传感检测技术基础.ppt

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、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。,1.2.4 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，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 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）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。,1.4.2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所标出来的数值。 （6）示值是由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。 （7）测量误差。用测量器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实际值（或真值之间的差值）。,2系统误差、随机误差和粗大误差,（1）系统误差 在相同条件下多次测量同一物理量时，其误差的绝对值和符号保持恒定；或者在条件改变时，按某一确定的规律变化的误差，称为系统误差。其误差值不变的又称为定值系统误差，其变化的则称为变值系统误差。,（2）随机误差 在相同条件下和短时间内，多次测量同一物理量时，在已经消除引起系统误差的因素之后，测量结果仍有误差，而其变化是无规律的随机变化，这类误差称为随机误差。随机误差服从统计规律，如正态分布、均匀分布等。引起随机误差的原因都是一些微小因素，且无法控制。只能用概率论和数理统计的方法去计算它出现的可能大小。,（3）粗大误差 粗大误差的产生是由于测量者在测量时疏忽大意或环境条件的突变而造成的，粗大误差一般都比较大，没有规律性。 在测量中，系统误差、随机误差、粗大误差三者同时存在，但其对测量过程及结果的影响不同，因此测量精度也有不同的划分。,1.5.2 一般测量误差的表示方法 1、绝对误差 X XA0 X测量值， A0真值 2、相对误差 （1）实际相对误差,X绝对误差， A约定值（在实际测量中，常用某一被测量多次测量的平均值，或上一级标准仪器测量所得的示值A代替真值A0，A称为约定真值。 ）,（2）示值相对误差,X绝对误差 X 仪器示值,3、引用误差,X绝对误差 XFS 仪器满度值,当X取最大值时的满度相对误差常用来确定仪表的精度等级。国家规定电工仪表精确度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。,1.5.3 测量误差的估计与校正 测量误差中的性质不同，对测量结果的影响及处理方法也不同。定值系统误差一般可用实验对比法发现并用修正法等予以消除；变值系统误差一般可用残余误差观察法发现，并从硬件和软件不同方面采取措施消除。 在测量中，随机误差对测量过程及结果的影响是必然的，但有明显的不确定性，只能借助概率与数理统计以及必要的数据处理描述出随机误差的影响极限范围，并进而给出最接近真值的测量结果，但随机误差无法消除。但有粗大误差的测量结果是不可取的，并予剔除。,系统误差估计与校正 （1）系统误差的发现与判别 1）实验对比法 该方法通过改变产生系统误差的条件进行测量，以发现系统误差，此法适用于发现固定的系统误差。 2）剩余误差观察法 剩余误差为某测量值与测量平均值之差即 Pi=xi- ，根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律，可以直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。,（a）存在线性系统误差 （b）存在周期性系统误差 （c）同时存在线性系统误差和周期性系统误差,3）不同公式计算标准误差比较法 对等精度测量，可用不同公式计算标准误差，通过比较可发现系统误差。,4）计算数据比较法 对同一量进行测量得到多组数据，通过计算数据比较，判断是否满足随机误差条件，以发现系统误差。 （2）系统误差的校正 1）补偿法 在电路和传感器结构设计中，常选用在同一有干扰变量作用下能产生误差相等而符号相反的零部件或元器件作为补偿元件。,2）差动法 相同的参数变换器（如电阻、电容、电感变换器）具有相同温度系数，若将其接入电桥相邻不同端的两桥臂，变换器的参数随输入量作差动变化，即一个臂参数增加，另一臂的参数减小。 3）比值补偿法 测量电路中常采用分压器和放大器，其变换系数与所用电阻元件的电阻比值有关。 4）测量数据的修正 测量传感器和仪器经检定后可以准确测量误差，当再次测量时，可以将已知的测量误差作为修正值，对测量数据进行修正，从而获得更精确的测量结果。,2. 随机误差估计与处理 在测量中，当系统误差被尽力消除或减小到可忽略的程度后，仍会出现对同一被测量重复进行多次测量时有读数不稳定的现象，说明存在随机误差。 理论上可用均方根误差表示对测量结果的影响， n为测量次数；xi= xiA0，A0为真值，xi为第i次测量值. 在实际测量中，测量次数n是有限的，真值A0不易得到，因而用n次测量值的算术均值代替真值，第i次测量误差 这时均方根误差为贝塞尔公式:,用 代替A0产生的算术平均值的标准误差为,/,测量结果可表示为 或,均方根误差的物理意义: 随机误差出现在+范围内的概率是68.3，出现在-3+3范围内的概率是99.7。3是置信限，大于3的随机误差被认为是粗大误差，则该测量结果无效，此数据予以剔除。,1.6 传感器标定,利用标准设备产生已知的非电量（标准量），或用基准量来确定传感器电输出量与非电输入量之间关系的过程，称为传感器标定。 1.6.1传感器标定 1传感器标定、校准与检定概念 传感器或仪器在制造、装配完毕后必须对设计指标进行一系列试验，进行全面检测，确定其实际性能，这个称之为标定过程。,经使用一段时间 （中国计量法规定一般为一年）或修理后，必须对其主要技术指标再次进行检测试验，即校准试验，以确保其性能指标达到要求。 检定必须严格按照检定规程运作，对所检仪器给出具有法律效应合格或不合格的结论。 2传感器标定的方法与特点 标定的基本方法是将已知的被测量（亦即标准量）输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量；对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。 标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。传感器的标定有静态标定和动态标定两种。,3. 静态标定 确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的，主要用于检验、测试其静态特性指标。静态标准条件主要包括没有加速度、振动、冲击（除参数本身是被测量）及环境温度（一般为室温205）、相对湿度不大于85、气压为（1017）kPa等条件。 一般的静态标定包括如下步骤： （1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点。,（2）根据传感器量程分点情况，由小到大、逐点递增输入标准量值，并记录与各点输入值相对应的输出值。 （3）将输入量值由大到小、逐点递减，同时记录下与各点输入值相对应的输出值。 （4）按上述步骤（2）、（3）所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次（一般为310次）测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线。 （5）对测试数据进行必要处理。输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等静态特性指标。,4. 动态标定 传感器的动态标定就是通过实验得到传感器动态性能指标，确定方法常常因传感器的形式（如电的、机械的、气动的等）不同而不完全一样，但从原理上一般可分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响应法等。 （1）阶跃信号响应法 1）一阶传感器时间常数的确定 输入x是幅值为A的阶跃函数时，由一阶传感器的微分方程可得： y（t） kA1- ,变形整理得:Zlnly（t）（kA） 其中Z= -t 根据测得的输出信号y（t）作出Z-t曲线， 则=-tZ。 2）二阶传感器阻尼比和固有频率0的确定,二阶传感器一般设计成 0.70.8的欠阻尼系统。,也可以利用任意两个超调量来确定，表达式为：,pi第i个超调量 p（i+n）第i+n个超调量 pi和p（i+n）之间相隔n个周期,（2）正弦信号响应法,1）一阶传感器时间常数的确定。 将一阶传感器的频率特性曲线绘成伯得图，则其对数幅频曲线下降3dB处所测取的角频率0=1，由此可确定一阶传感器的时间常数。,2）二阶传感器阻尼比和固有频率0的确定,A0-欠阻尼时零频增益 Ar-共振频率(最大)增益 r-共振角频率,（3）其他方法 如果用功率谱密度为常数C的随机白噪声作为待标定传感器的标准输入量。,1.6.2 常用传感器标定设备 1静态标定设备 传感器静态标定设备分类：力标定设备（如测力砝码、拉压式测力计）、压力标定设备（如活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计）、位移标定设备（如量块、直尺等）、温度标定设备（如铂电阻温度计、铂铑铂热电偶、基准光电高温比较仪）等。 （1）力标定设备 1）测力砝码 我国基准测力装置是固定式装基准测力机，图1.15采用杠杆式砝码标定装置。,图1.16为另一种液压式测力机工作原理。,2）拉压式（环形）测力计 环形测力计是一种标准推力标定装置，它由液压缸产生测力，测出测力环变形量作为标准输入。可以用杠杆放大机构和百分表结构来读测力环变形量，也可用光学显微镜读取。若用光学干涉法读取，则精度更高 （2）压力标定设备 1）活塞式压力计 利用图1.16的液压式测力机原理和不同的结构形式，再将传感器受力由点改成面接触结构，就形成了活塞式压力计，如图1.17所示。其中，砝码1经油路产生的压力作为标准压力作用在待标定的传感器6上。,2）水银压力计 水银压力计是一种最普通的液体压力计，采用U形管水银压力计的原理，靠水银的重力产生压力，根据两端位置差和一端的压力，即可求出另一端的压力。 （3）位移标定设备 位移的标定设备主要是各种长度计量器具，如各种直尺、深度尺、深度千分尺、量块、塞规、专门制造的标准样柱等均可用作位移传感器的静态标定设备。 （4）温度标定设备 低温至630.74以内主要用铂电阻温度计,630.741064用铂铑-铂热电偶，1064以上则采用光学高温计。,（5）应变标定设备 一般采用加载后能产生已知均匀准确的一维应力装置，多采用泊松系数为0.285的合金钢的等弯矩梁或等强度悬臂梁实现，梁的应变通常用挠度计转换后测得。 2、动态标定设备 标定中常用的动态激励设备有激振器（如电磁振动台、低频回转台、机械振动台等）、激波管、周期与非周期函数压力发生器等。其中激振器可用于加速度、速度、位移、力、压力传感器的动态标定。,（1）振动标定设备 1）电动式中、低频激振器 中频激振器工作的频率范围 为57.5kHz，一般采用电动式 激振器作为中频标定用振动台。 图1.18所示为电动式激振器 结构示意图，驱动线圈7固装在 顶杆4上，并由支承弹簧1支承 在壳体2中，线圈7正好位于磁 极5与铁心6的气隙中。磁钢3、磁极