器仪表是信息工业的源头3检测仪器仪表的作用工业生产倍增器科学研究先行官社会物化法官军事战斗力201418工业生产倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%201419检测技术在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….201420检测技术在工业生产领域的应用离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数作用：现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%201421检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行