传感检测技术基础.ppt
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1、第1章 传感检测技术基础,1.1 传感与检测的概念1.2 传感与检测技术概述1.3 传感器的基本特性1.4 测量方法1.5 测量误差1.6 传感器标定,1.1 传感和检测技术的概念,传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节,它与信息系统的输入端相连,并将检测到的信号输送到信息处理部分,是感知、获取、处理与传输的关键。传感与检测技术是关于传感器设计制造及应用的综合技术,它是信息技术(传感与控制技术、通信技术、计算机技术)的三大支柱之一。,1.1.1检测技术,检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。检测技术任务是:寻找与自然信息具
2、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所处条件下最为适合的表现形式,以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等方法和相应设备。,1.1.2 自动检测系统,自动检测系统:自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号处理等诸多系统的总称。包含被测量、敏感元件、电子测量电路、电源和输出单元,其区别仅在于输出单元。完整检测系统:由传感器、测量电路和显示记录装置等部分组成,分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能,当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少部分,如图1.1 所示:,1.2传感器概述,1.2.1 传感器定义 传感器是一种
3、以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系、便于应用的某种物理量的测量装置 1.2.2 传感器构成 传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此,传感器的组成的细节有较大,差异。但是,总的来说,传感器应由敏感元件、转换元件和信号调理电路组成,有些包含有辅助电源电路,如图1.2所示。,1.2.3 传感器分类,传感器是一门知识密集型技术,传感器原理各异,学科广泛,种类繁多,分类方法如下:(1)按照传感器的工作机理,可分为物理型、化学型、生物型等。(2)从构成原理分为结构型和物性型两类。(3)按照物理原理分类,可分为电参量式传感器(包括电阻式、电感式
4、、电容式等基本型式)、磁电式传感器(包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等)、压电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、波式传感器(包括超声波,式、微波式等)、射线式传感器、半导体式传感器、其他原理的传感器(如振弦式和振筒式传感器等)。(4)按传感器的能量转换情况,可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。(5)从传感器应用分类,分为位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器。另外,根据传感器输出是模拟信号还是数字信号,可分为模拟传感器和数字传感器;根据转换过程可逆与否,可分为双向传感器和单向传感器等。,传感器技术的基本概况 1.传感器的基本要求 可靠性;静态特性;动态性能;量程;抗干扰能力;通
5、用性;轮廓尺寸;成本;能耗;对被测对象的影响等。2.传感器技术的一般方法(1)差动技术(2)平均技术(3)补偿与修正技术(4)干扰抑制(5)稳定性处理,1.3 传感器的基本特性,传感器的输出-输入关系特性是传感器的基本特性,从误差角度去分析输出-输入特性是测量技术所要研究的主要内容之一。输出-输入特性虽是传感器的外部特性,但与其内部参数有密切关系。传感器特性分为静态特性和动态特性。衡量传感器的特性又有静态性能指标和动态性能指标。,1.3.1静态特性,传感器在稳态信号作用下,其输出-输入的关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零点漂移和温度漂移等技术指标,
6、传感器本身的特点、被测量及外界条件都可能影响这些技术指标。1.线性度 所谓传感器的线性度就是其输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。又称为非线性误差。非线性误差可用下式表示:,Lmax输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大 偏差;YFS输出满量程值。实际上许多传感器的输出-输入特性是非线性的,如果不考虑迟滞和蠕变效应一般可用下列多项式表示输出y与输入x特性。其表达式如下:ya0a1 x a2 x 2an x n a0零位输出;a1传感器线性灵敏度;a2,a3,an待定常数。,对于上式对应三种特殊情况:(1)理想的线性特性 如图1.3(a)所示的直线,表达式变为 y=a1 x a1
7、 为常数,即为传感器的灵敏度。(2)仅有偶次非线性项 如图1.3(b)所示。其输出-输入特性方程为 y=a0+a2 x2+a4 x4+其线性范围较窄,一般传感器设计很少采用这种特性。,(3)仅有奇次非线性项 如图1.3(c)所示,其输出输入特性方程式为:y=a1x+a3x3+a5x5+具有这种特性的传感器,一般在输入量x相当大的范围内具有较宽的准线性。这是比较接近于理想直线的非线性特性。,在使用非线性特性的传感器时,如果非线性项的方次不高,在输入量变化范围不大的条件下,可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段,如图1.3所示。这种方法称为传感器非线性特性的“线性化”,所采用的直线称为拟
8、合直线。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,如图1.4中所示的Lmax值,取其中最大值与输出满度值之比作为评价非线性误差(或线性度)的指标。,2.灵敏度(a)传感器的灵敏度是指稳态时,输出增量y与输入增量x的比值,对于线性传感器,其灵敏度就是静态特性的斜率,如图1.5(a)所示,即:而非线性传感器的灵敏度是一个变量,如图1.5(b)所示,即用dy/dx表示传感器在某一工作点的灵敏度。,3.重复性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时,所得特性曲线不一致的程度(见图1.6),不重复性误差属随机误差性质,重复性误差为:其中为标准偏差,如果误差服从高斯分布,标准偏
9、差可以按贝塞尔公式计算:yi某次测量值;各次测量值的平均值,;n测量次数。,4.迟滞(回差滞环)现象 迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行程和反向(输入量减小)行程期间,输出-输入特性曲线不重合程度,如图1.7所示。,对于同一大小的输入信号x,在x连续增大的行程中,对应某一输出量为yi,在x连续减小过程中,对应于输出量为yd之间的差值叫滞环误差,这就是迟滞现象,该误差用H表示为:H|yi-yd|在整个测量范围内的最大滞环误差用Hmax表示,它与满量程输出值YFS的比值称为最大滞环率H,即:,5.零点漂移 传感器无输入信号时,定时进行读数,其输出偏离零值,即为零点漂移,其值为:Y0为最大零
10、点偏差,t为零点漂移的时间。6.温度漂移 温度漂移表示温度变化时,传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1,输出最大偏差与满量程的百分比表示,即:Y0输出最大偏差,YFS满量程输出,T温度变化范围。,1.3.2 动态特性,传感器的动态特性:传感器对输入激励的输出响应特性。,1、动态响应特性,研究传感器动态特性的目的:主要为了从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及提出改善措施,提高系统动态性能。传感器动态特性的分类:瞬态响应特性 频率响应特性,(1)瞬态响应特性 在时域内研究传感器的动态特性时,常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。(2)频率响
11、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。2、动态特性的数学模型 对于线性定常(时间不变)系统,其数学模型为高阶常系数线性微分方程,即:,t时间;a0,a1,an常数;b0,b1,bn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。,3、传递函数,动态特性的传递函数在线性(或线性化)定常系统中是指初始条件为0时,为系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,正弦输入下传感器的动态特性(即频率特性)为:,4、零阶传感器的动态特性,零阶传感器微分方程为:,式中k为静态灵敏度 零阶传感器的传递函数为:H(s)Y(s)/X(s)k 当输入为单位阶跃信号时,零阶传感器单位阶跃响
12、应为:y(t)k通常由称该环节为比例环节。其频率特性为:H()k,5、一阶传感器的动态特性(1)一阶传感器的微分方程(2)一阶传感器的传递函数,(3)一阶传感器的频率特性,幅频特性为:,相频特性为:,()-arctan(),6、二阶传感器的动态特性(1)二阶传感器的微分方程,(2)二阶传感器的瞬态响应,k静态灵敏度,k=b0/a0;0 传感器无阻尼时的固有频率,传感器阻尼系数,,1为临界阻尼,响应时间最短;1为过阻尼,无超调也无振荡,但反应迟钝,动作缓慢,达到稳态所需的时间较长;1为欠阻尼,衰减振荡,达到稳态所需的时间随着减少而加长。0,零阻尼,超调量为100,产生等幅振荡,达不到稳态。,(3
13、)二阶传感器瞬态响应特性指标 1)超调量p 最大超调量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值,最大超调量能说明传感器的相对稳定性。2)滞时间td td是阶跃响应达到稳态值50所需要的时间。3)上升时间tr 4)峰值时间tP 响应曲线到第一个峰值所需的时间 5)响应时间tS 响应曲线衰减到稳态值之差不超过5或2时所需要的时间,有时称为过渡过程时间。,(4)二阶传感器的频率特性 二阶传感器的频率特性、幅频特性、相频特性分别为:,(5)频率响应特性指标 1)频带。传感器增益保持在一定值内的频率范围,即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围,称为传感器的频带或通频带,对应有上、下截止频率。2)时
14、间常数。用时间常数表征一阶传感器的动态特性,越小,频带越宽。3)固有频率0。二阶传感器的固有频率0表征了其动态特性。,1.4 测量方法,1.4.1 直接测量、间接测量与联立测量1、直接测量 在使用仪表测量时,对仪表读数不需要经过任何运算,就能直接表示测量所需的结果,称为直接测量。2、间接测量 测量时先对与被测物理量有确定函数关系量测量,将测量值代入函数关系式,经计算得到所需要结果。3、联立测量 测量时,若被测物理量必须经过求解联立方程组,才能得到最后结果,则称这样的测量为联立测量。,偏差式测量、零位式测量和微差式测量 1、偏差式测量 在测量过程中,用测量仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的测量
15、方法,称为偏差式测量法。2、零位式测量 又称补偿式或平衡式测量,测量时用指零仪表零位指示,检测测量系统的平衡状态;在测量系统达到平衡时,用已知的基准量决定被测未知量的测量方法,称为零位式测量法。3、微差式测量 微差式测量法是综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点,这种方法是将被测的未知量与已知标准量进行比较,并取得差值,然后,用偏差法测得此差值。,1.5 测量误差,测量过程中,首先因为测量设备、仪表、测量对象、测量方法、测量者都不同程度受到本身和周围各种因素的影响,而且这些影响因素也在经常不断的变化。其次,被测量对测量系统施加作用之后,才能使测量系统给出测量结果,也就是说,测量过程一般都会改变
16、被测对象原有的状态。因此,测量结果所反映的并不是被测对象的本来面貌,而只是一种近似,故测量不可避免地总存在测量误差。,1.5.1 误差的概念与分类1有关测量技术的概念(1)等精度测量指在同一条件下所进行的一系列重复测量称为等精度测量。(2)非等精度测量是指在多次测量中,如对测量结果精确度有影响的一切条件不能完全维持不变的测量称为非等精度测量。(3)真值。被测量本身所具有的真正值称之为真值,真值是一个理想的概念,一般不知道,但在某些特定情况下,真值又是可知的。,(4)实际值 通常只能把精度更高一级的标准器具所测得的值作为真值。为了强调它并非是真正的真值,故把它称为实际值。(5)标称值指测量器具上
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