傳感器的基本知識(shí).ppt

1、第二章 傳感器的基本知識(shí),傳感器的基本概念 測(cè)量誤差 傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性 傳感器的發(fā)展,一、傳感器的基本概念,傳感器的概念 作用 結(jié)構(gòu)類(lèi)型 分類(lèi),1. 傳感器的概念,廣義： 傳感器就是能感受外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置。 狹義： 傳感器就是能將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。,2傳感器的作用,l ）信息的收集 2）信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 3）控制信息的采集,任務(wù) ：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為特定的非電量 （如應(yīng)變、位移等）； 將非電量轉(zhuǎn)換為電參數(shù) （電阻、電感、電容、電勢(shì)等）； 將電參數(shù)變換為電量 （電壓或電流）。 構(gòu)成：敏感元件完成任務(wù) ； 轉(zhuǎn)換元件完成任務(wù) ； 測(cè)量電路完成任務(wù) 。

2、,3. 傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型,傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型有4種, A型結(jié)構(gòu)的傳感器,敏感元件,這種傳感器的敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路是合一的，把感應(yīng)到的外界非電量的變化直接轉(zhuǎn)換成電量（電荷、電勢(shì)）輸出。 如：熱電偶、磁電式傳感器、光電池和壓電式傳感器，其轉(zhuǎn)換元件多是有源元件，被稱(chēng)為電量傳感器。,被測(cè)量,電量, B型結(jié)構(gòu)的傳感器,敏感元件 + 測(cè)量電路,這些傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是同一元件。如：熱敏電阻式傳感器、電容式傳感器、感應(yīng)同步器、角度編碼器等 。,被測(cè)量,電量, C型結(jié)構(gòu)的傳感器,敏感元件 + 轉(zhuǎn)換元件 + 測(cè)量電路,這種傳感器有電阻應(yīng)變式傳感器、電位器傳感器、電感式傳感器、壓磁式傳感器。 B型

3、和C型也被稱(chēng)為電參數(shù)傳感器。,電量,被測(cè)量, D型結(jié)構(gòu)的傳感器,正向傳感器,負(fù)向傳感器,將兩個(gè)傳感器構(gòu)造成一個(gè)測(cè)量正增益變化（+X），一個(gè)測(cè)量負(fù)增益變化（-X），它們的輸出（+y和-y）經(jīng)差動(dòng)電路處理后再輸出,這就是D型結(jié)構(gòu)的傳感器，也稱(chēng)為差動(dòng)結(jié)構(gòu)型傳感器。,差動(dòng)電路,被測(cè)量,電量,+X,-X,+y,-y,線圈1、線圈2構(gòu)成兩個(gè)B型傳感器，當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)一個(gè)線圈的電感增大，另一個(gè)線圈的電感減小,變壓器電橋?qū)刹顒?dòng)變化的感抗變換成電壓輸出。,線圈：直接感應(yīng)銜鐵的移動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換成電參數(shù)（感抗）輸出它是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件合一的敏感元件。變壓器電橋：將電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電量它是轉(zhuǎn)換元件。,3. 傳感器的分類(lèi)（

4、三種方法-1）,按被測(cè)物理量性質(zhì)（輸入量）分類(lèi) 如位移傳感器、速度傳感器、負(fù)荷傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器 適合于根據(jù)被測(cè)量選擇相對(duì)應(yīng)的傳感器。,3. 傳感器的分類(lèi)（三種方法-2）,按工作原理（轉(zhuǎn)換原理）分類(lèi) 如電阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器、壓電傳感器 能夠從基本原理上歸納傳感器的共性和特性。,3. 傳感器的分類(lèi)（三種方法-3）,按能量的傳遞方式分類(lèi) 將非電量轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件均可分為兩類(lèi) 有源元件和無(wú)源元件。,二、測(cè)量誤差,1 誤差: 絕對(duì)誤差；相對(duì)誤差,1） 絕對(duì)誤差:,x實(shí)際值，測(cè)量得到的結(jié)果； A0真值，被測(cè)量本身所具有的真正值。,示值誤差:,

5、A標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置所測(cè)得值或無(wú)限次測(cè)量結(jié)果的 算術(shù)平均值。,測(cè) 量 值 x,A,B,測(cè)量值x,真 值 A,誤差x,A與B兩個(gè)測(cè)量結(jié)果哪個(gè)更準(zhǔn)確？,誤差x,實(shí)際相對(duì)誤差：,示值相對(duì)誤差：,滿(mǎn)度（引用）相對(duì)誤差：,xm測(cè)量裝置的滿(mǎn)量程。,用相對(duì)誤差來(lái)說(shuō)明測(cè)量的質(zhì)量誰(shuí)測(cè)量的更準(zhǔn)確。,2） 相對(duì)誤差:,（a）有精密度，無(wú)準(zhǔn)確度。 （b）有準(zhǔn)確度，無(wú)精密度。 （c）有準(zhǔn)確度，也有精密度有精確度。,2. 說(shuō)明測(cè)量質(zhì)量的三個(gè)術(shù)語(yǔ)： 精密度、準(zhǔn)確度、精確度。,3 誤差的性質(zhì) 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律, 將誤差分為三種, 即系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。這種分類(lèi)方法便于測(cè)量數(shù)據(jù)處理。 （1） 系統(tǒng)誤差對(duì)同一

6、被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí), 如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn), 則把這種誤差稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。例如, 標(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確及儀表刻度的不準(zhǔn)確而引起的誤差。 （2） 隨機(jī)誤差對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí), 絕對(duì)值和符號(hào)不可預(yù)知地隨機(jī)變化, 但就誤差的總體而言, 具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的誤差稱(chēng)為隨機(jī)誤差。 ,引起隨機(jī)誤差的原因是很多難以掌握或暫時(shí)未能掌握的微小因素, 一般無(wú)法控制。對(duì)于隨機(jī)誤差不能用簡(jiǎn)單的修正值來(lái)修正,只能用概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法去計(jì)算它出現(xiàn)的可能性的大小。 （3） 粗大誤差明顯偏離測(cè)量結(jié)果的誤差稱(chēng)為粗大誤差, 又稱(chēng)疏忽誤差。這類(lèi)誤差是由于測(cè)量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。對(duì)于粗大誤差,

7、 首先應(yīng)設(shè)法判斷是否存在, 然后將其剔除。,三、傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性,1. 靜態(tài)特性,（1）靈敏度與SN（信噪比）,靈敏度：,信噪比：傳感器輸出信號(hào)中的信號(hào)分量與 噪聲分量的平方平均值之比。,（2）線性度 線性關(guān)系：輸入與輸出量之間為線性比例關(guān)系。 當(dāng)傳感器的靈敏度為常數(shù)時(shí)，輸出輸入關(guān)系為：,式中k為靈敏度,當(dāng)傳感器的輸出為非線性時(shí)，輸出輸入關(guān)系為：,a0、k 確定了傳感器的所有輸出輸入關(guān)系。,非線性傳感器的輸出輸入關(guān)系如何確定？,方法：用直線（稱(chēng)為擬合直線）代替實(shí)際曲線。,問(wèn)題：這種代替將會(huì)產(chǎn)生多大誤差？ 直線的擬合方法是否會(huì)產(chǎn)生誤差？,描述擬合誤差的大小用線性度來(lái)表示：,線性度,式中

8、 最大非線性誤差； 傳感器的滿(mǎn)量程輸出值平均值。,但是不同的擬合方法得到的線性度不同。,1）理論線性度（絕對(duì)線性度）：,擬合直線：,2）端基線性度：,擬合直線：,a0被測(cè)量為零時(shí)的傳感器輸出值。,3）平均選點(diǎn)線性度：,擬合直線：,4）獨(dú)立線性度：,此時(shí)線性度計(jì)算公式應(yīng)改寫(xiě)為：,獨(dú)立線性度：,5）分段線性化,折線逼近法， 通常用精密折點(diǎn)電路實(shí)現(xiàn)， 也可在具有CPU的測(cè)量裝置中用軟件實(shí)現(xiàn)。,6）最小二乘法 實(shí)際值與擬合值差值的平方和最小原則。,（3）遲滯（滯環(huán)）,遲滯 ：,被測(cè)量增大,被測(cè)量減小,（4）重復(fù)性：按同一方向進(jìn)行多次全量程實(shí)驗(yàn)時(shí)輸出特性曲線的不一致程度。,式中：,yFS,實(shí)驗(yàn)次數(shù)； 第

9、i次實(shí)驗(yàn)值； 實(shí)驗(yàn)值的算術(shù)平均值。,（5）分辨率與分辨力,傳感器能夠測(cè)量到的最小輸入變化值,稱(chēng)為分辨力代表了傳感器的最小量程,分辨率用來(lái)表示分辨質(zhì)量：,平均分辨率為 ：,（滿(mǎn)量程）,最大分辨率為：,（滿(mǎn)量程）,2. 動(dòng)態(tài)特性,傳感器輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)變化的特性就是響應(yīng)特性，即為動(dòng)態(tài)特性。 動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，通過(guò)階躍響應(yīng)來(lái)研究動(dòng)態(tài)特性。,階躍響應(yīng) 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(chēng)為階躍響應(yīng)特性。,1) 零階傳感器 這種傳感器其輸出量 與輸入量 之間的關(guān)系為：,傳感器的階躍響應(yīng)特性,其輸出特性曲線如圖所示。,Y,T,K,0,零階傳感器的單位階躍響應(yīng),2) 一階傳

10、感器 這種傳感器其輸出量 與輸入量 之間的關(guān)系為：,解方程式,根據(jù)初始條件T=0、 =0，可得到輸出響應(yīng)為：,式中 K-靈敏度，T-時(shí)間常數(shù),設(shè) 的穩(wěn)定值為K,則達(dá)到穩(wěn)定值的63.2%(即0.632K)時(shí)所用的時(shí)間為T(mén)。 時(shí)間常數(shù)T值越小，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，則一階傳感器的動(dòng)態(tài)性能越好。,3) 二階傳感器 這種傳感器其輸出量 與輸入量 之間的關(guān)系為二階微分方程：,（1）上升時(shí)間 ： 輸出從穩(wěn)定值的10%（即0.1K)到第一次到達(dá)穩(wěn)定值的90%(即0,9K)所用的時(shí)間。 （2）峰值時(shí)間 ：輸出出現(xiàn)第一個(gè)峰值所用的時(shí)間。 （3）建立時(shí)間 ： 從輸入信號(hào)階躍變化開(kāi)始,到輸出值與穩(wěn)定值之間的偏差不再超出規(guī)

11、定的允許誤差(5%) 所用的最小時(shí)間。 （4）瞬時(shí)過(guò)沖 ：輸出量的峰值與穩(wěn)定值之間的偏差。,此方程為典型的振蕩方程,有欠阻尼、臨界阻尼、過(guò)阻尼三種情況不同的解，我們以欠阻尼情況來(lái)看動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)：,欠阻尼時(shí)的單位階躍響應(yīng),0.1K,0.9K,y,t,0,新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用 新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 新的效應(yīng)的應(yīng)用 傳感器的集成化 傳感器的多維化 傳感器的多功能化 傳感器的智能化,四、傳感器的發(fā)展,1、新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用 如半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、功能金屬、功能陶瓷、非晶態(tài)材料、功能有機(jī)聚合物等的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為研制新型的傳感器提供許多新的材料。 2、新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用 如精密加工技術(shù)、蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)、靜電封接技術(shù)、全固態(tài)封接技術(shù)等的應(yīng)用，可研制出超小型化、高性能指標(biāo)的新型傳感器。 3、新的效應(yīng)的應(yīng)用 如激光的應(yīng)用、仿生學(xué)的應(yīng)用、生物分子學(xué)的應(yīng)用等，可研制出許多新型傳感器。,4、傳感器的集成化 利用集成加工技術(shù)，將敏感元件、傳感元件、測(cè)量電路等制作在很小的同一芯片上，從而研制出新型的體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性和可靠性高的傳感器。 5、傳感器的多維化 利用電子掃描等技術(shù)，把多個(gè)傳感器單元做在一起，研制出多維的傳感器，可以解決二維、三維、以致多維的測(cè)量和控制問(wèn)題， 6、傳感器的多功能化 多功能化就是 一個(gè)傳感器具有可以檢測(cè)多種參數(shù)的功