传感器的一般特性(slj2014).ppt

新型传感技术,孙立军 ,绪论、第一章 传感器的一般特性,参考资料,教材 王化祥，张淑英传感器原理及应用（第3版） 其它 王君，凌振宝传感器原理及检测技术，2003 樊尚春，传感器技术及应用（第2版），2010 王化祥 等现代传感技术及应用，2008 王厚枢，陈行禄，传感器原理，1987,内容和学时安排,基本要求,准时来上课； 不打扰其他同学听课； 平时成绩占10-20%，最后考试占80-90%。,热量表（户用）,传感器应用、科研实例,热量表（户用）,传感器应用、科研实例,热量表的安装示意图,传感器应用、科研实例,传感器应用、科研实例,式中：Q 释放或吸收的热量，kJ； qm 流经热量表的水的质量流量，kg / h ； qv 流经热量表的水的体积流量，m3 / h ； 流经热量表的水的密度，kg / m3 ； h 热交换系统入口与出口处水的温差值对应的水的比焓值差，kJ / kg ； 时间，h。,热量的计算比焓差法,热量表的积算仪,传感器应用、科研实例,机械式热量表的基表,机械式热量表的表芯,传感器应用、科研实例,机械式热量表的计算流体力学（CFD）仿真模型,传感器应用、科研实例,传感器应用、科研实例,速度分布云图,速度矢量图,传感器应用、科研实例,叶轮叶片表面受力分析,传感器应用、科研实例,水流量标准装置,传感器应用、科研实例,CFD仿真与实验结果对比,传感器应用、科研实例,CFD仿真与实验结果对比,传感器应用、科研实例,（a） （b） (c) 需要优化的参数示意图,机械式热量表的基表结构参数优化,传感器应用、科研实例,各方案中改变的参数及参数值,机械式热量表的基表结构参数优化,传感器应用、科研实例,知识背景： 数、理、电路、电子技术、自动控制理论等。,研究内容： 研究信息的提取与处理的理论、方法和技术。,我们的专业：“自动化” “工业自动化” “过程自动化”,我们的目的：要实现“过程控制” 或“运动控制” 即用自动化装置或设备代替人对生产过程进行操作或控制。,绪论,调节目的： 水量适中，水温适宜。,绪论,控制系统举例,手动控制：凭感觉，根据经验做出决定，用手调节阀门。,自动控制：用自动化装置去感觉、去判断，去控制阀门。,代替人手的自动化装置执行器；,代替人大脑的自动化装置调节器、计算机（电脑）；,代替人感觉器官的自动化装置传感器；,在自动控制系统中，传感器又叫做电五官。,除了在自动控制系统中具有十分重要的作用之外，以传感器为核心的自动检测系统本身就是一项十分重要的工作，是国民经济各领域必不可少的，占有重要地位。,绪论,控制系统举例,自动测量系统（如温度计、压力表、速度表和液位计等）； 自动计量系统（如水表、电度表、计量秤以及热量表等）； 自动保护、自动信号、自动诊断系统（自动控制系统的组成部分）；,绪论,自动检测系统,自动检测系统框图：,输出单元类型： 构成的自动检测系统,显示、记录仪表等 自动测量系统 计数器、累加器等 自动计量系统 报警器等 自动保护、自动信号系统 调节器、计算机等 自动管理、自动控制系统,各种自动检测系统，框图中的前两块一般是相同的。输出单元的不同，使得自动检测系统具有不同的功能。,绪论,自动检测系统,绪论,传感器(transducer或sensor)是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。,传感器及传感技术,非电量（温度、压力、流量、物位、位移、转角以及振动、加速度等等）； 电信号（电压、电流、电阻、电容、电感以及电脉冲频率等等）,绪论,传感器及传感技术,绪论,传感器及传感技术,传感器技术是涉及到传感器的机理研究与分析、传感器的设计与研制、传感器的性能评估与应用的综合技术。,传感器技术也称为自动检测与自动转换技术。 传感器技术研究的主要内容是信息的提取、信息的转换以及信号处理的理论和方法。,绪论,传感器的组成,1）敏感元件：也叫做“预变换器” 将被测非电量预先变成另一种易于变换成电量的非电量。 2）转换元件： 将感受到的非电量直接转变成电量。 3）测量电路： 将转换元件输出的电量转换成便于显示、记录、控制和处理的有用的电信号的电路。,绪论,传感器的组成,绪论,传感器的组成,B型结构：敏感元件输出的电量还需要专用电路的变换才能用来显示、记录等，这里的敏感元件也叫做电参数传感器。,A型结构：敏感元件的输出可直接用来显示、记录。,. 按物理结构分类：,绪论,传感器的分类,C型结构：敏感元件的输出仍然是非电量，是易于转换为电量的非电量。这里的敏感元件叫做预变换器。,被检测量x非电量,敏感元件,输出y电量,测量电路,电参数,转换元件,非电量,A、B、C型结构的传感器统称为简单结构型。 D型结构：(差动型结构),绪论,传感器的分类,绪论,传感器的分类,D型结构传感器中的正向传感器与反向传感器感受到的被测量的作用方向相反（ +x 、-x ）；因此在相同的被测量作用下，它们各自的输出也相反（+y、-y）；输出同时作用到差动电路上，差动电路的输出Z与输出信号之差（ +y) -(-y ）成正比，所以D型结构传感器又称为差动结构型传感器。 差动型传感器的特点是：灵敏度高，抗干扰能力强，线性度好。,绪论,传感器的分类,在D型结构中，正向传感器与反向传感器是在结构原理、尺寸、参数上完全相同的简单结构型传感器。,. 按输入量（被测参数）分类： 可分为：温度、压力、差压、物位、位移量、 速度、加速度、湿度等传感器。 . 按测量原理分类 ： A.基于电磁学 （1）变电阻原理：电位器式、应变式传感器等。,绪论,传感器的分类,（2）变磁阻原理：电感式、差动变压器式、电 涡流式传感器等。 B. 基于固体物理学：半导体力敏、热敏、光敏、气敏等传感器。 . 按结构型和物性型分类 ： A. 结构型：材料几何形状或尺寸的改变； B. 物性型：材料物理性质的变化；,绪论,传感器的分类,（一）测量的定义 (1) 测量就是人们借助专门设备，通过实验的方法对客观事物取得测量结果的过程。 (2) 测量是通过物理实验，把一个量（被测量）和作为比较单位的另一个量（标准）相比较的过程。,1.0 测量误差,任何测量结果与被测真实值之间都有差异。凡是测量都不可避免地会出现测量误差。研究测量误差就是要通过含有误差的测量结果求得被测真值的最佳逼近值并估计其精确程度。,一. 误差的基本概念,第1章 传感器的一般特性,基准标准工作量器 基准分级: 一级最高，三级最差； 标准分等: 一等最高，三等最差。 （二）真实值与测得值 1.真实值: 是被测量的真实数值，是用任何手段也得不到的。 在实际工作中把以下三种数值视为真实值： （1）真值A0 （理论真值，定义值）：由理论、定义来的数值。 （2）指定值AS ：人为规定的数值。 （3）传递值A：由上一级基准或标准传递下来的数值。,1.0 测量误差,第1章 传感器的一般特性,（2）算术平均值 :如果排除系统误差，在等精度的测量条件下，n为有限次，则 是被测量真值（ A0 、 AS 或 A ）的数学期望。,（三）测量误差的分类,随机误差：由于随机的、不确定的、不可预知的因素而引起的测量误差。 系统误差：有一定规律的误差。 粗大误差：由于测量时人为的疏忽或失误造成的误差，应予以剔除。,2.测得值：测得值有很多种表示方法，最常用的有如下两种： （1）单次测得值x：一次测量所得数值。,1.0 测量误差,第1章 传感器的一般特性,（四）测量误差的表示方法,绝对误差： 测得值=真实值+误差 即：误差=测得值-真实值 （1）真差=x- 与真实值之差；式中： x 为测得值；是真实值。 （2）剩余误差(残差) 与平均值之差；式中： 为第i次测得值； 是算术平均值。 （3）标准误差（方均根差）,条件：测量次数 (无法办到) ；是真实值(无法得到)。,1.0 测量误差,第1章 传感器的一般特性,用贝塞尔公式计算的标准误差：,在这个公式中， 既不需要 又可以用算术平均值来 代替真实值参与计算，避免了求取真值的困难。 2. 相对误差： （1）实际相对误差 一般写成： 绝对误差与真实值之比；式中： 为上述任意一种绝对误差；A就是，是真实值（ A0、AS 或 A 中之一） 。 （2）示值相对误差 也叫读数相对误差。,1.0 测量误差,第1章 传感器的一般特性,是绝对误差与测得值之比；式中： 是测得值。,（3）引用相对误差 也叫额定相对误差、满度相对误差。式中的 是所用测量仪器或工具的测量上限 与下限 之差，叫做量程。如果 则有,比较 与 可见：由于,所以,仪表的精度等级就是用引用误差去掉百分号后的圆整系列值来表示的。系列值有：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等。,只是在,时才有：,1.0 测量误差,第1章 传感器的一般特性,传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。 无论对动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。 通常，要求传感器在静态情况下的输出输入关系保持线性。实际上，其输出量和输入量之间的关系（不考虑迟滞及蠕变效应）可由下列方程式确定。,第1章 传感器的一般特性,（1-1）,式中 输出量； 输入量； 零位输出； 传感器的灵敏度，常用K表示； 非线性项待定常数。 由式可见，如果 ，表示静态特性通过原点。此时静态特性是由线性项（ ）和非线性项 叠加而成，一般可分为以下4种典型情况。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,(1)理想线性 图1-1(a) (1-2) (2)具有X奇次阶项的非线性 图1-1(b) (1-3) (3)具有X偶次阶项的非线性 图1-1(c) (1-4) (4)具有X奇、偶次阶项的非线性 图1-1(d) (1-5),图1-1传感器的4种典型静态特征,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,由此可见，除图1-1(a)为理想线性关系外，其余均为非线性关系。其中具有X奇次项的曲线图1-1(b)，在原点附近一定范围内基本上是线性特性。 实际应用中，若非线性项的方次不高，则在输入量变化不大的范围内，用切线或割线代替实际的静态特性曲线的某一段，使传感器的静态特性接近于线性，这称为传感器静态特性的线性化。 在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性最接近直线的一小段，此时原点可能不在零点。 以图1-1(d)为例，如取ab段，则原点在c点。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,图1-2 传感器的线性度,一、线性度(非线性误差) 传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(FS)输出值的百分比称为线性度。 用 代表线性度，则 (1-6) 式中 校准曲线与拟合直线间 的最大偏差； 传感器满量程输出， 。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。基准直线不同，所得线性度也不同。,图1-3 基准直线的不同拟合方法,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,(一)端基法 把传感器校准数据的零点输出平均值 和满量程输出平均值 连成的直线 作为传感器特性的拟合直线。 (1-7) 式中 Y输出量； X输入量； a0Y轴上截距； K直线a0b0的斜率。,图1-4 端基线性度拟合直线,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,拟合精度较低，一般用在特性曲线非线性度较小的情况。,(二)最小二乘法 用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度最高。 令拟合直线方程为Y=a0+KX 。假定实际校准点有n个，在n个校准数据中，任一个校准数据Yi与拟合直线上对应的理想值a0+KXi 间线差为 (1-8),第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使 为最小值，亦即使 对K和a0的一阶偏导数等于零，从而求出K和a0。,涡轮流量传感器的特性曲线和非线性矫正,涡轮仪表系数的非线性修正-分段线性化,涡轮仪表系数的非线性修正-分段线性化,例：频率f4为500Hz，对应的仪表系数K4为1718 1/L；频率f5为1200Hz，对应的仪表系数K5为1703 1/L；则当频率fx为750 Hz时对应的仪表系数Kx为,1/L,通常采用差动测量方法减小传感器的非线性误差。例如，某位移传感器特性方程式为 另一个与之完全相同的位移传感器，但是它感受相反方向位移，则特性方程式为 在差动输出情况下，其特性方程式可写成 采用此方法消除了X偶次项而使非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍，零点偏移也消除了。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,铁心向上时，,铁心向下时，,差动变压器式压力计,差动结构使信号成倍增强,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,二、灵敏度 灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。 非线性传感器的灵敏度用dY/dX表示，其数值等于最小二乘法拟合直线的斜率。,图1-5 传感器灵敏度的定义,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,三、精确度(精度) 说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。 (一)精密度 说明测量结果的分散性。对某一被测量用同一传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。愈小则说明测量越精密(随机误差)。 (二)正确度 它说明测量结果偏离真值大小的程度。示值有规则偏离真值的程度。所测值与真值符合程度(系统误差)。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,(三)精确度 它含有精密度与正确度两者之和的意思。测量的综合优良程度。在最简单的场合下可取两者的代数和，即=+。通常精确度以相对测量误差来表示。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,低精密度，低正确度,高精密度，低正确度,低精密度，高正确度,高精密度，高正确度,式中 A 传感器的精度； A 测量范围内允许的最大绝对误差； 满量程输出。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,在工程应用中，采用精确度等级。传感器与测量仪表精确度等级A以一系列标准百分数值(0.04，0.075，0.1，0.2，0.5，1.5，2.5，3.0，4.0)进行分挡。此数值是传感器和测量仪表，允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。,在流量计的检定规程中，一般用线性度度误差表示正确度，重复性表示精密度，两个指标单独规定。有的情况下用两者的平方和再开方做为仪表的基本误差。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,四、最小检测量和分辨力 最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量。 传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一般用相当于噪声电平若干倍的被测量为最小检测量。 (1-14) 式中 M最小检测量； C系数(一般取15)； N噪声电平； K传感器的灵敏度。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,例如，电容式压力传感器的噪声电平为0.2 mV，灵敏度K为5 mV/mm ，若取C=2，则根据(1-14)式计算得最小检测量为0.08 mm 。 数字式传感器一般用分辨力表示，即输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量。,第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性,五、迟滞（回差） 迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出