第一章-传感器技术基础知识

传感器与检测技术第一章传感器技术基础知识1.1传感器的组成和分类1.2传感器的基本特征1.3检测技术的基础知识第一节传感器的组成和分类广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。一、传感器的组成根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。包含的概念：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器是检测系统的第一个环节。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路。敏感元件转换元件辅助电源信号调理转换电路被测量电量输出敏感元件能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件，如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件。转换元件上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。转换电路转换元件输出的电路参数接入基本转换电路便可转换成电量输出。由于输出信号比较微弱，需要通过信号调理和转换电路进行放大和运算调制，同时必须有辅助电源。1．根据被测物理量分类速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。(适用于实际使用者)2．按工作原理分类应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。（适用于初学者）3．按能量的传递方式分类有源和无源传感器。二、传感器的分类第二节传感器的基本特性一、传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。其输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等1．线性度线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。可分为线性特性和非线性特性。用一个多项式表示：式中：a0——输入量x为零时的输出量；a1，a2，…，an——非线性项系数。实际使用中，希望得到线性关系，如非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，如图1-2所示，使传感器输出—输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。nn22110xaxaxaay...图1-2几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合即使是同类传感器拟合直线不同其线性度也是不同的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（或线性度），通常用相对误差γL表示：式中：ΔLmax——最大非线性绝对误差；YFS—满量程输出。用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。相对偏差γL%100maxFSLYL2．灵敏度灵敏度S：传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量的输入量增量Δx的比值，即：线性传感器灵敏度是它的静态特性的斜率，即S为常数。非线性传感器它的灵敏度S为一变量，用下式表示。xySdxdyS传感器的灵敏度如图1-3所示。xyddSOOYoYYXXYxy-yS0ydxda）线形传感器b）非线形传感器3．迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。结论：对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因：传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的。迟滞大小通常由实验确定迟滞误差γH式中：ΔHmax—正反行程输出值间的最大差值。%10021maxFSY4．重复性重复性：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重复性误差γR属于随机误差，常用标准偏差表示，也可用正反行程中的最大偏差表示，即：%10021maxFSRYR二、传感器的动态特性传感器的动态特性：其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化，是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动特性来表示。除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。动态测温问题实例把一支温度计从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时温度计温度从t0℃突然上升到t，而温度计反映出来的温度从t0℃变化到t℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程。温度计反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。造成温度计输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度计有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。这种热惯性是温度计固有的，决定了温度计测量快速温度变化时会产生动态误差。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究传感器动特性时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。下面分析以正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。1．瞬态响应特性传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。传感器的动态性能指标有以下几个方面：（1）一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器单位阶跃响应的通式：)()()(txtydttdyx(t)、y(t)分别为传感器的输入量和输出量。它们都是时间的函数，表征传感器的时间常数，具有时间“秒”的量纲。一阶传感器的单位阶跃响应信号为：te1ty)(相应的响应曲线：传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。（2）二阶传感器的单位阶跃响应)t(xw)t(ywdt)t(dywdt)t(ydnnn22222固有频率ωn由传感器主要结构参数所决定。ωn越高，传感器的响应越快。当ωn为常数时，传感器的响应取决于阻尼比ξ。阻尼比ξ直接影响超调量和振荡次数。二阶传感器的单位阶跃响应的通式为：ωn——传感器的固有频ξ——传感器的阻尼ξ=0，为临界阻尼，超调量为100%，产生等幅振荡，达不到稳态。ξ1，为过阻尼，无超调也无振荡，但达到稳态所需时间较长。ξ1，为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态值所需时间随ξ的减小而加长。ξ=1时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调整，ξ取0.7～0.8为最好。（3）瞬态响应特性指标①时间常数τ：一阶传感器时间常数τ越小，响应速度越快。②延时时间：传感器输出达到稳态值的50%所需时间。③上升时间：传感器输出达到稳态值的90%所需时间。④超调量：传感器输出超过稳态值的最大值。2．频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应特性指标包括：频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小，频带越宽。固有频率：二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。传感器的选用原则与测量条件有关的因素(1)测量的目的(2)被测试量的选择(3)测量范围(4)输入信号的幅值，频带宽度(5)精度要求(6)测量所需要的时间与传感器有关的技术指标(1)精度(2)稳定度(3)响应特性(4)模拟量与数字量(5)输出幅值(6)对被测物体产生的负载效应(7)校正周期(8)超标准过大的输入信号保护与使用环境条件有关(1)安装现场条件及情况(2)环境条件(3)信号传输距离(4)所需现场提供的功率容量与购买和维修有关(1)价格(2)零配件的储备(3)服务与维修制度，保修时间(4)交货日期。第三节检测技术的基本知识1.3.1测量概论在工程实践和科学实验中，要对信息资源进行开发、获取、传输和处理。检测任务：正确及时地掌握各种信息，即要获取被测对象信息的大小。信息采集：测量和取得测量数据。测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。或x——被测量值；u——标准量，即测量单位；n——比值，含有测量误差。nuxuxn测量测量过程传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得被测量量值的过程。包含比较、示差、平衡和读数等四个步骤。例如：用钢卷尺测量杆件长度时，首先将卷尺拉出与杆件紧靠在一起，进行“比较”；找出卷尺与杆件的长度差别，即“示差”；调整卷尺长度使二者长度相等，达到“平衡”；从卷尺刻度上读出杆件的长度，即“读数”。测量结果由测量所获得的被测量的量值。包括：估计值、测量单位、测量不确定度；表示方法：数值、曲线或图形；注意：测量结果中必须注明单位。1.3.2测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法。根据获得测量值的方法：直接测量、间接测量、组合测量；根据测量方式：偏差式测量、零位式测量、微差式测量；根据测量条件：等精度测量、不等精度测量；根据被测量变换快慢：静态测量、动态测量；1.直接测量、间接测量与组合测量直接测量：测得值直接与标准量进行比较，不需要经过任何运算，直接得到被测量的数值。y＝x间接测量：将与被测量有确定函数关系的几个量直接测量后代入函数关系式，经过计算得到所需要的结果。y＝f(x)组合测量：被测量必须经过求解其与测得值之间的函数关系方程式组得到。2.偏差式测量、零位式测量与微差式测量偏差式测量：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值；零位式测量：用零位反映测量系统的平衡，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值；微差式测量：综合上述两种方法优点，先将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后再用偏差法测得差值。3.等精度测量与不等精度测量等精度测量：测量的过程中，认为当会影响和决定误差大小的全部因素始终保持不变时，重复测量被测量；不等精度测量：测量过程中，改变了测量同一被测量时的条件。4.静态测量与动态测量1.3.3测量系统检测技术是研究自动检测系统中的信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术，是自动化技术四个支柱之一。从信息科学角度考察，检测技术任务：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性/定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法和相应的设备。检测技术：按照被测量的特点，选用合适的检测装置与实验方法，通过测量和数据处理及误差分析，准确得到被