传感器原理及应用传感器与测量的基本知识.ppt

主要内容1.1 测量的基本知识1.2 传感器的一般特性1.3 提高传感器性能的方法,重点：测量的基本知识、传感器的一般特性难点：传感器的一般特性(动态特性、静态特性),1.1 测量的基本知识,信息采集的主要就是测量，并取得测量数据。测量系统 由传感器与多台仪表组合在一起，才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统，它是传感技术发展的产物。,1.1 测量的基本知识,(1).测量,测量 是以确定量值为目的的一系列操作。,将被测量与同性质的标准量通过专用的技术和设备进行比较，确定被测量对标准量的倍数，然后在量值上给出被测量的大小和符号的描述。,X=AX0,测量定义,1.1 测量的基本知识,(1).测量,测量结果可用数值表示，也可用曲线或图形表示。,测量结果应包括：,比值+测量单位+误差,测量结果的表示,测量的过程就是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，从而获得被测量的量值。,测量的实质,1.1 测量的基本知识,(2).测量方法,测量方法的分类,实现被测量与标准量比较得出比值的方法。,从不同角度有不同的分类方法。,根据测量方式,根据获取测量结果的方法,1.1 测量的基本知识,(2).测量方法,根据测量的精度,测量方法的分类,根据测量敏感元件与被测介质是否接触,根据被测量的变化快慢,根据测量系统是否向被测对象施加能量,1.1 测量的基本知识,(3).测量系统,测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机结合。,测量系统应包括：,.测量系统的构成,1.1 测量的基本知识,(3).测量系统,传感器是感受被测量的大小并输出信号的器件或装置。,数据传输环节用来传输传输数据。,数据处理环节传感器输出信号进行处理或变换。,数据显示环节是将被测量信息变成人感官能接受的形式，以完成监视、控制或分析的目的。,对信号放大、运算、线性化、A/D转换、D/A转换变成另一种参数的信号或变成某种标准化的统一信号。,1.1 测量的基本知识,(3).测量系统,开环测量系统的全部信息变换只沿着一个方向进行。,闭环测量系统 在开环系统的基础上加上反馈环节，使信息变换与传递形成闭环。,将开环系统与闭环系统巧妙结合应用会使测量效果更好。,*特点：能对反馈环内各误差进行补偿，使系统误差变小甚至无误差。,.开环测量系统 与闭环测量系统,*特点：结构简单，各环节特性的变化都会造成测量误差。,1.1 测量的基本知识,(4).测量误差,存在测量误差就与测量的目的获取被测量的真实值不能相吻合。,.测量误差的表示方法,测量误差 就是测量值与真实值之间的差值。反映测量质量的好坏。,绝对误差：=|X-Q|,相对误差：=/X*100%,引用误差：=/（Xmax-Xmin）*100%,基本误差：仪表在规定的标准条件下工作时具有的误差。,附加误差：仪表的使用条件偏离额定条件下工作时的误差。,1.1 测量的基本知识,(4).测量误差,.误差的性质（分类）,系统误差：对同一被测量多次重复测量时，误差按照一定规律出现。,根据测量数据中误差所呈现的规律把误差分为以下三种：,随机误差：对同一被测量多次重复测量时，绝对值和符号不可预知的变化。,此类误差具有一定的统计规律性。,粗大误差：明显偏离测量结果的误差，又称疏忽误差。,1.1 测量的基本知识,(5).测量精度与分辨率,精密度：描述测量仪表指示值不一致程度的量。,准确度：描述仪表指示值有规律地偏离真实值的程度。,精确度：是精密度和准确度的总和。,.测量精度的三个指标,即，对某一稳定的被测量，在相同的工作和测量条件下，在相当短的时间内按同一方向连续重复测量，获得结果不一致的程度。,即，仪表在测量性能上的综合优良程度，仪表的精密度和准确度都高，其精度才能高。精确度最终是以测量误差的相对值来表示的，一般用仪表精度等级表示。,仪表精度等级是根据引用误差确定的，它是仪表在规定的工作条件下，其最大允许误差值相对仪表测量范围的百分数。等级有0.001，0.005，0.02，2.5，4.0，6.0等级。,1.1 测量的基本知识,(5).测量精度与分辨率,准确度是系统误差产生的，它是指服从某一特定规律（如，定值、线性、多项式、周期性等函数规律）的误差。,精确度是反映测量仪表优良程度的综合指标。精密度高，准确度不一定高，因仪表本身可以存在较大的系统误差。,产生系统误差的原因系统误差消除的办法,.分辨率 使指示值发生变化的最小输入变化值,分辨率 显示仪表能够检测到被测量最小变化量的本领。,1.2 传感器的一般特性,传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，对快变信号与慢变信 号，反应大不相同。,快变信号输入量X随时间 t 较快变化时考虑输出的动态特性，即随时间变化的特性；慢变信号输入X为静态或变化极缓慢的信号时研究静态特性，即不随时间变化的特性。,(1).概述,1.2 传感器的一般特性,静态特性，当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的 信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的静态性能，输入输出关系称静态特性。即，传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出-输入的关系。静态特性技术指标：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性静态特性可以用函数式表示为:,(1).概述,.线性度,传感器的输入输出关系可以用多项式表示：,1.2 传感器的一般特性,其中：X 输入量；Y 输出量；a0 x=0 时的输出值 a1 理想灵敏度 a2,a3.an 非线性项系数,（2）静态特性,拟合直线，传感器非线性方次不高，输入量变化范围较小时，用一条直线近似代表实际曲线的一段，此直线为拟合直线。线性度，实际曲线与拟合曲线之间的偏差称为传感器的非线性误差或称线性度。,1.2 传感器的一般特性,传感器的非线性误差（线性度）用相对误差表示：,最大非线性绝对误差 满量程输出，可用ym表示 线性度 线性度是表征实际特性与拟合直线 不吻合的参数,.线性度,（2）静态特性,1.2 传感器的一般特性,各种直线拟合方法,.线性度,（2）静态特性,最小二乘法线性度,1.2 传感器的一般特性,解出k、b代入作拟合直线，i为非线性误差,.线性度,（2）静态特性,求残差平方和为最小值:,取 n个测点,第i 残差为:,设拟合直线方程:,拟合方法不同，其线性度也不同，用最小二乘法求取的拟合 直线的精度最高。,传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。,1.2 传感器的一般特性,例：一电子秤称重时，砝码或重物增减时电桥输出的关系：增加砝码 10g 50g 100g 200g电桥输出 0.5mv 2mv 4mv 10mv减砝码时电桥输出 1mv 3mv 6mv 10mv,.迟滞,（2）静态特性,以上，在砝码增减相同量时，电桥输出电压改变不同，这便是迟滞现象。,迟滞误差计算由满量程输出的百分数表示：,1.2 传感器的一般特性,为正、反 行程输出值间的最大差值,产生迟滞误差的原因：由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。如，传感器机械部分存在不可避免的缺陷，弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体等。迟滞误差的存在使输入、输出不能一一对应。,.迟滞,（2）静态特性,1.2 传感器的一般特性,传感器输入量按同一方向作多次 测量时输出特性不一致的程度。属于随机误差可用标准偏差表示：,或用最大重复偏差表示：,max 最大标准差；（23）置信度；,.重复性,（2）静态特性,产生重复性不一致的原因与产生迟滞现象的原因相同。,多次重复测试的曲线越重合，说明重复性越好，误差也越小。,.灵敏度,1.2 传感器的一般特性,在稳定条件下输出变化对输入变化的比值，用K表示。对线性传感器，灵敏度是直线的斜率：S=Y/X，为常数。对非线性传感器灵敏度为一变量：S=dy/dx 灵敏度单位，mv/mm mv/,（2）静态特性,.稳定性+,1.2 传感器的一般特性,表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力。,闪烁探测器8小时长期稳定性测量散点图,（2）静态特性,.分辨率、阈值和门槛灵敏度,1.2 传感器的一般特性,分辨率 传感器能够检测到的最小输入增量；阈值 输入小到某种程度输出不再变化的值；门槛灵敏度 指输入零点附近的分辨能力。,（2）静态特性,1.2 传感器的一般特性,用时域法表示：,用频域法表示：,（3）动态特性,传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。,当输入量随时间变化时,讨论传感器的动态特性。,如:加速度、振动等，被测量是时间的函数，或是频率的函数。,动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性。除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差；传感器输出对时间变化的输入量的响应即反映了传感器的动态特性。,1.2 传感器的一般特性,（3）动态特性,动态特性好的传感器，其输出随时间的变化规律将再现输入随时间变化的规律，即，它们具有同一的时间函数。,但，实际上输出和输入总会出现差异，输入与输出之间存在的差异就是动态误差。,研究动态误差的性质称为动态特性分析。,1.2 传感器的一般特性,例：动态测温 设环境温度为T0,水槽中水的温度为T,而且 TT0 用热电偶测温,传感器突然插入被测介质中；理想情况测试曲线T是阶跃变化的；实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程。,（3）动态特性,1.2 传感器的一般特性,影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关,在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号和阶跃信号。,（3）动态特性,动态特性分析方法：,输入信号按正弦变化时，分析动态特性的相位、振幅、频率，称频率响应；,输入信号为阶跃变化时，对传感器随时间变化过程进行分析，称阶跃响应（瞬态响应）；,1.2 传感器的一般特性,（4）技术指标,对于具体传感器，并不是 全部指标都必须。,1.3 提高传感器性能的方法,（1）合理选择结构、材料与参数,（2）采用线性化技术,（3）采用差动技术,（4）采用平均技术.误差平均效应，.数据平均处理,（5）用零位法、微差法与闭环技术,（6）采用补偿与校正技术,（7）集成化与智能化,（8）采用屏蔽、隔离与抑制干扰措施,（9）稳定性处理,本章要点：,1.,传感器的静态特性指标包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性等等;传感器检测系统的转换、传输特性可由传递函数表示；传感器的动态特性讨论一阶传感器、二阶传感器的传递函数、传感器瞬态（阶跃）响应特性，频率响应特性（幅频特性、相频特性）;系统方程式状态变量是一次的系统，尤其系统都是常数的系统叫线性常系数系统，我们课程以后讨论的都是以线性常系数系统为对象;一阶系统状态变量是一个，二阶系统状态变量是两个，一般情况下，有n个状态变量的系统叫n阶系统。,