传感器原理及其应用 第1章 传感器的基本知识

武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识武汉理工大学机电工程学院WuhanUniversityofTechnology武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识“电五官”人体与自动化测控系统的对应关系武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识长江二桥现场物理层传感器及数据采集传输系统数据层数据处理及数据库管理系统信息层信息处理及应用系统应用层数据采集及通信软件综合数据库管理软件安全营运及预警报告系统软件维护决策支持系统软件健康状况评估专家系统软件信息查询统计分析远程管理状态评估养护决策费用分析预警预报灾害处理环境载荷检测温度、风速风向、雨量等车辆载荷检测车速、交通量、视频、称重等结构响应检测张力、应变、线型、位移等武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识1.定义：传感器(Transducer/Sensor)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或装置。（国标GB7665—2005）1.1传感器的基本概念1.1.1传感器的定义与组成（2）传感器的输入量是某一被测量，可以是物理量、化学量……（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器定义有下述含义：武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识工业检测中涉及的物理量分类热工量：温度t（℃、K、℉）压力（压强）p（Pa）、压差Δp、真空度、流量q（t、m3）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）机械量：直线位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、转速n（r/min）、应变ε（m/m）、力矩T（Nm）、振动、噪声、质量（重量）m（kg、t）几何量：长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识物体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色状态量：工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）电工量：电压、电流、频率、电阻、电容、电感……这些量在电工、电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识（4）传感器的输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度；（3）传感器的输出量是某种物理量，一般为便于传输、转换、处理、显示的电量（电压、电流、电阻、电感、、、）；2.组成传感器的组成武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数（如电阻R，电感L，电容C）或电流、电压等电量。信号转换电路：将转换元件输出的电路参数接入信号调理电路并将其转换成易于处理的电压、电流或频率量。武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识1-弹簧管;2-电位器;3－电刷；4－齿条、齿轮副压力图示压力传感器的敏感元件、转换元件各是什么？武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。弹簧管实物图武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识弹簧管压力传感器的外形及内部结构武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识分类方法传感器的种类说明按输入量分类位移传感器、温度传感器、压力传感器、、、传感器以被测物理量命名按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、传感器以工作原理命名按物理现象分类结构型传感器传感器依赖其结构参数变化实现信息转换物性型传感器传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换按能量关系分类能量转换型传感器传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量按输出信号分类模拟式传感器数字式传感器输出为模拟量输出为数字量1.1.2传感器的分类武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识1.1.3传感器的物理定律（1）守恒定律（能量、动量、电荷量等守恒定律）（2）场的定律（运动场的运动定律，电磁场的感应定律等）（3）物质定律（如虎克定律、欧姆定律等）（4）统计法则武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识1.2传感器的基本特性传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响输出可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识1.2.1传感器的静态特性在输入量（被测量）处于稳定状态（常量，或变化极慢的量）时传感器的输入/输出关系称为静态特性。静态特性的数学描述就是传感器的静态模型。在不考虑迟滞、蠕变和摩擦等外部因素的情况下，传感器的输出与输入静特性可用多项式代数方程来表示：230123nnyaaxaxaxaxL式中，y——输出量；x——输入量；a0——零位输出；a1——传感器的线性灵敏度，常用K或S表示；a2，a3，…，an——非线性项的待定常数。武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识(1)线性度(Linearity)指传感器输出与输入之间的线性程度。具有线性输出—输入关系的优点：可大大简化传感器的理论分析和设计计算；传感器的标定、数据处理很方便；仪表刻度盘可均匀刻度，制作、安装、调试容易；避免了非线性补偿环节。武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。理想的线性特性：y=a1x静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。在使用非线性特性的传感器时，在测量误差容许的条件下，用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器非线性特性的“线性化”(Linearization)武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差(LinearityError)或线性度(Linearity:theclosenessbetweenthecalibrationcurveandaspecifiedstrightline.)通常用相对误差eL表示：Δmax一最大非线性误差；yFS—满量程输出。max100%LFSey武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合(ａ)理论直线法(ｂ)端点连线法(ｃ)端点连线平移法(d)最小二乘拟合法武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合设拟合直线方程：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)2i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a和k的表达式2i武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识022iiiixbkxyk0122bkxybiii即得到k和b的表达式:22iiiiiixxnyxyxnk222iiiiiiixxnyxxyxb将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识(2)迟滞(Hysteresis)0yx⊿HmaxyFS迟滞特性传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。max100%HFSHeyg武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识(3)重复性(Repeatability)yx0⊿Rmax2⊿Rmax1max/100%RRFSey重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin，算出最大值与最小值之差或3σ作为重复性偏差ΔRi，在几个ΔRi中取出最大值ΔRmax作为重复性误差。(2~3)/100%RFSey武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识es=(Δk/k)×100%由于某种原因，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表示，即可见，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。（4）灵敏度(Sensitivity)K=Δy/Δx传感器输出的变化量y与引起该变化量的输入变化量x之比即为其静态灵敏度，其表达式为武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识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。(5)分辨力(Resolution)与阈值(threshold)分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。(6)漂移(Drift)漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移(时漂)和温度漂移(温漂)。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识1.2.2传感器的动态特性(DynamicCharacteristics)对随时间变化的动态信号测量时，要求传感器能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真地再现被测信号随时间变化的波形。传感器的动态特性指传感器对随时间变化的输入信号的响应特性。【例】将处于环境温度中（0℃）的水银温度计快速地置于恒定30℃的水中时，观测水银柱的变化可知，水银柱不是立即达到输入信号的量值，而是经过了一定的时间延迟t0。武汉理工大学机电工程学院第1章传感器的基本知识频域：频率响应法(Periodicinputs)输入信号：正弦周期信号(sinusoidalsignal)指标：频带宽度研究传感器动态特性的方法及其指标时域：瞬态响应法（Transientinputs）输入信号：阶跃函数(stepsignal)、斜坡函数(rampsignal)、脉冲函数(imp