第2章 传感器的基础知识

第2章传感器的基础知识本章主要内容:2.1传感器的基本概念2.2传感器的基本特性2.3传感器的标定和校准2010.9.3（2学时，5.6节.5-101）本章的教学要求及重点、难点教学要求：了解传感器的定义、组成及分类。掌握传感器的静态特性（线性度、灵敏度、迟滞或回程误差、重复性）及分析方法。了解传感器动态特性及分析方法，了解传感器标定方法。重点及难点：重点：传感器的静态特性指标。难点：传感器的动态特性及分析方法、传感器的标定。2.1传感器的基本概念1.传感器的定义传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。2.传感器的基本组成传感器的基本功能是检测信号并进行信号转换，因此传感器通常由敏感元件和转换元件构成。3.传感器的分类传感器从不同的角度有许多分类方法。目前一般采用两种分类方法：①一种是按检测对象分，如温度、压力、位移、速度等，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等。②另一种是按传感器的工作原理分，如光电、压电、热阻等，相应的有光电传感器、压电传感器、热电式传感器等。2.2传感器的基本特性传感器的基本特性主要分为：静态特性和动态特性。一．静态特性是指传感器的输入为不随时间变化的恒定信号或缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的静态特性可以用代数方程和其特性指标来描述。1.数学描述：如果不考虑迟滞及蠕变效应，其静态特性可用下列代数方程来表示：a1,a2,…an决定特性曲线的形状和位置的系数，一般通过传感器的校准试验数据经曲线拟合求得，可正可负。2.特性指标：主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性（分辨力、漂移、稳定性、阈值)等。(1)线性度反应传感器输出量与输入量之间数量关系的线性程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Δmax与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用γ表示yYFSx理想特性曲线实际特性曲线o(2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，其定义为输出量的增量Δy与引起该增量的相应输入量增量Δx之比。用S表示灵敏度，即，对线性传感器：S是一个常数，如图（a）所示；对非线性传感器，S是个变量，表示某一工作点的灵敏度，如图（b）所示。oxyyxyxyxyx(a)(b)o(3)迟滞传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图所示。迟滞误差:传感器在全量程范围内最大的迟滞差值ΔHmax与满量程输出值YFS之比，用表示，即(4)重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图所示。重复性误差：属于随机误差，常用标准差σ计算，也可用正反行程中最大重复差值ΔRmax计算。即(5)分辨力：用来表示传感器或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力，是有量纲的数，通常以最小量程的单位值表示。当被测量变化值小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。(6)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。(7)稳定性:传感器在相当长的时间内仍保持其性能的能力。在室温条件下，经过规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。(8)阈值：传感器产生可测输出变化量时的最小被测输入量值。二.动态特性动态特性是指传感器的输入为随时间变化的信号时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的动态特性可通过动态数学模型和动态特性指标来描述。1.动态数学模型描述⑴零阶系统：它是一种与频率无关的环节，又称比例环节或无惯性环节。K：传感器静态灵敏度或放大系数。⑵一阶系统：当式（2-1）中除了外，其他系数均为零时，则即τ:时间常数，k:静态灵敏度。不带套管热电偶测温系统可看作一阶系统。⑶二阶系统：二阶系统的微分方程，即2.动态特性指标：时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。⑴单位阶跃响应性能指标下图分别为一阶传感器输出的单位阶跃响应曲线和衰减振荡的二阶传感器输出的单位阶跃响应曲线对一阶系统：时间常数τ——传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间；延迟时间tr——传感器输出达到稳态值的50%所需的时间；上升时间td——传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。对于二阶系统:峰值时间——tp振荡峰值所对应的时间；最大超调量——σP响应曲线偏离稳态值的最大值；上升时间—tr响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间；延迟时间——td响应曲线上升到稳态值的50%所需的时间；调节时间——ts响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。误差带通常规定为稳态值的±5%或±2%；稳态误差——ess系统响应曲线的稳态值与希望值之差。⑵频域频率特性指标：通频带、工作频带、时间常数、固有频率、相位误差、跟随角。通频带（）：传感器在对数幅频特性曲线上衰减3dB时所对应的频率范围。工作频带：当传感器的幅值误差为±5%或±10%时其增益保持在一定值内的频率范围。固有频率：相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值。跟随角：当时，对应于相频特性上的相角。时间常数：表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越宽。三.传感器的互换性指被同样的传感器替换时，不需要对其尺寸及参数进行调整，仍能保证误差不超过规定的范围。2.3传感器的标定和校准一.基本概念1.标定：是利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度。2.校准：是指对传感器在使用中和储存后进行的性能再次测试。3.标定基本方法利用标准仪器产生已知的非电量并输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量进行比较从而得到一系列标准数据或者曲线。4.标定手段：通过实验建立传感器输入量与输出量之间的关系，同时确定出不同使用条件下的误差关系。二.静态标定静态标定是指在输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如线性度、滞差、灵敏度和重复性等指标的确定。注意：对传感器进行标定，是根据实验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。三．动态标定动态标定主要是研究传感器的动态响应，常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如时间常数、固有频率()和阻尼比等。五.标定过程步骤(1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点。(2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值。(3)将输入值由大到小一点一点的减小，同时记录下与各输入值相对应的输出值。(4)按(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出与输入测试数据用表格列出或画成曲线。(5)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、滞后和重复性等静态特性指标。本章小结