传感器与检测技术

《传感器与检测技术》主讲吴光杰重庆三峡学院V第一章传感器与检测技术基础第二章电阻式传感器第三章电感式传感器第四章电容式传感器第五章磁敏式传感器第六章压电式传感器第七章光电式传感器第八章热电式传感器第九章气、湿敏传感器第十章智能传感器第11章传感器的标定及传感器的正确选用传感器与检测技术第一章传感器与检测技术基础第一节传感器的组成与分类第二节传感器的作用与地位第三节传感器的数学模型第四节传感器的特性与技术指标第五节检测技术基础第六节测量误差及其处理方法第七节练习第一节传感器的组成与分类主要内容1、传感器的定义2、传感器的组成3、传感器的分类传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的定义V图1-1传感器组成方块图敏感元件转换元件信号转换调节电路辅助电源传感器的组成用方块图表示，如图1-1所示分类方法传感器种类按输入量分类位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按能量关系分类能量转换型传感器能量控制型传感器按输出信号分类模拟式传感器数字式传感器传感器的分类第二节传感器的作用与地位传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以传感器的作用与地位就特别重要了。科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。所以，20世纪80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，备受重视。第三节传感器的数学模型主要内容1、传感器的静态数学模型2、传感器的动态数学模型一般可用n次多项式来表示：（1-1）式中x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性项系数，也称线性灵敏度，常用K或S表示；a2,a3,…,an为非线性项系数，其数值由具体传感器的性质决定。2012...nnyaaxaxax静态数学模型1、理想的线性特性：2、仅有偶次非线性项：3、仅有奇次非线性项：1yax2421242...nnyaxaxaxax352113521...nnyaxaxaxax(1-2)n=1,2…(1-3)n=1,2…(1-4)传感器静态数学模型有用的三种特殊形式：静态数学模型一般采用微分方程和传递函数描述。1.微分方程：式中：x(t)为输入量，y(t)为输出量，an，an-1，…a0；bm，bm-1，…，b0分别为与传感器结构有关的常数。1110111101nnnnnnmmmnmmdydydyaaaaydtdtdtdxdxdxbbbbxdtdtdt动态数学模型（1-5）2.传递函数系统的传递函数是在线性常系数系统中，当初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换Y(s)与输入量的拉氏变换X(s)之比，用G(s)表示为：11101110()()()mmmmnnnnbsbsbsbYsGsXsasasasa（1-6）动态数学模型第四节传感器的特性与技术指标主要内容1、传感器的静态特性2、传感器的动态特性1、线性度最小二乘法2、迟滞3、重复性4、灵敏度与灵敏度误差5、分辨率6、稳定性7、漂移传感器的静态特性主要内容线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度，又称非线性误差。（1-7）式中——非线性最大误差；——满量程输出。%100maxyLFSLmaxLyFS线性度图1-2各种直线拟合方法各种直线拟合方法如图1-2。最小二乘法()iiiiykxb(1-9)其中最小二乘法的精度最高。最小二乘法在误差理论中的含义是：在具有等精度的多次测量中求最可靠值时，是当各测量值的残值的残差平方和为最小时，所求得的值，也就是说，把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟合的直线，其校准点与对应的拟合直线上的点之间的残差平方和为最小。设拟合直线方程为ykxb若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为(1-8)最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，也就是使对k和b的一阶偏导数为零，即nii1222()()0iiiiykxbxk22()(1)0iiiykxbbnii12(1-10)(1-11)最小二乘法从而求得k和b的表达式为在获得k和b的值之后，代入1-8式即可求得拟合直线，然后按式1-7求得误差的最大值即为非线性误差。22()iiiiiinxyxyknxx222()iiiiiixyxybnxx（1-12）（1-13）最小二乘法迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。如图1-3所示。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示：式中——正反行程间输出的最大差值。max1100%2HFSHryHmax(1-14)图1-3迟滞特性图迟滞重复性图1-4所示为校正曲线的重复特性。max100%RFSRry正行程的最大重复性偏差为△Rmax1,反行程的最大重复性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即式中△Rmax----输出最大不重复误差。（1-15）图1-4重复特性重复性灵敏度与灵敏度误差传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为静态灵敏度，其表达式为：对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率；非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量；其表达式为（1-17）由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差来表示()ydydfxkxdxdxykx%100kks（1-16）（1-18）分辨率分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表示。稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性来表示，长期稳定性指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。1、阶跃响应特性2、频率响应特性传感器的动态特性主要内容图1-5是两条典型的阶跃响应曲线，一条近似于一阶系统的阶跃响应（点划线），另一条近似二阶系统的阶跃响应（实线）。图1-5两条典型的阶跃响应曲线阶跃响应特性与这两种阶跃响应有关的动态响应指标有：（1）最大超调量响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示，能说明传感器的相对稳定性。显然超调量越小越好。（2）延迟时间阶跃响应达到稳态值50%所需要的相应时间。（3）上升时间通常是阶跃响应由稳定值的10%上升到90%之间的时间。（4）峰值时间响应曲线上升到第一个峰值所需要的时间。（5）响应时间响应曲线逐渐趋于稳定，到与稳态值之差不超过（5%-2%）所需要的时间。阶跃响应特性通常表示传感器的动态特性时，用幅频特性。图1-6所示的是一个典型的对数幅频特性图。图1-6对数幅频特性曲线频率响应特性第五节检测技术基础主要内容1、检测技术概念与作用2、自动检测系统的基本组成测量是指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。检测技术概念与作用自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。图1-7检测系统的组成框图自动检测系统的基本组成第六节测量误差及其处理方法主要内容1、测量方法2、误差处理按测量手段分类，分为：1、直接测量2、间接测量3、联立测量按测量方式分类，分为：1、偏差式测量2、零位式测量3、微差式测量测量方法1、直接测量使用测量仪表进行测量，对仪表读数不需要经过任何运算，就能直接得到测量的结果，称为直接测量。2、间接测量在使用仪表进行测量时，首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量，将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需测量的结果，这种测量方法叫间接测量。3、联立测量在使用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果，则这样的测量称为联立测量。测量方法1、偏差式测量在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的测量方法称为偏差式测量。测量方法图1-8压力表图1-8所示的压力表就是这类仪表的一个示例。压力表2、零位式测量在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量法。测量方法如图，用电位差计测量电势就属于零位式测量法。图示电路是电位差计的简化等效电路。在进行测量之前，应先调R1,将回路工作电流I校准；在测量时，要调整R的活动触点，使检流计G回零，这时Ig为零，即是UR=Ux，这样，标准电压的值就是表示被测未知电压值Ux。图1-9电位差计简化等效电路电位差计简化等效电路3、微差式测量这种方法是将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值，然后用偏差法测得此差值。设N为标准量，x为被测量，Δ为二者之差，则x=N+Δ,即被测量是标准量与偏差值之和。测量方法如图1-10所示，R0与E表示稳压源的等效内阻和电动势，RL表示稳压电源的负载。RP1、R、E1表示电位差计。图1-10微差法测量稳压电源输出电压的微小变化微差式测量误差处理•一、误差与精确处理•二、测量数据的统计处理•三、间接测量中误差的传递•四、有效数字及其计算法则主要内容误差与精确处理主要内容(1)绝对误差与相对误差(2)系统误差、偶然误差和疏失误差(3)基本误差和附加误差(4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法Ⅰ.绝对误差绝对误差是仪表的指示值x与被测量的真值x0之间的差值，记做δ绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同。引入绝对误差后，被测量真值可以表示为0xxcxxx0绝对误差与相对误差（1-19）Ⅱ.相对误差相对误差是仪表指示值的绝对误差δ与被测量真值x0的比值，常用百分数表示，即相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。在上面的例子中显然，后一种长度测量仪表更精确。%100%100000xxxxr%01.0%10010001.01r%005.0%10020001.02r绝对误差与相对误差（1-20）在实际测量中，由于被测量真值是未知的，而指示值又很接近真值。因此，可以用指示值x代替真值x0来计算相对误差。使用相对误差采评定测量精度，也有局限性。它只能说明不同测量结果的准确程度，但不适用于衡量测量仪表本身的质量。因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值。随着被测量的减小相对误差变大。为了更合理地评价仪表质量；采用了引用误差的概念。引用误差引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值，通常以百分数表示。引用误差如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值δm代替δ，则可得到最大引用误差r0m。%1000Lr%1000Lrmm引用误差（1-21）Ⅰ.系统误差在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。Ⅱ.偶然误差当对某一物理量进行多次重复测量时，会出现偶然误差。Ⅲ.疏失误差疏失误差是由于测量者在测量时的疏忽大意而造成的，如仪表指示值读错、记错等。系统误差、偶然误差和疏失误差1.基本误差基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。2.附加误差当仪表的使用条件偏离额定条