傳感器的靜態(tài)特性.pptx

1、檢測與控制電路基礎(chǔ)第3章 傳感器與測試系統(tǒng)第一講：傳感器基本概念、數(shù)據(jù)處理的常用方法第二講：自動(dòng)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、新方法第二講：電阻抗傳感器的檢測電路1.1 信號的形式0 本章安排傳感器定義：是指將感受到的物理量、化學(xué)量等信息，按照一定規(guī)律，轉(zhuǎn)換成便于測量和傳輸?shù)男盘柕难b置。由于電信號易于傳輸和處理，所以一般概念上的傳感器是指將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出的元件或裝置。換能器：將一類信號變換成另一類信號的任何裝置都可稱為換能器。從這一意義上講，換能器可以說是傳感器的另一種定義形式。不過，傳感器的含義側(cè)重于擴(kuò)展人們獲取那些感官所不能察覺的物理量信息的能力，而換能器則意味著輸入量與輸出量不一樣。1.1 信

2、號的形式1 傳感器定義與分類敏感元件：能夠靈敏地感受被測量并做出響應(yīng)（未必是電信號）的元件。 （與傳感器的區(qū)別？）變送器：能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器。轉(zhuǎn)換器：針對輸出為非標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器，必須和特定的儀器或裝置配套，才能實(shí)現(xiàn)檢測或調(diào)節(jié)功能微傳感器：基于MEMS技術(shù)的新型傳感器，其敏感元件的尺寸為0. 1-100 m。靈巧傳感器：把敏感元件、信號處理電路、處理單元和通信單元等集成在一起的傳感器。 1.1 信號的形式（1） 傳感器的常見名詞1.1 信號的形式1.1 信號的形式（2） 智能傳感器智能傳感器的結(jié)構(gòu) 智能傳感器的功能1）自補(bǔ)償功能 2）自校準(zhǔn)功能 3）自診斷功能 4）數(shù)據(jù)處理功能 5）雙向通

3、信功能 6）信息存儲(chǔ)和記憶功能 8）除了檢測物理量、化學(xué)量的變化，智能傳感器還具有 信號調(diào)理（如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)處理和 數(shù)據(jù)顯示等能力。7）數(shù)字量輸出功能：輸出數(shù)字信號，可方便的同計(jì)算機(jī) 或接口總線相連。1.1 信號的形式2 傳感器與測控系統(tǒng)1.1 信號的形式3 傳感器分類1.有源傳感器與無源傳感器2.數(shù)字傳感器與模擬傳感器3. 零階、一階、二階、高階傳感器4. 最常用的分類方法：按被測對象分按轉(zhuǎn)換機(jī)理分1.1 信號的形式（1） 傳感器基本特性理想傳感器： 靈敏度高 穩(wěn)定性好 實(shí)時(shí)性高3.1.4 傳感器的基本特性造成傳感器測量系統(tǒng)誤差的原因：1.介入誤差：如加速度傳感器、溫度傳

4、感器。2.應(yīng)用誤差：源自使用者或測量系統(tǒng)3.特性參數(shù)誤差：傳感器本身，如閾值、分辨率4.動(dòng)態(tài)誤差：滯后造成的5.環(huán)境誤差：環(huán)境，如溫度、振動(dòng)、電源傳感器的基本特性傳感器的基本特性是指傳感器的輸入-輸出特性，一般分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩大類（1）靜態(tài)特性是當(dāng)被測對象處于靜態(tài)，即輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號時(shí)，傳感器輸入與輸出之間呈現(xiàn)的關(guān)系。（2）動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)的輸入輸出關(guān)系。傳感器的靜態(tài)特性式中：y 輸出量； x 輸入量； a0 零點(diǎn)輸出； a1 理論靈敏度； a2、a3，an 非線性項(xiàng)系數(shù)傳感器的靜態(tài)特性量程 分辨力閾值 靈敏度重復(fù)性 遲滯線性度 精度穩(wěn)定性 衡量傳感器靜態(tài)特

5、性的主要指標(biāo)傳感器的靜態(tài)性能1.靈敏度傳感器的輸出增量與輸入增量之比實(shí)際線性傳感器存在：靈敏度誤差傳感器的靜態(tài)性能 2. 量程傳感器能夠檢測的輸入量的最大、最小值之差一般的傳感器產(chǎn)品所給出的精度都是針對滿量程的相對值，如0.1%FS滿量程(Full span)。因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)越接近滿量程，其測量準(zhǔn)確度越高傳感器的靜態(tài)性能 3.線性度或非線性誤差傳感器特性曲線與其規(guī)定的擬合直線之間的最大偏差max與傳感器滿量程輸出yFS之比的百分?jǐn)?shù)即為線性度或非線性誤差傳感器的靜態(tài)性能4.單調(diào)性隨著輸入?yún)⒘康脑黾樱瑐鞲衅鞯妮敵鍪欠駷閱握{(diào)增加。具體而言，單調(diào)性好的傳感器，當(dāng)輸入量從x增加到x時(shí)，其相應(yīng)輸出f (x

6、+)永遠(yuǎn)大于f(x)。對于非線性傳感器，基于MCU算法可非常容易進(jìn)行非線性測量，把測量量程從很短的線性區(qū)大大擴(kuò)展，但同時(shí)要考慮測量靈敏度與分辨率。這個(gè)取決于測量電路的分辨率單調(diào)性與測量的關(guān)系傳感器的靜態(tài)性能5.滯后（遲滯、回差）滯后指傳感器正行程特性曲線與反行程特性曲線不一致的程度。傳感器的滯后一般采用正、反行程特性曲線之最大差值與滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)表示，即滯后的處理：敏感元件優(yōu)化傳感器的靜態(tài)性能 6.重復(fù)性重復(fù)性指傳感器輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得曲線不一致的程度。 具體計(jì)算方法是先分別測出正、反行程多次測量的各個(gè)測試點(diǎn)的最大偏差，再取2者中的最大值，按下式計(jì)算重復(fù)性比線

7、性度重要的多傳感器的靜態(tài)性能 7. 精度（1）絕對誤差表示：傳感器示值與被測量真值之間的最大偏差（2）最大引用誤差：絕對誤差相對于滿量程的百分比形式（FS)表示。（3）綜合考慮室溫下傳感器的線性度、滯后及重復(fù)性三方面的誤差，按下式計(jì)算出傳感器的精度：傳感器的靜態(tài)性能8.閾值與分辨率當(dāng)輸入量變小到某一值，即觀察不到輸出量變化時(shí)，這時(shí)的輸入量稱為傳感器的閾值。分辨率是指可觀察到輸出量變化的輸入量的最小變化值。傳感器的靜態(tài)性能閾值與分辨率的關(guān)系傳感器的閾值往往與敏感機(jī)理或敏感元件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些傳感器的閾值比分辨率要大許多，尤其是一些具有s形特性曲線的傳感器，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡可能避開。一般來說，閾值

8、大的傳感器，其滯后必然大，但分辨率不一定差。傳感器的閾值與分辨率指標(biāo)是以輸入量的值來度量的。大部分傳感器的這一指標(biāo)是由敏感元件本身特性決定的，如果本身傳感器閾值與分辨率有限，加大放大倍數(shù)雖然會(huì)帶來靈敏度的提高，卻不會(huì)影響傳感器的閾值與分辨率。傳感器的靜態(tài)性能9.穩(wěn)定性(1)時(shí)間零漂：傳感器的輸出零點(diǎn)隨時(shí)間發(fā)生漂移的情況；措施：可通過選擇高穩(wěn)定性器件、優(yōu)化電路參數(shù)等方法減小， (2)零點(diǎn)溫漂：傳感器的輸出零點(diǎn)隨溫度變化發(fā)生漂移的情況；措施：溫度補(bǔ)償，注意由于熱傳導(dǎo)的影響，溫度測量探頭與傳感器在空間位置上的距離很可能造成兩者溫度的不一致，影響實(shí)際補(bǔ)償?shù)男Ч?(3)靈敏度溫漂：傳感器的靈敏度隨溫度

9、、時(shí)間變化發(fā)生漂移的情況傳感器的動(dòng)態(tài)性能 動(dòng)態(tài)特性反映傳感器感知?jiǎng)討B(tài)信號的能力。一般來說，傳感器輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律應(yīng)與輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律相近，否則輸出量就不能反映輸入量。傳感器的動(dòng)態(tài)性能典型環(huán)節(jié)的頻率特性零階傳感器系統(tǒng) K靜態(tài)靈敏度。 一階傳感器系統(tǒng) （a）力學(xué)系統(tǒng) （b）電學(xué)系統(tǒng)二階傳感器系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo) 通常在階躍信號作用下測定傳感器動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域指標(biāo)。 （a）一階系統(tǒng)（b）二階系統(tǒng) 傳感器的時(shí)域性能指標(biāo)主要有時(shí)間常數(shù)：輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時(shí)間；上升時(shí)間： 輸出值從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時(shí)間；響應(yīng)時(shí)間： 輸出值達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的95%或98%所需的時(shí)間。最大超調(diào)量：在二

10、階系統(tǒng)中，如果輸出量大于穩(wěn)態(tài)值， 則 有超調(diào)，最大超調(diào)量定義為：頻域性能指標(biāo) 通常利用傳感器系統(tǒng)對單位幅度正弦信號的響應(yīng)曲線測定動(dòng)態(tài)性能的頻域指標(biāo)。 傳感器的頻域性能指標(biāo)包括通頻帶： 對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時(shí)所對應(yīng) 的頻率范圍；工作頻帶：幅值誤差為5%或10%時(shí)所對應(yīng)的頻率范 圍；相位誤差：在工作頻帶范圍內(nèi)相角應(yīng)小于5或10。 （a）一階系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性（b）二階系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性3.1.4 傳感器的基本特性3.2 傳感器標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理步驟：1.確定表達(dá)傳感器的輸入輸出模型2.設(shè)計(jì)標(biāo)定試驗(yàn)3.數(shù)據(jù)處理4.模型分析及修正3.1.4 傳感器的基本特性3.2 傳感器標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理

11、標(biāo)定兩種形式：1.絕對式標(biāo)定，以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為參考2.比較式標(biāo)定3.1.4 傳感器的基本特性方法：最小二乘法直觀上：存在如下線性關(guān)系代價(jià)函數(shù)：3.2.1 每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上只有一個(gè)測量值的情況3.1.4 傳感器的基本特性3.2.1 每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上只有一個(gè)測量值的情況3.1.4 傳感器的基本特性3.2.1 每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上只有一個(gè)測量值的情況注意：相關(guān)性分析相關(guān)系數(shù)R3.1.4 傳感器的基本特性3.2.1 每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上只有一個(gè)測量值的情況1階擬合：6階擬合：3.1.4 傳感器的基本特性3.2.1 每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上只有一個(gè)測量值的情況曲線擬合的階數(shù)選擇條件：1. 盡可能與傳感器敏感機(jī)理相聯(lián)系，避免采用高階多項(xiàng)式進(jìn)行擬

12、合2. 在理論缺乏情況下，可以用多項(xiàng)式擬合，但階數(shù)小于取樣點(diǎn)數(shù)的一半3.一般情況下，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)盡可能分布在整個(gè)量程范圍實(shí)際的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)往往需要進(jìn)行多次，以考察傳感器在重復(fù)性、滯后等方面的性能。因此，得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)往往在同一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上有多個(gè)測量值。在利用最小二乘法求取擬合曲線時(shí)，將這些測量值同時(shí)考慮進(jìn)去，無疑可提高擬合計(jì)算的效果。3.2.2 每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上有多個(gè)測量值的情況3.2.2 每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上有多個(gè)測量值的情況假定在標(biāo)定點(diǎn)x上進(jìn)行了m次測量，相應(yīng)得到m個(gè)測量值y_加權(quán)最小二乘法3.2.2 每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)上有多個(gè)測量值的情況當(dāng)m相等時(shí)誤差的數(shù)字修正技術(shù)誤差分類：靜態(tài)誤差：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差動(dòng)態(tài)誤差：（1）第一類誤差：由于檢測系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)存在慣性、阻尼及非線性（2）第二類誤差：隨時(shí)間改變的干擾信號引起的動(dòng)態(tài)誤差系統(tǒng)誤差的數(shù)字修正技術(shù)利用校正曲線修正系統(tǒng)誤差步驟：（1）實(shí)測誤差預(yù)處理（2）曲線擬合建模（3）MCU誤差修正：查表法、插值法系統(tǒng)誤差的數(shù)字修正技術(shù)研究系統(tǒng)誤差規(guī)律進(jìn)行修正例：工頻干擾的數(shù)字處理方法線性變差型系統(tǒng)誤差消除方法交替極性+交叉讀數(shù)周期性系統(tǒng)誤差消除方法隨機(jī)誤差的數(shù)字修正技術(shù)1.限幅濾波：當(dāng)采樣信號由于隨機(jī)干擾而引起嚴(yán)重失真時(shí)采用。用于變化比較緩慢的參數(shù)測量，如溫度、物位等，也可以再大電流、大電感負(fù)載切斷時(shí)，干擾的特點(diǎn)是時(shí)間短、但幅度卻很大的情況隨機(jī)誤差