西南交大自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)第二章課件

1、第二章 傳感器概述第一節(jié) 傳感器與非電量電測(cè)一、非電量電測(cè)法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量后再進(jìn)行測(cè)量的方法。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件稱為傳感器。二、非電量電測(cè)系統(tǒng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路顯示裝置被測(cè)量記錄裝置 電 源科學(xué)儀器把控食品質(zhì)量關(guān) 水質(zhì)檢測(cè)：便攜式濁度儀物聯(lián)網(wǎng)分層示意圖美國(guó)研發(fā)新型輻射監(jiān)測(cè)儀器 第二節(jié) 傳感器的定義與分類一、定義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步, 傳感器也在不斷的發(fā)展,因此,至今尚無(wú)一個(gè)比較全面的定義。傳感器定義1：能感受規(guī)定的被測(cè)量并依據(jù)一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。定義2：指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并按照一定規(guī)

2、律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的有用輸出信號(hào)的元器件或裝置。四層含義：（1）傳感器是一種元器件或裝置。（2）“被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息” 非電量:物理量、化學(xué)量等 電量（3）有用輸出信號(hào)（4）按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換守恒定律：物理量隨著空間和時(shí)間的移動(dòng)，其總量保持不變。如能量守恒、動(dòng)量守恒、電荷守恒敏感元件轉(zhuǎn)換元件被測(cè)非電量電量 敏感元件 傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的 部分。 轉(zhuǎn)換元件 傳感器中能將敏感元件響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換為適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)。場(chǎng)的定律：描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等在空間和時(shí)間上的變換規(guī)律。物質(zhì)定律：表示各種物質(zhì)內(nèi)在客觀性質(zhì)的定律。二、傳感器的組成通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。三、傳感器的作用和

3、地位外界信息感知器官 人腦四肢等 傳感器控制器執(zhí)行器傳感器在諸如高溫、高濕、深井、高空等環(huán)境及高精度、高可靠性、遠(yuǎn)距離等方面是人感官所不能替代。傳感器的作用：信息采集由于傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。 四、傳感器分類1按被測(cè)物理量劃分 溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器等。優(yōu)點(diǎn)：便于選型、使用。缺點(diǎn)：不利于掌握傳感器工作原理。2按工作原理劃分 電學(xué)式傳感器(電阻式、電感式、電容式等)、磁學(xué)式傳感器

4、、光電式傳感器、諧振式傳感器等。優(yōu)點(diǎn)：有利于對(duì)傳感器的工作原理進(jìn)行系統(tǒng)性研究。缺點(diǎn)：不便于選型。4、按感知外界信息分類根據(jù)傳感器感知外界信息所依據(jù)的基本效應(yīng), 可以將傳感器分成三大類:物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器?；谖锢硇?yīng)如光、 電、 聲、 磁、 熱等效應(yīng)進(jìn)行工作的稱為物理傳感器; 基于化學(xué)反應(yīng)如化學(xué)吸附、選擇性化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行工作的稱為化學(xué)傳感器; 基于酶、抗體、激素等分子識(shí)別功能的稱為生物傳感器。5、按敏感材料分類根據(jù)傳感器使用的敏感材料分類, 可分為：半導(dǎo)體傳感器、 光纖傳感器、 陶瓷傳感器、金屬傳感器、高分子材料傳感器、 復(fù)合材料傳感器等等。五、傳感器的技術(shù)特點(diǎn)及要求 技術(shù)特點(diǎn)

5、： 內(nèi)容范圍廣 知識(shí)密集程度高 技術(shù)復(fù)雜，工藝要求高 品種多，應(yīng)用廣要求：可靠性好，靜態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)，通用性好，尺寸小，成本低，能耗小。 第三節(jié) 傳感器數(shù)學(xué)模型概述及基本特性從系統(tǒng)角度來(lái)看，傳感器就是一個(gè)系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來(lái)描述。由于輸入量的狀態(tài)不同，傳感器所呈現(xiàn)出的輸入-輸出特性也不同。通常從傳感器的靜態(tài)輸入-輸出關(guān)系和動(dòng)態(tài)輸入-輸出關(guān)系兩個(gè)方面建立數(shù)學(xué)模型。 被測(cè)輸入量靜態(tài)量準(zhǔn)靜態(tài)量動(dòng)態(tài)量靜態(tài)特性指標(biāo)動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型其中，各系數(shù)均為與傳感器結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。三、基本特性（一）靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是通過(guò)靜態(tài)標(biāo)定的過(guò)程

6、所獲得的。1、靜態(tài)標(biāo)定在一定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用一定等級(jí)的標(biāo)定設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行多次往復(fù)測(cè)試的過(guò)程。and ny(t)dt n+an-1d n-1y(t)dt n-1+.+a1dy(t)dt+a0y(t)=bmd mx(t)dt m+bm-1d m-1x(t)dt m-1+.+b1dx(t)dt+b0 x(t)2、靜態(tài)標(biāo)定條件 對(duì)標(biāo)定環(huán)境要求：無(wú)加速度、無(wú)振蕩、無(wú)沖擊，溫度在1525濕度不大于85RH，大氣壓力為0.1MP。 對(duì)所用的標(biāo)定設(shè)備的要求：當(dāng)標(biāo)定設(shè)備和被標(biāo)定設(shè)備系統(tǒng)誤差較小時(shí)，要求s1/3m （ s為標(biāo)定設(shè)備隨機(jī)誤差）當(dāng)標(biāo)定設(shè)備和被標(biāo)定設(shè)備隨機(jī)誤差較小時(shí), 要求s1/10 m （ s為

7、標(biāo)定設(shè)備系統(tǒng)誤差）3、傳感器靜態(tài)特性的確定傳感器靜態(tài)特性的表示方法：公式、擬合曲線、表格等描述說(shuō)明：n個(gè)測(cè)量點(diǎn)通常是等分的，第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)被測(cè)量的最小值，第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)被測(cè)量的最大值。傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)1精確度 傳感器測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值的一致程度，包括精密和正確的程度。精密度：在一定條件下進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果比較集中，分散性小，隨機(jī)誤差小。準(zhǔn)確度：規(guī)定條件下測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)誤差小。2測(cè)量范圍與量程測(cè)量范圍：對(duì)被測(cè)量可按規(guī)定精確度進(jìn)行測(cè)量的范圍( Xmin, Xmax) 。量程：測(cè)量范圍上限值與下限值代數(shù)差, 即 Xmax Xmin3靈敏度反映傳感器對(duì)被測(cè)參量變化的靈敏程度，即

8、傳感器輸出量的變化與引起該變化的輸入量的變化之比。 S =對(duì)于線性傳感器：對(duì)于非線性傳感器：Sn為靜態(tài)特性曲線的斜率，是一常數(shù)。Sn為靜態(tài)特性曲線的該測(cè)點(diǎn)處切線的斜率，是一變量。4線性度誤差標(biāo)定曲線與規(guī)定直線（參考直線）之間的最大偏差。L = | (yL ) max | YFS100%其中， YFS 滿量程輸出， YFS = | B (x max x min ) | n個(gè)測(cè)點(diǎn)中的最大偏差為： (yL ) max =max| yi,L | , i=1,2,.,nyi,L = yi yi其中，yi,L是第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)平均輸出與所選定的參考直線對(duì)應(yīng)輸出的偏差。 端基線性度參考直線是標(biāo)定過(guò)程獲得的2個(gè)端

9、點(diǎn)(x1，y1 )，(xn，yn )的連線。 平移端基線性度 最小二乘線性度(xi，yi )，基于所得到的n個(gè)標(biāo)定點(diǎn) i=1,2,.,n利用偏差平方和最小確定最小二乘直線。擬合直線bkxy+=-=niniiinininiiiiixxnyxyxnk1212111)(=-=niniiinininiiiiniiixxnyxxyxb121211112)(序號(hào) 方法名稱 擬合直線 特點(diǎn) （1） 理論直線法 理論特性線， 與測(cè)量值無(wú)關(guān) 簡(jiǎn)單、方便， 非線性誤差大。 （2） 端點(diǎn)線法 校準(zhǔn)曲線端點(diǎn)連線 簡(jiǎn)單， 非線性誤差大 （3） “最佳直線”法 與正、反行程校準(zhǔn)曲線的正、負(fù)偏差相等且最小 精度高， 求解復(fù)

10、雜 （4） 最小二乘法 與校準(zhǔn)曲線的偏差平方和最小 精度高，普遍推薦的方法 理論直線法（絕對(duì)線性度）、端點(diǎn)線法（端基線性度）、最佳直線法（平移端基線性度）、最小二乘法（最小二乘線性度）特點(diǎn)比較：5遲滯、非線性遲滯遲滯：在測(cè)量全范圍內(nèi)，同一輸入對(duì)應(yīng)的上、下行輸出之間的最大差值。H = | (yH ) max | 2YFS100%?對(duì)于第i個(gè)測(cè)點(diǎn),其正、反行程輸出平均校準(zhǔn)點(diǎn)分別為：(xi，ydi )(xi，yui )和第i個(gè)測(cè)點(diǎn)其正、反行程的偏差為：yi,H = |yui ydi |則: (yH )max=max(yi,H) , i=1,2,.,n遲滯誤差：H = | (yH ) max | 2Y

11、FS100%非線性遲滯：表征測(cè)試系統(tǒng)正行程和反行程標(biāo)定曲線與參考直線不一致的程度。yi, LH = max ( |yui yi |, |ydi yi | ) 則：(yLH ) max =max (yi, LH ) , i=1,2,.,nLH = | (yLH ) max | YFS100%針對(duì)第i個(gè)測(cè)點(diǎn)6分辨力可有意義地區(qū)分兩緊鄰所示量值的能力。對(duì)于實(shí)際標(biāo)定過(guò)程中的第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)Xi ，當(dāng)有Xi,min變化時(shí)，輸出有可觀察到的變化Yi,即為該測(cè)量點(diǎn)的分辨力。對(duì)應(yīng)的該測(cè)量點(diǎn)Xi的分辨率為：ri =Xi,min Xmax Xmin測(cè)試系統(tǒng)的分辨力：在全工作范圍內(nèi)，能夠產(chǎn)生可觀測(cè)輸出變化的最小輸入量的

12、最大值為max |Xi,min | ( i=1, 2,.,n)測(cè)試系統(tǒng)的分辨率：r =max |Xi,min | Xmax Xmin7死區(qū)在起始測(cè)點(diǎn)X1處，輸入量的變化不致引起輸出量有任何可察覺(jué)變化的有限區(qū)間。8重復(fù)性在統(tǒng)一工作條件下，傳感器對(duì)同一輸入、同一方向連續(xù)多次測(cè)量時(shí)輸出值間的相互一致程度。采用極差法引入重復(fù)性指標(biāo)。正行程第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)誤差：ui =Wui /dmWui 表示極差，即第i個(gè)測(cè)點(diǎn)正行程的m個(gè)標(biāo)定值中的最大值與最小值之差。Wui =max(yuij )min (yuij ) 其中 j=1,.,mdm表示極差系數(shù)，取決于測(cè)量循環(huán)次數(shù) m。m 2 3 4 5 .dm 1.41

13、 1.91 2.24 2.48 .測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差S=max(ui ， di ) , i=1,2,.,n 重復(fù)性指標(biāo)為： R =yFS3s100%3為置信概率系數(shù)，表示在整個(gè)測(cè)量范圍測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)于滿量程輸出的隨機(jī)誤差不超過(guò) R置信概率為99.73%在研究隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律時(shí)，需要知道： 隨機(jī)誤差在哪個(gè)范圍內(nèi)取值在該范圍內(nèi)取值的概率置信區(qū)間：定義為隨機(jī)變量取值的范圍，常用標(biāo)準(zhǔn)誤差的倍數(shù)表示，c c為置信系數(shù)置信概率：隨機(jī)變量在置信區(qū)間c 內(nèi)取值的概率。置信系數(shù)c 0 0.5 0.8 1.0 1.96 2.0 3.0 置信概率 0 0.382 0.575 0.683 0.95 0.954 0.997

14、1.0置信系數(shù)越大，置信區(qū)間越寬，置信概率越大。隨機(jī)誤差范圍越大，對(duì)測(cè)量精度要求越低。在實(shí)際測(cè)量中，一般取95置信概率。10漂移（時(shí)漂） 傳感器的輸入和環(huán)境溫度不變時(shí)輸出量隨時(shí)間變化的特性，反映測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標(biāo)。產(chǎn)生原因：傳感器內(nèi)部各環(huán)節(jié)性能不穩(wěn)定或由于內(nèi)部溫度變化引起。通常表現(xiàn)為： 零點(diǎn)漂移（特性曲線平移，斜率不變） 靈敏度漂移（特性曲線斜率變化） 。11溫漂 由外界環(huán)境溫度變化引起輸出量變化的現(xiàn)象，通常表現(xiàn)為：零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫漂計(jì)算公式分別為： =y0 (t2 ) y0(t1 ) yFS(t1 )(t2t1 )_ 100%在規(guī)定溫度t2下保溫1小時(shí)后，系統(tǒng)零點(diǎn)輸出的平均值在室溫t1下

15、系統(tǒng)零點(diǎn)輸出的平均值在室溫t1下系統(tǒng)滿量程輸出的平均值 =yFS (t2 ) yFS(t1 ) yFS(t1 )(t2t1 )_ _ 100%12. 靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是評(píng)價(jià)傳感器靜態(tài)性能的綜合指標(biāo)，是指?jìng)鞲衅髟跐M量程內(nèi)任一點(diǎn)Xi的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。常用有以下幾種方法：代數(shù)合成法：幾何合成法：（1）將非線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差按幾何、代數(shù)法進(jìn)行綜合 = L + H +R = L2 + H2 +R2 （2）將全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)相對(duì)于擬合直線求標(biāo)準(zhǔn)誤差其中，yi 為各測(cè)點(diǎn)Xi測(cè)量值的殘差 p測(cè)量次數(shù)。 為了測(cè)量準(zhǔn)確，要求測(cè)量系統(tǒng)（主要針對(duì)傳感器）有： 合適的測(cè)量范圍和量程 足夠高的靈敏

16、度、分辨率和重復(fù)性 盡可能小的 死區(qū)、線性度誤差、遲滯以及漂移。實(shí)例：壓力傳感器的靜態(tài)性能評(píng)價(jià)下表給出了某型號(hào)的壓力傳感器的實(shí)際標(biāo)定值（校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表）試求：最小二乘法線性度 重復(fù)性 非線性遲滯誤差 總精度（靜態(tài)誤差）。輸入壓力xi（10 5 Pa）00.51.01.52.02.51正行程0.00200.20150.40050.60000.79951.0000反行程0.00300.20200.40200.60100.80052正行程0.00250.20200.40100.60000.79950.9995反行程0.00350.20300.40200.60150.80053正行程0.00350.202

17、00.40100.60000.79950.9990反行程0.00400.20300.40200.60100.8005次數(shù)輸出電壓（V）解：（一）求擬合直線（最小二乘直線）（二）求基本數(shù)值00.51.01.52.02.5正行程平均輸出0.00270.2018 0.4008 0.60000.79950.9995反行程平均輸出0.00350.2027 0.4020 0.60120.80050.9995總平均輸出0.00310.2023 0.4014 0.60080.80000.9995計(jì)算值0.00300.2023 0.4015 0.60000.80000.9993正行程標(biāo)準(zhǔn)差0.00080.000

18、3 0.0003 0.00000.00000.0005反行程標(biāo)準(zhǔn)差0.00050.0005 0.0000 0.00030.00000.0005線性偏差（ ）0.00010.0000-0.0001-0.00020.00000.0002滯環(huán)誤差0.00080.0009 0.0012 0.00120.00100.0000計(jì)算項(xiàng)目輸入量(三）求特性指標(biāo)(1)最小二乘線性度(2)重復(fù)性LR(3)非線性遲滯誤差(4)精度（靜態(tài)誤差）：幾何合成法LH = 2L + 2LH +2R = 0.27% 課堂作業(yè)11、用測(cè)量范圍為50150KPa的壓力傳感器測(cè)量140KPa的壓力時(shí)，傳感器測(cè)得示值為+142KPa，

19、求該示值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差。2、利用測(cè)量范圍為2KPa10KPa的壓力傳感器測(cè)量壓力時(shí)，傳感器測(cè)得示值為：輸入（KPa） 第1次測(cè)量（mV） 第2次 2 190.9 191.1 4 382.8 382.5 10 963.9 964.6 求取該傳感器的靈敏度。3、試求下表所列的一組數(shù)據(jù)的相關(guān)線性度： 輸入x 1 2 3 4 5 輸出y 2.02 4.00 5.98 7.0 10.10 求取該傳感器的理論線性度，給定方程為y=2.0 x。（二）傳感器動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性：指?jìng)鞲衅骰騼x表對(duì)于隨時(shí)變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。作為一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，要求：隨時(shí)間變化的輸出曲線能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)

20、間變化的情況，即:輸出輸入具有相同類型的時(shí)間函數(shù)。動(dòng)態(tài)誤差：在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出信號(hào)一般不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。產(chǎn)生原因：激勵(lì)信號(hào)的變化或傳感器機(jī)械慣性等原因。說(shuō)明：有良好的靜態(tài)特性的傳感器，未必有良好的動(dòng)態(tài)特性。原因在于：由于在動(dòng)態(tài)（快速變化）的輸入信號(hào)情況下，不僅要求傳感器能精確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小，而且需要能測(cè)量出信號(hào)變化過(guò)程的波形，即：要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)信號(hào)幅值變化和無(wú)失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要目的：* 已知測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，估算可測(cè)量的頻率范圍與對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)誤差* 根據(jù)信號(hào)頻率范

21、圍和測(cè)量誤差要求確立測(cè)量系統(tǒng)通常從時(shí)域或頻域兩方面，采用瞬態(tài)響應(yīng)法或頻率響應(yīng)法進(jìn)行分析。為了便于比較或評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，最常用的輸入信號(hào)為：階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。（二）階躍響應(yīng)1動(dòng)態(tài)指標(biāo) 當(dāng)給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)時(shí)，其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。 衡量階躍響應(yīng)特性的指標(biāo)一階系統(tǒng)：Ts=3T傳感器時(shí)間常數(shù)T越小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快。調(diào)整時(shí)間Ts時(shí)滯從輸入變量產(chǎn)生變化的瞬間到它會(huì)引起的輸出變量開(kāi)始變化的瞬間為止的時(shí)間間隔。二階系統(tǒng)：最大超調(diào)量，峰值時(shí)間，上升時(shí)間，調(diào)整時(shí)間等。例：用一只熱電偶測(cè)量某一容器的液體溫度 熱電偶的工作端溫度不能立即從原有溫度變化到TC，需要經(jīng)歷時(shí)間t0t過(guò)渡。說(shuō)明： 對(duì)于

22、一個(gè)傳感器，并非每一個(gè)指標(biāo)均要提出，往往只要提出幾個(gè)被認(rèn)為重要的性能指標(biāo)即可。 測(cè)量中注意傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程2頻率響應(yīng)特性G(j)=Y(j)/X(j)=A()ej()理想的傳感器頻率：幅頻特性應(yīng)與輸入信號(hào)頻率變化無(wú)關(guān)，相頻特性與呈線性關(guān)系。例 ：壓力傳感器的頻率響應(yīng)分析圖中表示為一只由彈簧、阻尼器組成的機(jī)械壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量為外作用力F(t) ，系統(tǒng)輸出量為位移y(t)。根據(jù)力平衡原理，可列出系統(tǒng)原始方程式為Fc+Fk=F(t)式中fc阻尼器摩擦力， fk彈簧力，則該系統(tǒng)可寫為：其中，K為彈簧剛度；b為阻尼系數(shù)。因此，該壓力傳感器為一階傳感器。兩邊除以K 得：其傳遞函數(shù)為 :式中=b/K為時(shí)間常數(shù)。其頻率響應(yīng)函數(shù)H(j)、幅頻特性A()、相頻特性()分別為:當(dāng)1時(shí),A()=1， ()0說(shuō)明傳感器輸出與輸入近似為線性關(guān)系，保證y(t)能真實(shí)地反