现代检测技术-李英顺-电子教案-第3章

3.2传感器的基本特性3.1传感器的定义及分类3.1传感器的定义及分类3.1.1传感器的定义及组成传感器的国家标准定义为能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器的通常定义为“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”。传感器由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图3-1所示。3.1传感器的定义及分类图3-1传感器组成框图3.1传感器的定义及分类我们所要测量的非电量并不是我们所持有的转换元件所能转换的那种非电量，这就需要在转换元件前面增加一个能把被测非电量转换为该转换元件能够接受和转换的非电量的装置或器件。这种能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感元件。转换元件所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如，电阻式应变传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不能被电压显示仪表所接受。3.1传感器的定义及分类接在转换元件后面具有这种功能的电路，称之为测量电路或传感器接口电路。例如，电阻应变片接入电桥，将电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。有些国家和有些学科领域，也将传感器称为变换器、检测器或探测器。凡能输出标准信号的传感器称为变送器。也就是说，变送器是传感器配接能输出标准信号的接口电路后构成的将非电量转换为标准信号的器件或装置。3.1传感器的定义及分类国际电工委员会将4~20mA直流电流信号和1~5V直流电压信号确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。所以变送器通常就是指将非电量转换为4~20mA直流电流信号的器件或装置。3.1传感器的定义及分类3.1.2传感器的分类按基本效应传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学物质的传感器。3.1传感器的定义及分类按构成原理按照构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实现温度的测量。结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距型电容式传感器是利用极板间距离的变化来实现测量的。按能量转换原理根据能量转换原理可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量（如电动势、电荷式传感器等），也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属于此类传感器；无源传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，也称为能量控制型传感器。如电阻式、电感式及电容式传感器等。3.1传感器的定义及分类3.1传感器的定义及分类按输出信号的性质根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出连续变化的模拟信号，数字式传感器输出数字信号。按输入物理量根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及流量传感器等。按工作原理根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。3.1传感器的定义及分类按测量方式分为接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器和压电式传感器。非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、红外线传感器、涡流传感器和超声波传感器等。3.2传感器的基本特性检测系统（传感器）特性主要是指输出与输入之间的关系。一个测量系统（仪表或装置），由于输入信号的这种不同性质，就有所谓静态特性和动态特性。3.2传感器的基本特性3.2.1传感器的静态特性一、静态测量和静态特性静态测量是指测量过程中被测量保持恒定不变（即系统处于稳定状态）时的测量。静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定状态时的输入—输出关系。输出信号与输入信号之间的函数关系，一般用代数方程多项式表示：nnxaxaxaxaay332210(3-1)3.2传感器的基本特性式中，—输出量；—输入量（被测量）；—零点输出（检测系统的零位值）；—理论灵敏度；、、…、—非线性项系数；、、、、…、—标定系数，它决定静态特性曲线的形状和位置。yx0a1a2a3a0a1ana2a3ana3.2传感器的基本特性这种多项式代数方程可能有多种情况：理想线性，在这种情况下，，因此得到：因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为在坐标原点附近相当范围内输出—输入特性基本呈线性。在这种情况下，(3-1)中除线性项外只存在奇次非线性项，即：对应的曲线为0320naaaaxay1常数kxya155331xaxaxayxyxy3.2传感器的基本特性输出—输入特性曲线不对称，这时(3-1)中，除线性项外非线性项只是偶次项，即：普遍情况下的表达式是(3-1)所对应的特性。由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，总存在着一定的误差。44221xaxaxay3.2传感器的基本特性二、静态特性的校准（标定）条件――静态标准条件。检测系统(传感器)的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）；环境温度一般为室温；相对湿度不大于85%；大气压力为()的情况。C520Pa32.799972.101324mmHg607603.2传感器的基本特性测量范围和量程1、测量范围：（、）――检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）――检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）至最大被测输入量（上限）之间的范围，即（、）2、量程：检测系统测量上限和测量下限之代数差，即例如：-40~100℃的温度检测系统，其量程为140℃；又如10g~20g的加速度检测系统，其量程为10g。minxmaxxminxmaxxminxmaxxmaxxminmaxxxLminmaxxxL3.2.2检测系统(传感器)的静态性能指标3.2传感器的基本特性灵敏度灵敏度是检测系统在稳态下的输出变化与输入变化比值，用K来表示，即由n个串联环节组成的开环系统如图3-2所示。输入量的变化量输出量的变化量dxdyK3.2传感器的基本特性图3-2串联环节组成的开环系统方框图若检测系统是由灵敏度不同的多个相互独立的环节串联而成时，该检测系统的总灵敏度为各组成环节的灵敏度的乘积。nKKKKK321(3-2)3.2传感器的基本特性3.2传感器的基本特性分辨力与分辨率1、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量。2、分辨率：全量程中最大的即与满量程L之比的百分数。3、阙值：即零位附近的分辨力，也就是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。分辨率与分辨力都是用来表示仪表或装置能够检测被测量的最小量值的性能指标。前者是以最大量程的百分数来表示，是一个无量纲的比率的量。后者是以最小量程的单位值来表示，是一个有量纲的量值。minxminxminmaxx3.2传感器的基本特性线性度对于实际的传感器测出的输出—输入校准（标定）曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为该传感器的“非线性”，或称“线性度”，通常用相对误差表示其大小，即相对应的最大偏差与满量程（）输出比值的百分数（%）来表示：(3-3)式中，为非线性误差（线性度）；为输出平均值与基准拟合直线的最大偏差；为满量程输出的平均值。LemaxLFSy%100maxFSLyLeLem3.2传感器的基本特性由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理想直线作为基准直线算出来的，因此，基准直线不同所得出的线性精度就不一样。一般并不要求拟合直线必须通过所有的检测点，而只要找到一条能反映校准数据的一般趋势同时又使误差绝对值为最小的直线就行。3.2传感器的基本特性下面介绍几种不同线性度的定义和表达方法。端基线性度—把检测系统校准数据的零点输出平均值和满量程输平均值连成直线，作为检测系统特性的拟合直线，其方程式为：式中，y为输出量；x为输入量；b为y轴上的截距；k为直线的斜率。如图3-3所示为一检测系统的输出—输入实测曲线，根据端基法作拟合直线kxby3.2传感器的基本特性图3-3端基线性度的拟合直线3.2传感器的基本特性其方程式0UbSSFpUUk0ppUUUUSSF00所以3.2传感器的基本特性式中，p为被测压力；ps为传感器的测量压力范围；U为传感器的输出量；U0为零点输出平均值；为满量程输出平均值。这种拟合方法简单直观，应用比较广泛，但因没有考虑所有校准数据的分布，拟合精度很低，尤其当传感器有比较明显的非线性时，拟合精度更差。3.2传感器的基本特性平均选点线性度—为了寻找较理想的拟合直线，可将测量得到的n个检测点分成数目相等的两组：前半部n/2个检测点为一组；后半部n/2个检测点为另一组。两组检测点各自:具有“点系中心”。检测点都分布在各自的点系中心周围，通过这两个“点系中心”的直线就是所要的拟合直线。3.2传感器的基本特性图3-4平均选点的拟合直线3.2传感器的基本特性前半部个检测点的点系中心A的坐标为：后半部个检测点的点系中心B的坐标为：2112niixnx2112niiynynniixnx2122nniiyny21222n2n3.2传感器的基本特性最小二乘法线性度拟合直线方程通式为y=b+kx。假定实际校准点有个n，第i个数据经过传感器后对应的输出值是yi，第i个校准数据在拟合直线上相应的输出值为kxi-b，则第i个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为：bkxyiii3.2传感器的基本特性迟滞迟滞特性表明了检测系统在正(输入量由小增大)反（输入量自大减小）行程中输出输入曲线不重合（特性不一致）的程度。迟滞误差一般以全量程中最大的迟滞与满量程输出值之比的百分数表示,HemaxH即(3-4)FSy%100maxFSHyHe3.2传感器的基本特性图3-5迟滞稳定性与漂移稳定性：在一定工作条件下，保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的变化而出现缓慢变化的程度。时漂：在输入信号不变的情况下，检测系统的输出随着时间变化的现象。温漂：随着环境温度变化的现象（通常包括零位温漂、灵敏度温漂）。3.2传感器的基本特性3.2传感器的基本特性重复性重复性是指检测系统在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。特性曲线一致，重复性就好，误差也小。重复性误差按下式计算重复性误差：%1003~2FSZy(3-5)3.2传感器的基本特性3.2.3检测系统（传感器）的动态特性测量过程中被测量随时间变化时的测量称为动态测量。3.2.4传感器工作要求主要要求：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等。