非電量測試技術(shù)的基礎(chǔ)知識

1、非電量測試技術(shù)的基礎(chǔ)知識l敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。l轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。l轉(zhuǎn)換電路：將上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，并轉(zhuǎn)換成電量輸出。轉(zhuǎn)換電路：將上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，并轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器組成框圖傳感器組成框圖 l廣泛采用的分類方法有以下幾種廣泛采用的分類方法有以下幾種 :l按工作機(jī)理，分為物理型、化學(xué)型、生物型等。按工作機(jī)理，分為物理型、化學(xué)型、生物型等。l按構(gòu)成

2、原理，分為結(jié)構(gòu)型、物性型兩大類。按構(gòu)成原理，分為結(jié)構(gòu)型、物性型兩大類。l結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成的，包括力場的運(yùn)動定律，電磁場的電磁定律等。這結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成的，包括力場的運(yùn)動定律，電磁場的電磁定律等。這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的性能與它的結(jié)構(gòu)材料沒有多大關(guān)系，如差動變壓器。類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的性能與它的結(jié)構(gòu)材料沒有多大關(guān)系，如差動變壓器。l物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如歐姆定律等。物性型傳感器的性能隨材料的不同而異，物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的，如歐姆定律等。物性型傳感器的性能隨材料的不同而異，如光電管、半導(dǎo)體傳感器等。如光電管、半導(dǎo)體傳感器等

3、。 按能量轉(zhuǎn)換情況，分為能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型。按能量轉(zhuǎn)換情況，分為能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型。 能量控制型傳感器在信息變換過程中，其能量需外電源供給。如電阻、電感、電容等電能量控制型傳感器在信息變換過程中，其能量需外電源供給。如電阻、電感、電容等電路參量傳感器。路參量傳感器。 能量轉(zhuǎn)換型傳感器，主要是由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、能量轉(zhuǎn)換型傳感器，主要是由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)等原理構(gòu)成的傳感器。熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)等原理構(gòu)成的傳感器。 按物理原理，可分為電參量式傳感器（包括電阻式、電感式、電容式等基本型式）、磁按物理原理，可分為

4、電參量式傳感器（包括電阻式、電感式、電容式等基本型式）、磁電式傳感器（包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等）、壓電式傳感器、光電式傳感器、電式傳感器（包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等）、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、波式傳感器（包括超聲波式、微波式等）射線式傳感器、半導(dǎo)體式傳感氣電式傳感器、波式傳感器（包括超聲波式、微波式等）射線式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、其它原理的傳感器（如振弦式和振筒式傳感器等）。器、其它原理的傳感器（如振弦式和振筒式傳感器等）。 按照使用來分類，可分為位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器，溫度傳感器等。按照使用來分類，可分為位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器，溫度傳

5、感器等。 l6.2.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性l1. 線性度線性度l3. 遲滯遲滯l4. 重復(fù)性重復(fù)性l5. 零點(diǎn)漂移零點(diǎn)漂移l7. 溫漂溫漂l8靜態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定l6.2.2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性l1. 瞬態(tài)響應(yīng)特性瞬態(tài)響應(yīng)特性l2. 頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)特性l感器的輸出感器的輸出-輸入特性一般可用下列多項(xiàng)式表示輸入特性一般可用下列多項(xiàng)式表示 2012nnyaa xa xa xL L 實(shí)際特性曲線與擬合直線間偏差稱傳感器非線性誤差。實(shí)際特性曲線與擬合直線間偏差稱傳感器非線性誤差。取最大值與輸出滿度值之比作為評價(jià)指標(biāo)取最大值與輸出滿度值之比作為評價(jià)指標(biāo) : :max100%

6、LFSLY 式中：式中：x被測量，被測量，y輸出；輸出；a0為零位輸出，為零位輸出，a1為傳感器靈敏度；為傳感器靈敏度；a2為非線性項(xiàng)系數(shù)。為非線性項(xiàng)系數(shù)。max:LFSLY 線線性性度度：最最大大絕絕對對誤誤差差：滿滿量量程程輸輸出出l靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量y與引起此變化的輸入變化量與引起此變化的輸入變化量x之比之比,用用k表示，即表示，即:kyx (a) 線性傳感器 (b) 非線性傳感器 表征傳感器輸入量變化的反應(yīng)能力，一般希望傳感器靈敏度高，在量程范圍內(nèi)恒定，輸入、輸表征傳感器輸入量變化的反應(yīng)能力，一般希望傳感器靈敏度高，在量程范圍內(nèi)恒定，輸

7、入、輸出特性為直線。出特性為直線。實(shí)驗(yàn)方法確定，用最大輸出差值實(shí)驗(yàn)方法確定，用最大輸出差值對滿量程輸出的百分比表示，對滿量程輸出的百分比表示，即即 max100%HFSHY l傳感器在正、反行程（上升、下降）期間，其輸入傳感器在正、反行程（上升、下降）期間，其輸入-輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯（滯輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯（滯環(huán)）。環(huán)）。l原因：儲能（彈性元件）、運(yùn)動器件摩擦等。原因：儲能（彈性元件）、運(yùn)動器件摩擦等。l死區(qū)：死區(qū)：l死區(qū)效應(yīng)，例如傳動機(jī)構(gòu)死區(qū)效應(yīng)，例如傳動機(jī)構(gòu)l的摩擦和間隙的摩擦和間隙l實(shí)際上升曲線和實(shí)際實(shí)際上升曲線和實(shí)際l下降曲線不重合下降曲線不重合l儀表輸入小到一定

8、范圍后儀表輸入小到一定范圍后l不足以引起輸出的任何變不足以引起輸出的任何變l化化死區(qū)效應(yīng)分析死區(qū)效應(yīng)分析l指在同一工作條件下，輸入量按同一方向做全量程多次變化，所得特性的不一致。指在同一工作條件下，輸入量按同一方向做全量程多次變化，所得特性的不一致。l屬于隨機(jī)誤差，常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，也用正、反行程中的最大偏差表示屬于隨機(jī)誤差，常用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，也用正、反行程中的最大偏差表示:(2 3)100%RFSY 或：或：max100%2RFSRY l傳感器無輸入時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值，即為零點(diǎn)漂移。傳感器無輸入時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值，即為零點(diǎn)漂移。ll零漂零漂 010

9、0%FSYY 0:Y 最最大大零零點(diǎn)點(diǎn)偏偏差差l溫漂表示溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化溫漂表示溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1，輸出最大偏差與滿，輸出最大偏差與滿量程的百分比量程的百分比 :溫漂溫漂 max100%FSYT max:T 輸輸出出最最大大偏偏差差：溫溫度度變變化化范范圍圍l標(biāo)定概念：利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生的已知非電量作為傳感器輸入，測量傳感器輸出，然后與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定概念：利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生的已知非電量作為傳感器輸入，測量傳感器輸出，然后與標(biāo)準(zhǔn)量比較而獲得系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線的過程。量比較而獲得系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線的過程。l在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，無加速度、振

10、動、沖擊，環(huán)境溫度、濕度、大氣壓一般要求。在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，無加速度、振動、沖擊，環(huán)境溫度、濕度、大氣壓一般要求。l標(biāo)定的基準(zhǔn)儀器要至少比被標(biāo)定傳感器精度高一個(gè)等級。標(biāo)定的基準(zhǔn)儀器要至少比被標(biāo)定傳感器精度高一個(gè)等級。l將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點(diǎn)；將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點(diǎn)；l根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；l將輸入值由大到小地減少，記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；將輸入值由大到小地減少，記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；l按、所述過程

11、，對傳感器進(jìn)行正、反行程多次測試，一般是按、所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程多次測試，一般是3次，將得到的輸出輸入次，將得到的輸出輸入數(shù)據(jù)用表格或曲線表示出來；數(shù)據(jù)用表格或曲線表示出來；l對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行，就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行，就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。l指在測量隨時(shí)間變化的動態(tài)非電量時(shí)傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系，即傳感器的輸出對隨時(shí)指在測量隨時(shí)間變化的動態(tài)非電量時(shí)傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系，即傳感器的輸出對隨時(shí)間變化的輸入量的反應(yīng)能力。間變化的輸入量的反應(yīng)能力。l在研究傳感器的動態(tài)特性時(shí)，將大多數(shù)傳感器

12、簡化為一階或二階系統(tǒng)；同時(shí)，可以從時(shí)域和在研究傳感器的動態(tài)特性時(shí)，將大多數(shù)傳感器簡化為一階或二階系統(tǒng)；同時(shí)，可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面來進(jìn)行分析。頻域兩個(gè)方面來進(jìn)行分析。l一階傳感器的單位階躍響應(yīng)一階傳感器的單位階躍響應(yīng)l二階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階傳感器的單位階躍響應(yīng)l瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo)瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo)l設(shè)設(shè)x ( t )和和y ( t ) 分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時(shí)間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時(shí)間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為數(shù)為( )( )( )1Y sKH sX ss 當(dāng)輸入為單位階躍信號時(shí)，當(dāng)輸入為單位階躍信號時(shí)，X(s)=1,傳感器輸出的

13、拉氏變換為傳感器輸出的拉氏變換為11( )( )( )1Y sH s X sss 則一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為則一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為 1( )( )1ty tLY se ( )( )( )dy ty tkx tdt 積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié) 1( )( )1ty tLY se 傳感器存在慣性，初始上升斜率傳感器存在慣性，初始上升斜率1/，響應(yīng)速率隨時(shí)間增加而減慢，當(dāng)，響應(yīng)速率隨時(shí)間增加而減慢，當(dāng)4時(shí)，輸出接近穩(wěn)態(tài)。時(shí)，輸出接近穩(wěn)態(tài)。 越小，響應(yīng)曲線越接近輸入階躍曲線。越小，響應(yīng)曲線越接近輸入階躍曲線。二階傳感器的傳遞函數(shù)為二階傳感器的傳遞函數(shù)為222( )( )( )2nnnKY sH sX s

14、ss 在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為 222( )( )( )(2)nnnKY sH s X ss ss :n傳傳感感器器固固有有頻頻率率 ：傳傳感感器器阻阻尼尼比比221002( )( )( )( )d y tdy taaa y tb x tdtdt化簡為：化簡為：2222( )( )2( )( )nnnd y tdy ty tKx tdtdt l，無阻尼，超調(diào)量為，無阻尼，超調(diào)量為100%，產(chǎn)生等幅振蕩，達(dá)，產(chǎn)生等幅振蕩，達(dá)不到穩(wěn)態(tài)。不到穩(wěn)態(tài)。l1，為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但反應(yīng)遲鈍、動，為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但反應(yīng)遲鈍、動作

15、緩慢，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長。作緩慢，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間較長。l1，為欠阻尼，衰減振蕩，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間隨，為欠阻尼，衰減振蕩，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間隨的減小而加長。的減小而加長。222( )( )( )(2)nnnKY sH s X ss ss l，臨界阻尼，時(shí)響應(yīng)時(shí)間最短。在實(shí)際使用中，為了兼顧有短的上升時(shí)間和小的超調(diào)量，臨界阻尼，時(shí)響應(yīng)時(shí)間最短。在實(shí)際使用中，為了兼顧有短的上升時(shí)間和小的超調(diào)量，一般傳感器都設(shè)計(jì)成欠阻尼式的，阻尼比一般傳感器都設(shè)計(jì)成欠阻尼式的，阻尼比一般取在一般取在0.60.8之間。之間。 臨界阻尼臨界阻尼l一階傳感器的性能指標(biāo)是時(shí)間常數(shù)一階傳感器的性能指標(biāo)是時(shí)間常數(shù)，越小，響

16、應(yīng)速度越快。越小，響應(yīng)速度越快。l二階傳感器的性能指標(biāo)如圖表示，各指二階傳感器的性能指標(biāo)如圖表示，各指標(biāo)定義如下：標(biāo)定義如下： 上升時(shí)間上升時(shí)間 輸出由穩(wěn)態(tài)值的輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時(shí)間。所用的時(shí)間。 調(diào)整時(shí)間調(diào)整時(shí)間 系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。 峰值時(shí)間峰值時(shí)間 階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需時(shí)間。階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需時(shí)間。 超調(diào)量超調(diào)量 傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值A(chǔ)，常用，常用相對于穩(wěn)態(tài)值的百分比相對于穩(wěn)態(tài)值的百

17、分比表示。表示。穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)l一階傳感器的頻率特性一階傳感器的頻率特性:l將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用用j代替，即可得到頻率特性表達(dá)式代替，即可得到頻率特性表達(dá)式1()()1H jj 幅頻特性幅頻特性 21( )1()A 相頻特性相頻特性 ( )()arctg 12()12nnHjj 12222( )12nnA 2()21nnarctg l二階傳感器的頻率特性表達(dá)式、幅頻特性、相頻特性分別為二階傳感器的頻率特性表達(dá)式、幅頻特性、相頻特性分別為:l工作頻帶工作頻帶 l 傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對

18、數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3時(shí)所對應(yīng)的頻率時(shí)所對應(yīng)的頻率范圍，稱為傳感器的工作頻帶，對應(yīng)有上、下截止頻率。范圍，稱為傳感器的工作頻帶，對應(yīng)有上、下截止頻率。HLBWff l輸入：階躍變化信號和正弦變化信號。輸入：階躍變化信號和正弦變化信號。l階躍變化信號：即以一個(gè)已知的階躍信號激勵傳感器，使傳感器按自身的固有頻率振動，并階躍變化信號：即以一個(gè)已知的階躍信號激勵傳感器，使傳感器按自身的固有頻率振動，并記錄下運(yùn)動狀態(tài)，從而確定其動態(tài)特性。記錄下運(yùn)動狀態(tài)，從而確定其動態(tài)特性。l正弦變化信號：以一個(gè)振幅和頻率均為已知、可調(diào)的正弦信號激勵傳感器，根據(jù)記錄的運(yùn)動正弦變化信號：以一個(gè)振幅和頻率均為已知、可調(diào)的正弦