第1章 传感器的基础知识

第1章传感器的基础知识1.1检测技术的基本概念1.2传感器的定义和组成1.3传感器的类型和特性1.1检测技术的基本概念测量的基本概念所谓测量，就是人们借助专用技术工具，采用相应方法，对被测量取得定性或定量认识的过程。测量的分类•静态测量和动态测量•直接测量和间接测量•接触式测量与非接触式测量•在线测量和离线测量1.1检测技术的基本概念测量误差及其分类0-AAΔx•绝对误差•相对误差%100xxAΔ示值相对误差%100mmAΔ引用误差1.1检测技术的基本概念测量误差及其分类100mmAS•准确度等级我国的模拟仪表的准确度通常分为7个等级0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.01.2传感器的定义和组成传感器的定义•广义：传感器是一种能把特定的非电量信号（物理量、化学量、生物量登）按一定规律转换成某种便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。•狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。•国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）定义是：能够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和装置。传感器的组成•敏感元件(又称预变换器)感受被测量;•转换元件将响应的被测量转换成电参量;•测量电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。敏感元件转换元件测量电路电量输出被测量1.2传感器的定义和组成1.3传感器的类型和特性传感器的分类•按被测对象的参数分类位移传感器、力传感器、力矩传感器、压力传感器、振动传感器、加速度传感器、流量传感器、流速传感器、液位传感器、温度传感器、湿度传感器等•按变换原理分类电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、超声波传感器、光栅传感器、红外传感器、光纤传感器、激光传感器等•按输出特性的线性与否分类线性传感器和非线性传感器1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标传感器的输入量可分为静态量和动态量。静态量指稳定状态的信号或变化缓慢的信号（准静态）。动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。YfX静态特性可以用函数式表示为1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：2012nnYaaXaXaX各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标2012nnYaaXaXaX1YaX24124YaXaXaX35135YaXaXaX（1）理想的线性特性（2）仅有奇次非线性项（3）仅有偶次非线性项212nnYaXaXaX（4）同时有奇偶次非线性项讨论a0=0时的情形，即静态特性曲线通过原点的情形：理想的线性关系关于原点对称，在输入X=0较大的范围有较好的线性关系线性差，一般很少采用一般情况静态特性校准曲线传感器静态校准曲线(实际曲线)是在静态标准条件下测定的。利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，即可得到输出-输入数据。将这些数据取平均，即为传感器的静态校准曲线。0YX1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）最小检测量和分辨力（4）迟滞（5）重复性（6）零点漂移（7）温漂1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1）线性度yYFSx理想特性曲线实际特性曲线o1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标在规定的条件下，传感器静态校准曲线(实际曲线)与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。max100%FSLYYYXYiXiY=kX+b（1）线性度LmaxYFSY是校准曲线与拟合直线间的最大偏差是传感器满量程输出是线性度maxY可见，直线拟合方法不一样，线性度会不一样1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标YXYiXiY=kX+bmaxY理想直线的选择原则是：既能反映实际曲线的趋势，又能使非线性误差的绝对值最小。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。①端点连线(端基法)拟合；②最小二乘拟合；③理论拟合；④端点连线平移拟合；常用拟合方法：1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1）线性度a)理论拟合b)端点连线拟合c)端点连线平移拟合1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1）线性度最小二乘法拟合设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法y=kx+b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响应值之间的残差为：Δi=yi-(kxi+b)1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1）线性度0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法min2112niiiniibkxy最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式2i2i1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1）线性度即得到k和b的表达式022iiiixbkxyk0122bkxybiii1112211()nnniiiiiiinniiiinxyxynxxk211112211()nnnniiiiiiiiinniiiixyxxybnxx将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线。差动测量方法:利用两个性能相同的传感器进行差动输出测量。即一个传感器感受正方向变化，一个感受负方向的变化，差动输出：2012nnYaaXaXaX设某传感器静态特性为：则正方向传感器：234101234YaaXaXaXaX负方向传感器：234201234YaaXaXaXaX那么差动输出为：35121352()YYYaXaXaX其优点：①消除偶阶次非线性误差;②灵敏提高一倍;③消除了零位输出采用差动法来改善线性度1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度K传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。'dfxdyKfxdxdx输出变化量输入变化量1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标1)对线性传感器,灵敏度是直线的斜率：xy0ΔxΔyK=Δy/Δx可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度K是一常数，与输入量大小无关。（2）灵敏度K1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标2)对非线性传感器,灵敏度是一个变量，不同地方灵敏度不同：非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。xy0dxdydxdy（2）灵敏度K1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标（3）分辨力或分辨率分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入变化量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化---数字式传感器，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标传感器在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迟滞。(4)迟滞产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标例：某电子秤：增加砝码10g——50g——100g——200g电桥输出0.5mv---2mv---4mv---10mv减砝码输出1mv---5mv---8mv---10mvmax21HYY为正、反行程输出值间的最大差值.maxmaxH21YΔH(4)迟滞1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标(5)重复性传感器输入量按同一方向在全测量范围内作多次测量时，输出特性不一致的程度。2~3为置信度;niinyyn121)(11其中：是各点标准偏差的最大值，当各点标准偏差用贝塞尔公式计算得到时：max其中,n为测量次数。属于随机误差,可用标准偏差表示：1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标(5)重复性传感器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。除了标准偏差外，也可用最大重复偏差表示：max100%FSRRY1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标(6)零点漂移传感器在没有输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行一次读数，其输出值偏离零值（或原来的示值）即为零漂。其中为最大零点偏移。0max.100%FSyy零点漂移0maxy1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标(7)温度漂移温漂表示在输入不变的情况下，传感器输出值随着温度的变化而变化的特性。其中为最大偏差。max.100%TFSy温度漂移max温漂是以单位温度变化引起的最大输出变化量与满量程输出的百分比来表示的。为温度变化范围。T1.3传感器的类型和特性传感器的静态特性指标