第1章-传感器的基本知识课件.ppt

“电五官”,人体与自动化测控系统的对应关系,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GB76652005）,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：,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 p、真空度、流量q（t、m 3）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）,机械量：直线位移x（m）、角位移、速度、加速度a（m/s2）、转速n（r/min）、应变（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,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。,（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、）；,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转换电路并将其转换成易于处理的电压、电流或频率量。,2.组成传感器的组成,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？,？,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,弹簧管压力传感器的外形及内部结构,1.1.2 传感器的分类,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,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；,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,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：,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。,(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。,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),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(Linearity Error)或线性度(Linearity:the closeness between the calibration curve and a specified stright line.),通常用相对误差eL表示：max一最大非线性误差；yFS满量程输出。,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。,()理论直线法()端点连线法()端点连线平移法(d)最小二乘拟合法,0,y,yi,x,y=kx+b,xI,最小二乘拟合法,最小二乘法拟合,(2)迟滞(Hysteresis),0,y,x,Hmax,yFS,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。,(3)重复性(Repeatability),y,x,0,Rmax2,Rmax1,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3作为重复性偏差Ri，在几个Ri中取出最大值Rmax 作为重复性误差。,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。,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。,1.2.2传感器的动态特性(Dynamic Characteristics),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。,频域：频率响应法(Periodic inputs)输入信号：正弦周期信号(sinusoidal signal)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（Transient inputs）输入信号：阶跃函数(step signal)、斜坡函数(ramp signal)、脉冲函数(impulse signal)指标：时间常数、上升时间、响应时间、超调量,1.传感器的动态数学模型：常系数线性微分方程,y输出量；x输入量；t时间。a0，a1，an 常数；b0，b1，bm 常数 输出量对时间t的n阶导数；输入量对时间t的m阶导数,求解上述微分方程的方法：采用传递函数、频率响应函数等足以反映系统动态特性的函数将系统的输出与输入联系起来。,当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数,上式分母是传感器的特征多项式，决定系统的“阶”数。可见，对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中各阶导数用相应的s变量替换，即求出传感器的传递函数。,Y(s)传感器输出量的拉氏变换式；X(s)传感器输入量的拉氏变换式,为一复数，它可用代数形式及指数形式表示，即,3.频率响应函数,正弦输入下传感器的动态特性（即频率特性），由传递函数导出,表达了传感器的输出、输入的幅值比随频率变化的关系，称为幅频特性。表达了传感器的输出对输入的相位差随频率的变化关系，称为相频特性,1.2.3 传感器的无失真测试条件,若传感器的输出y(t)和输入x(t)满足关系:y(t)=A0 x(t-0)则说明输出波形无失真地复现输入波形。,对上式取傅立叶变换：Y(j)=A0 e-j0X(j),1.2.4典型传感器动态特性分析,频率特性:,零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞后，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。,时间常数(time constant)(=a1/a0)；K静态灵敏度(static sensitity)(K=b0/a0),传递函数：,幅频特性：,频率特性：,时间常数 越小，系统的频率特性越好,齐次方程通解：,方程解：,t,以初始条件y(0)=0代入上式，即得t=0时，C1=-1，所以,输出的初值为0,随着时间推移y接近于1,当t=时,y=0.63,在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。,时间常数，；n自振角频率(natural frequency),n=1/阻尼比(damping coefficient)，；k静态灵敏度，k=b0/a0,幅频特性,相频特性,频率特性,传递函数,当0时，在/n=1处 趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着的增大，谐振现象逐渐不明显。,不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。,不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。,当1，n时，1，幅频特性平直，输出与输入为线性关系；()很小，与为线性关系；,在设计传感器时，必须使阻尼比1，固有频率n至少应大于被测信号频率的35倍，这样可使测试结果精确地再现被测信号波形。,根据t,ykA求出A3；根据初始条件,求出A1、A2，则,欠阻尼情况下曲线如图，这是一衰减振荡过程,越小,振荡频率越高,衰减越慢。,上升时间rise time,过冲量overshoot,4）1（过阻尼over-damped）：,3)=1(临界阻尼critically damped),上两式表明，当1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。,2)=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即,二阶系统的阶跃响应的曲线 二阶系统的动态指标,实际传感器，值一般可适当安排，兼顾过冲量m不要太大，稳定时间t不要过长的要求。在0.60.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当=0.60.7时，幅值比A()/k在比较宽的范围内变化较小。计算表明在/n00.58范围内，幅值比变化不超过5，相频特性中()接近于线性关系。,1.3.1 传感器的技术性能指标,2.差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。,1.3.2 改善传感器性能的技术途径,1.结构、材料与参数的合理选择,3平均技术 在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为:式中,n传感单元数,可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。,在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。,提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。,造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。,5.屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：,减小传感器对影响因素的灵敏度 降低外界因素对传感器实际作用的程度,对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,6补偿与修正技术 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。,补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,1.4 传感器技术的发展动向,1.4.1 传感器需求的新动向,1.4.2传感器技术的发展动向,1.发现新现象，开发新材料,传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。,传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。,（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料,如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。,2集成化、微型化、多功能化,同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。,多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。,把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。,为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。,例如：瑞士Sensirion公司的SHT11/15型高精度、自校准、多功能式智能传感器。能同时测量相对湿度、温度和露点等参数；兼有数字湿度计、温度计和露点计这3种仪表的功能；可广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备等领域。,SHT11/15型智能传感器的外形尺寸仅为7.62mm（长）5.08mm（宽）2.5mm（高），质量只有0.1g，其体积与一个大火柴头相近。,3.仿生传感器,生物传感器系统亦称生物芯片，它是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科技革命。生物芯片不仅能模拟人的嗅觉（如电子鼻）、视觉（如电子眼）、听觉、味觉、触觉等，还能实现某些动物的特异功能（例如海豚的声纳导航测距，蝙蝠的超声波定位，犬类极灵敏的嗅觉，信鸽的方向识别，昆虫的复眼）。,生物芯片的效率是传统检测手段的成百、上千倍。西门子公司最近研制出一种能辨别气体及其味道的微型芯片传感器，可检测空气中臭氧含量，监测火灾以及气体泄漏。,4.智能传感器（smart sensor）,智能传感器指具有判断能力、学习能力的传感器。事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检测、判断和信息处理功能。如美国霍尼韦尔公司制作的ST-3000型智能传感器，采用半导体工艺，在同一芯片上制作静态压力、压差、温度三种敏感元件，芯片中还包含了微处理器、存储器、A/D、D/A、转换器和数字I/O接口，能提供420mA标准输出和数字量输出。设计得平均故障间隔时间为470年，实际使用寿命不低于15年。,智能微尘传感器：智能微尘（Smart Micro Dust）是一种具有电脑功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。,目前，直径约为5mm的智能微尘已经问世，智能微尘的外形及内部结构如图所示。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射信息。a）肉眼所看到的智能微尘 b）智能微尘的内部结构,5无线网络化（wireless networked）,智能传感器的另一发展方向就是网络传感器。网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。,被测模拟量数字传感器数字量微处理器测量结果网络。可实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用”。,例如，美国Honeywell公司开发的PPT系列、PPTR系列和PPTE系列智能精密压力传感器就属于网络传感器。在构成网络时，能确定每个传感器的全局地址、组地址和设备识别号（ID）地址。用户通过网络就能获取任何一只传感器的数据并对该传感器的参数进行设置。,无线传感器网络的主要组成部分就是一个个的传感器节点。它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。,1.5 传感器的选用原则,1.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。,2.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。,精品课件！,精品课件！,4.与使用环境条件有关的因素,(1)安装现场条件及情况；(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；(3)信号传输距离；(4)所需现场提供的功率容量。,(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。,3.与传感器的经济指标有关的因素,