第1章 传感器概述与测量技术理论基础

传感器技术及应用•电信系夏银桥•电话：[phone]•邮箱：[e-mail]第1章传感器理论基础教学目标本章阐述传感器及传感技术的作用；传感器及传感技术的特点；传感器的发展趋势；传感器的定义与组成；传感器的分类方法；传感器的特性；测量、测量系统、测量误差和误差分析的基本概念。教学重点传感器的定义、组成及发展趋势传感器的静态特性指标及定量描述方法传感器技术通信技术传感器的作用信息社会的三大技术：信息的采集信息的传输信息的处理计算机技术2.1传感器的概述人和机器进行体力劳动、脑力劳动过程五官感觉传感器大脑筋肉计算机执行器来自外界的信息机器人传感器→电五官举例：汽车用传感器技术是促进汽车电子化发展的关键技术之一。目前，一般普通汽车大约装有几十只到近百只传感器，而豪华高级汽车大约使用200～300只传感器。汽车用传感器主要使用在发动机控制系统和汽车状态控制系统中。汽车发动机控制系统用传感器主要有：1、压力传感器：主要检测汽缸负压、大气压、汽缸内压、油压等；2、温度传感器：主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度等；3、气体浓度传感器：主要用于检测车体内气体和废气排放；4、流量传感器：主要用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比，启动、点火等；5、位置和转速传感器：主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车速等；6、爆震传感器：汽油在即将燃烧而没有发生明显爆燃时，燃烧速度最快、动力性最好。用检测发动机机体振动。霍尔传感器安装位置及作用★作用：感应凸轮轴位置和转速信号，将此信号传给ECU以确定点火时刻和喷油时刻。空气流量计安装位置及作用★作用：热膜式，检测进气量的多少，给发动机ECU提供进气数量信号。ECU的安装位置及作用★作用：发动机管理系统，接收各种输入信号并加以处理，输出执行命令水温传感器安装位置及作用★作用：感应冷却水温度，并将其变成电信号传给ECU爆振传感器安装位置及作用另一爆振传感器安装在三四缸之间的相同位置。★作用：感应发动机工作时的爆振状况。如产生爆振，将信号传给ECU，ECU将对点火时刻进行调整，以消除或减轻爆振。1.1.1传感器的概念和组成国标GB７６６５－８７规定：传感器(sensor)是能感受规定的被测量并能按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。•传感器亦称为：变换器(transducer)、转换器(converter)、检测器(detector)和变送器(transmitter)等通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件转换元件信处理电路电源非电量电量通俗的说法１，传感器是对物理、化学、生物等非电量敏感，并能将其转换成电信号的器件（元件）。非电量电量电量元件信号处理信号显示非电量电量元件２，传感器是将物理、化学、生物等非电量转换成电量，并具有传输、显示等功能的装置。1.1.2传感器的分类压力传感器、位移传感器、温度传感器、角度传感器1.按输入量分类：传感器手册等的编排通常采用这种方法•2.按传感器工作原理进行分类：•应变式传感器，电阻式传感器，•电容式传感器，电感式传感器，•压电式传感器，磁阻式传感器，•霍尔式传感器，磁光式传感器。•通常的教科书均采用这种分类方法3.按能量转换关系分类•按照传感器的能量转换情况，可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类。•所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化(即传感器输入量的变化)只起到控制的作用。如电阻、电感、电容等电参数传感器、霍耳传感器等都属于这一类传感器。•能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电效应等的传感器都属于此类传感器。4.按输出电量的形式进行分类：模拟式传感器数字式传感器1.1.3传感器的基本特性传感器特性：描述传感器输出与输入关系特性静态特性：当输入量为常量，或变化缓慢时的输出与输入之间的关系。动态特性：当输入量随时间较快变化时的输出与输入之间的关系。一个高精度的传感器必须有良好的静态特性和动态特性才能完成信号无失真的转换。动态特性被测量随时间较快变化—动态静态特性或变化很缓慢）被测量不随时间变化（—静（稳）态2.2.1传感器的静态特性静态特性：当输入量为常量，或变化缓慢时的输出与输入之间的关系。传感器的静态特性一般输入量与输出量之间在数值上具有一定的对应关系静态特性方程(不考虑迟滞、蠕变及其他不稳定因素）y=a0+a1x+a2x2+…+anxn式中：a0——输入量x为零时的输出量；a1——线性项系数，也是理想的灵敏度，a2，…，an——非线性项系数。各项系数决定了特性曲线的具体形式传感器静态特性性能指标：1.灵敏度灵敏度：传感器达到稳定工作状态时输出量的变化与引起此变化的输入量变化之比。xyS输入变化量输出变化量输入、输出同量纲时，S称为放大倍数传感器静态特性性能指标：•对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即S=y/x。•非线性传感器的灵敏度为一变量，如图所示。•一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出—输入特性为直线。线性常数xyxyS非线性dxdySnnxaxaxaay22102.线性度一般可用下列多项式表示输出——输入特性在研究线性特性时，可不考虑零位输出。多项式的输出特性曲线如下图所示。（1）理想的线性特性，如下图所示的直线。在这种情况下，有所以传感器的灵敏度为0.....320naaaaxay1常数1axySn1axySn（1）下面介绍多项式的三种特殊情况（2）仅有偶次非线性项，如下图所示.其输出——输入特性方程为.........44221xaxaxay（2）yx0（3）仅有奇次非线性项，如下图所示。其输出——输入特性方程式为.........55331xaxaxay输入量x在相当大的变化范围内具有较宽的准线性性。这是比较接近于理想直线的非线性特性，它相对坐标原点是对称的，即)()(xyxy它具有相当宽的近似线性范围（3）拟合直线:用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。(在非线性误差不大的情况下,采用直线拟合地办法进行线性化)线性度(非线性误差):输入输出特性曲线偏离拟合直线的程度。通常用相对误差表示。%100maxFSLYLyYFSx理想特性曲线实际特性曲线o拟合直线的方法：采用拟合直线的原则：获得最小的非线性误差，使用计算方便。直线的拟合方法：(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合（e）最小二乘法yYFSoLmaxxyYFSL1＝LmaxL2oxyYFSLmaxxyYFSL1L2L3L3＝Lmaxox(a)(b)(c)(d)o实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差，如图中所示的Δ值，取其中最大值与输出满刻度值（满量程）之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。线性化补偿方法①拟合直线法②差动法③非线性补偿法——补偿线路或补偿软件线性化补偿目的：使传感器特性曲线趋于线性，有利于简化传感器的理论分析和设计计算，有利于标定和数据处理，有利于刻度均匀，提高测量精度。以差动工作方式可以消除电气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围。例如差动传感器的一边输出为nnxaxaxaxay.........332211另一边反向输出为nnnxaxaxaxay)1(.........332212总输出为二者之差，即)(25533121xaxaxayyy从此可见，差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，同时使灵敏度提高一倍。3.迟滞（回程误差、变差）Hmax—正反行程间输出的最大差值%100maxFSHyH•回程误差表明的是在正反行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。迟滞（或称迟环）特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出—输入特性曲线不重合的程度。产生回程误差的原因：一般滞后现象引起：由于磁性材料的磁化和材料受力变形仪器的不工作区引起：机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等缺陷造成输入变化对输出无影响。4.重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。yx0Rmax2Rmax1不重复性指标一般采用输出最大不重复误差ΔRmax与满量程输出的百分比表示：%100maxSFRyR%100)32(SFRy重复性误差ez可按下式计算yx0Rmax2Rmax1重复性误差反应的是校准数据的离散程度，属于随机误差。取2：置信概率为95.4%取3：置信概率为99.73％%100)32(SFRy1)(12nyynii式中：yi——测量值；y——测量值的算术平均值；n——测量次数。为标准偏差。误差服从正态分布，标准偏差可以根据贝塞尔公式来计算：5.漂移漂移：指传感器在输入量不变的情况下，其输出量随着时间变化称为漂移。产生原因：传感器自身结构参数；周围环境（如温度、湿度等）常见漂移：温漂零点漂移6.精确度（精度）说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。１精密度：说明测量结果的分散性。对应随机误差。２.正确度：测量结果偏离真值的程度。对应系统误差。３.精确度：它含有精密度与正确度之和的意思，即测量的综合优良程度。简单情况为上述两者之和。通常精度是以测量误差的相对值来表示。•为加深对精密度、准确度和精确度的理解，下面用打靶的例子来说明。子弹落在靶心周围有三种情况：•图(a)的弹着点很分散，表明它的精密度很低；•图(b)的弹着点集中但偏向一方，表明精密度高但准确度低；•图(c)的弹着点集中靶心，则表明既精密又准确，即精确度高。%100.SFYAA式中A－传感器精度；ΔA－测量范围内允许的最大绝对误差；YF.S－满量程输出。工程应用中，引入一个精度等级概念，用A表示，A的数值表示传感器在规定条件下，其允许的最大绝对误差相对于其测量范围的百分数。表示为指传感器在规定测量范内能检测出被测输入量的最小变化量。有时对该值用相对满量程输入值的百分数表示，则称为分辨率。能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力（死区－被测变化量不引起响应的区域）6.分辨力、阈值阈值：一、动态参数测试的特殊问题在实际测试工作中，大量的被测信号是动态信号，传感器对动态信号的测量任务不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号变换过程的波形，这就要求传感器能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真的再现被测信号随时间变化的波形。传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。传感器的动态特性这种影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。一个测量水温的实验过程T0T从T0逐渐上升到T，热电偶指示出来温度从T0上升到T，历经了时间从t0到t的过渡过程，如图所示。没有这样一个过程就不会得到正确的测量结果。而从t0→t过渡过程中，测试曲线始终与温度从T0跳变到T的阶跃波形存在差值，这个差值就称为动态误差，从记录波形看，测试具有一定失真。测试曲线动态误差TtTT0tt0二、研究传感器动态特性的方法及其指标在对传感器进行动态特性的分析和动态标定时，为了便于比较和评价，常常采用正弦变化和阶跃变化的输入信号。在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。带宽是指增益变化不超