《传感器的选择》PPT课件.ppt

1,第2讲 传感器的选用依据及性能的改善方法,2,传感器选用有哪些注意事项,？,传感器,信号调理,信号处理、显示,3,1）测试的对象、目的和要求测量的对象；目的；被测量的选择；测量范围；输入信号的最大值；频带宽度；测试精度要求；测量所需要的时间等。2）传感器的特性静、动态特性指标；输出量的类型；校正周期；过载信号保护；配套仪器等。,4,3）测试条件包括传感器的设置场所；环境(温度、湿度、振动等)；测量时间；与其它设备的连接距离；所需功率等。4）与购买和维护有关的事项性价比；零配件的储备；售后服务与维修制度、保修时间；交货日期等。,5,选择传感器时要考虑的事项很多，但无需满足所有的事项要求，应根据实际使用的目的、指标、环境等，有不同的侧重点。例如，长时间连续使用的传感器就必须重视经得起时间考验等长期稳定性问题；而对机械加工或化学分析等时间比较短的工序过程则需要灵敏度和动态特性较好的传感器。为了提高测量精度，应注意以平常使用时的显示值要在满刻度的50左右来选择测定范围或刻度范围。选择传感器的响应速度，目的是适应输入信号的频带宽度。合理选择设置场所，注意安装方法，了解传感器的外形尺寸、重量等。,6,选用传感器需要注意的几点注意事项中，比较重要的一点就是必须对所选传感器的性能特点有足够的了解。如果仅仅是简单的应用，则可以通过对传感器的性能指标的了解来选择传感器；若应用要求较高，环境复杂，则还需要从传感器的原理等方面对传感器的性能进行考察，如从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的负载效应等问题，以确定选择哪一种传感器最合适。,7,传感器的选用有何依据？,8,传感器的性能及评价指标,9,产品型号：CLBSB板环式拉压力传感器品 牌：天力产 地：安徽 主要技术指标 测量范围：0-1000Kg 输出灵敏度：1.5-2.0V/V 非线性：0.0级；0.05级；0.1级 迟滞：0.0级；0.05级；0.1级 重复性：0.0级；0.05级；0.1级 综合精度：0.03级；0.1级 零点温度系数：0.05%F.S 灵敏度温度系数：0.05%F.S 零点不平衡输出：1%F.S 输入阻抗：68530；输出阻抗：6505 激励电压：10V(或12V）；工作温度：-20-+80,10,一、传感器的静态模型,1.代数方程,x 输入量；y 输出量；a0 零位输出；a1 传感器的灵敏度：K、S；a2 an 非线性项待定常数。,条件：不考虑传感器滞后、蠕变情况下,11,2.特性曲线 描述传感器输入-出关系曲线,12,二、传感器的静态特性指标,Hmax 正反行程输出 的最大差值 yF.S 满量程输出量,线性度、滞后、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精度（静态误差）,13,2.线性度（非线性）,传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线（工作曲线）之间的吻合（偏离）程度。,Lmax 校准曲线与拟合 直线间的最大差值 yF.S 满量程输出值,选定拟合直线的过程，就是传感器的线性化过程。,14,拟合直线的选定原则：保证尽量小的非线性误差 计算与使用方便,选定拟合直线的方法：,15,（4）最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小,例1-6：用最小二乘法求拟合直线。,分别对k和b求一阶导数，并令其=0，可求出b和k,设拟合直线,残差,16,（5）硬件线性化方法,原理：以非线性矫正非线性“以畸制畸”,方法一：两只非线性传感器 差动方式 非线性误差大小相等，极性相反,*方法二：利用线性元件和非线性元件的串、并联,17,*（6）软件线性化方法,1、计算法,条件：传感器输出与被测量间有确定的数学表达式,方法：软件编写计算程序 曲线拟合,2、查表法,条件：传感器输出与被测量间无法用函数拟合,18,3、插值法,原理：将查表法与计算法结合,方法：线性插值、抛物线插值、拉格朗日插值、牛顿插值、埃米特插值,19,3.重复性,传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次(三次以上)测试时，所得特性曲线间一致程度的指标。,20,重复性误差为随机误差，指标定值的分散性，可用引用误差表示：,R同一激励量对应多次循环的同向行程 响应量的极差。,可根据标准偏差来计算R：,子样标准偏差；n标定循环次数,K置信因子，K=2时，置信度为95%；K=3时，置信度为99.73%。,21,标准偏差按贝塞尔公式计算，即：,、,、,正、反行程各标定点响应量的标准偏差,正、反行程各标定点的响应量的平均值,22,j标定点序号，j1、2、3、m；i标定的循环次数，i1、2、3、n；,yjiD、yjiI正、反行程各标定点输出值,再取jD、jI的均方值为子样的标准偏差，则,23,4.灵敏度,5.分辨力（率）,分辨力：规定测量范围内能检测出的输入量的最小变化量,分辨率：分辨力/满量程输入值,24,6.稳定性,7.漂移,8.阈值,产生可测输出变化量时的最小输入量值,长期稳定性,标定的有效期,外界干扰下，输出量发生与输入量无关的变化。,25,9.静态误差（精度）,（3）将非线性、滞后视为系统误差，重复性视 为随机误差,26,三 传感器的动态数学模型及 动态特性指标,27,28,一、动态模型,1.微分方程,条件：线性定常系统,29,30,例 分析加速度传感器的动态特性。,加速度-惯性力-位移-伸缩变形-反作用力-位移与加速度二阶环节的传感器 通解与特解 暂态/稳态 传递函数,31,2.传递函数,定义：初始条件为零时，输出量（响应函数）的拉普拉斯变换与输入量（激励函数）拉普拉斯变换之比。,拉氏变换：,32,简写为：,两边取拉氏变换：,输出量拉氏变换,输入量拉氏变换,传递函数：,33,特点：,（1）反映传感器系统本身特性，与 x(t)无关。,（2）X(s)、Y(s)、H(s)知二求一,（3）相同的传递函数可以表征不同物理系统,（4）通过实验求传递函数,34,（5）多环节串并联的传感器系统,35,二、动态特性指标,输入标准信号,阶跃响应法（时域）,频率响应法（频域）,动态误差,？动态特性/动态误差/输入标准信号,36,1.阶跃响应,单位阶跃信号,37,二阶传感器系统阶跃响应,38,例 热电偶传感器测温过程中的动态误差分析。,39,2.频率响应,频率响应特性：输入频率变化、幅值相等的正弦信号，输出信号幅值与输入频率的关系：幅频特性 输出信号相位与输入频率的关系：相频特性,40,相频特性,频率响应函数,指数形式：,幅频特性,其中，,动态灵敏度、增益,正弦/传感器，稳定状态下，输入与输出复数比,41,对数幅频特性曲线,通频带,其中，0dB水平线是理想的零阶系统的幅频特性,42,3.一阶系统的动态响应分析,一阶系统微分方程,（1）频率响应特性分析,拉氏变换,传递函数,43,频率响应函数,幅频特性：,相频特性：,讨论：,越小，频率响应特性越好。,线性,44,越小，阶跃响应特性越好。,45,例 分析温度传感器模型，给出输入量（T0）与输出量（T）间的微分方程，并推导其幅频特性、相频特性及阶跃相应特性。已知：传感器敏感部分质量为m，比热为c，表面积 为s，传热系数为h（W/m2.K）,46,频率响应特性分析,幅频特性,相频特性,阶跃响应特性,47,四改善传感器性能的技术途径,48,、结构、材料与参数的合理选择,确保主要指标，放宽次要指标，以求高性价比,思路：,49,三个技术环节：（1）两个完全相同的传感器（2）接受输入量：大小相等，方向相反（3）输出相减,方法：,传感器1：,非线性改善，输出灵敏度提高一倍。,完全相同传感器2，输入量反号：,50,例 变面积式差动电容传感器。,输出：,灵敏度：,输出灵敏度提高一倍，消除了零位输出项 l。,51,例 超声波流速计。,传播时间内计脉冲,52,、平均技术,消除了声速变化的影响,53,1）.误差平均效应,54,2）.数据平均处理,方法：将相同条件下的测量重复n次，或n次采样，然后 将数据进行平均处理，随机误差减小 倍。,、稳定性处理,造成传感器性能不稳定原因：材料、元器件性能变化,55,、屏蔽、隔离和干扰抑制,56,1）、屏蔽,57,水下测试问题注意事项,58,2）微差法,原理：被测量和已知标准量差别减小到一定程度后，使仪表误差的影响大大减小。,被测量,不连续可变,59,3）闭环技术,每个环节的相对误差对系统总误差的影响是等权的。,标准量相对误差,指示仪表相对误差,相对微量,测量误差,60,比较平衡方式：力、力矩平衡、电压（流）平衡、热平衡,A静态传递函数,反馈环节的反馈系数,61,（2）动态特性好,62,、补偿与校正,例 传感器温度误差补偿。,63,（1）将传感器和信号处理电路制作在同一芯片上,（2）将多个相同或不同的敏感元件集成在同一芯 片上，实现多参数测量。,特点：成本低、体积小、性能改善、可靠性高、接口灵活,64,绝缘螺栓,绝缘垫圈,引线,石英压电片,惯性质量,超小型阻抗变换器电缆插座,内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器,65,66,67,、标定与校准的概念,活塞式压力计：已知标准力,精度已知检测设备测量,修正,68,69,、标定系统的组成,（1）被测非电量的标准发生器,（2）被测非电量的标准测试系统,（3）待标定传感器配接的信号检测设备,70,为保证精度和可靠性，使用中注意问题：,71,低频-激振器：电磁振动台、低频回转台、机械振动台、液压振动台,高频-瞬变函数激励信号：激波管,72,1、一压力传感器标定数据如下表所列，试求 线性度、滞后、重复性和总精度评价。,