传感器的选择

传感器的选择1第1页，课件共72页，创作于2023年2月１传感器选用有哪些注意事项？传感器信号调理信号处理、显示2第2页，课件共72页，创作于2023年2月1）测试的对象、目的和要求测量的对象；目的；被测量的选择；测量范围；输入信号的最大值；频带宽度；测试精度要求；测量所需要的时间等。2）传感器的特性静、动态特性指标；输出量的类型；校正周期；过载信号保护；配套仪器等。3第3页，课件共72页，创作于2023年2月3）测试条件包括传感器的设置场所；环境(温度、湿度、振动等)；测量时间；与其它设备的连接距离；所需功率等。4）与购买和维护有关的事项性价比；零配件的储备；售后服务与维修制度、保修时间；交货日期等。4第4页，课件共72页，创作于2023年2月选择传感器时要考虑的事项很多，但无需满足所有的事项要求，应根据实际使用的目的、指标、环境等，有不同的侧重点。例如，长时间连续使用的传感器．就必须重视经得起时间考验等长期稳定性问题；而对机械加工或化学分析等时间比较短的工序过程．则需要灵敏度和动态特性较好的传感器。为了提高测量精度，应注意以平常使用时的显示值要在满刻度的50％左右来选择测定范围或刻度范围。选择传感器的响应速度，目的是适应输入信号的频带宽度。合理选择设置场所，注意安装方法，了解传感器的外形尺寸、重量等。5第5页，课件共72页，创作于2023年2月选用传感器需要注意的几点注意事项中，比较重要的一点就是必须对所选传感器的性能特点有足够的了解。如果仅仅是简单的应用，则可以通过对传感器的性能指标的了解来选择传感器；若应用要求较高，环境复杂，则还需要从传感器的原理等方面对传感器的性能进行考察，如从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的负载效应等问题，以确定选择哪一种传感器最合适。6第6页，课件共72页，创作于2023年2月２传感器的选用有何依据？7第7页，课件共72页，创作于2023年2月目的：指导传感器的设计、制造、校准、使用描述传感器输入–输出关系的方法：

数学模型设计、研究基本特性指标制造、使用被测输入量静态量准静态量动态量静态特性指标动态特性指标静态数学模型动态数学模型传感器的性能及评价指标8第8页，课件共72页，创作于2023年2月产品型号：CLBSB板环式拉压力传感器

品

牌：天力

产

地：安徽

主要技术指标

测量范围：0--1000Kg输出灵敏度：1.5--2.0V/V非线性：0.0２级；0.05级；0.1级迟滞：0.0２级；0.05级；0.1级重复性：0.0２级；0.05级；0.1级

综合精度：0.03级；0.1级

零点温度系数：

<0.05%F.S

灵敏度温度系数：<0.05%F.S

零点不平衡输出：<1%F.S

输入阻抗：

685±30Ω；

输出阻抗：

650±5Ω

激励电压：

10V(或12V）；工作温度：-20---+80℃9第9页，课件共72页，创作于2023年2月一、传感器的静态模型1.代数方程x——输入量；y——输出量；a0——零位输出；a1——传感器的灵敏度：K、S；a2……an——非线性项待定常数。静态条件代数方程特性曲线条件：不考虑传感器滞后、蠕变情况下10第10页，课件共72页，创作于2023年2月2.特性曲线描述传感器输入-出关系曲线11第11页，课件共72页，创作于2023年2月二、传感器的静态特性指标1.滞后传感器在正、反行程，输入-输出曲线的不重合程度。△Hmax——正反行程输出的最大差值yF.S——满量程输出量

线性度、滞后、重复性、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精度（静态误差）12第12页，课件共72页，创作于2023年2月2.线性度（非线性）传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线（工作曲线）之间的吻合（偏离）程度。△Lmax——校准曲线与拟合直线间的最大差值yF.S——满量程输出值选定拟合直线的过程，就是传感器的线性化过程。13第13页，课件共72页，创作于2023年2月拟合直线的选定原则：保证尽量小的非线性误差计算与使用方便选定拟合直线的方法：14第14页，课件共72页，创作于2023年2月（4）最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小例1-6：

用最小二乘法求拟合直线。分别对k和b求一阶导数，并令其=0，可求出b和k设拟合直线残差15第15页，课件共72页，创作于2023年2月（5）硬件线性化方法原理：以非线性矫正非线性“以畸制畸”方法一：两只非线性传感器差动方式非线性误差大小相等，极性相反*方法二：利用线性元件和非线性元件的串、并联ⅠⅡⅢ16第16页，课件共72页，创作于2023年2月*（6）软件线性化方法1、计算法条件：传感器输出与被测量间有确定的数学表达式方法：软件编写计算程序曲线拟合2、查表法条件：传感器输出与被测量间无法用函数拟合17第17页，课件共72页，创作于2023年2月3、插值法原理：将查表法与计算法结合方法：线性插值、抛物线插值、拉格朗日插值、牛顿插值、埃米特插值18第18页，课件共72页，创作于2023年2月3.重复性传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次(三次以上)测试时，所得特性曲线间一致程度的指标。19第19页，课件共72页，创作于2023年2月重复性误差为随机误差，指标定值的分散性，可用引用误差表示：△R——同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的极差。可根据标准偏差来计算△R：σ——子样标准偏差；n—标定循环次数

K——置信因子，K=2时，置信度为95%；

K=3时，置信度为99.73%。20第20页，课件共72页，创作于2023年2月标准偏差σ按贝塞尔公式计算，即：、

、

——正、反行程各标定点响应量的标准偏差

——正、反行程各标定点的响应量的平均值

21第21页，课件共72页，创作于2023年2月j——标定点序号，j＝1、2、3、…、m；i——标定的循环次数，i＝1、2、3、…、n；

yjiD、yjiI——正、反行程各标定点输出值再取σjD

、σjI的均方值为子样的标准偏差σ，

则22第22页，课件共72页，创作于2023年2月4.灵敏度5.分辨力（率）与电源电压有关：位移传感器：1V,1mm,100mV灵敏度：100(mV/mm·V)分辨力：规定测量范围内能检测出的输入量的最小变化量分辨率：分辨力/满量程输入值非线性传感器线性传感器=常数23第23页，课件共72页，创作于2023年2月6.稳定性7.漂移8.阈值零点漂移、灵敏度漂移时间漂移（时漂）、温度漂移（温漂）产生可测输出变化量时的最小输入量值长期稳定性标定的有效期外界干扰下，输出量发生与输入量无关的变化。24第24页，课件共72页，创作于2023年2月9.静态误差（精度）（1）将非线性、滞后、重复性、代数法综合偏大（2）将全部校准数据相对于拟合直线求标准偏差偏小（3）将非线性、滞后视为系统误差，重复性视为随机误差25第25页，课件共72页，创作于2023年2月三传感器的动态数学模型及动态特性指标26第26页，课件共72页，创作于2023年2月27第27页，课件共72页，创作于2023年2月一、动态模型1.微分方程微分方程传递函数条件：线性定常系统28第28页，课件共72页，创作于2023年2月一阶环节一阶传感器二阶环节二阶传感器零阶环节零阶传感器比例环节、无惯性环节29第29页，课件共72页，创作于2023年2月例分析加速度传感器的动态特性。加速度-惯性力-位移-伸缩变形-反作用力-位移与加速度二阶环节的传感器通解与特解暂态/稳态传递函数30第30页，课件共72页，创作于2023年2月2.传递函数定义：初始条件为零时，输出量（响应函数）的拉普拉斯变换与输入量（激励函数）拉普拉斯变换之比。拉氏变换：31第31页，课件共72页，创作于2023年2月简写为：两边取拉氏变换：输出量拉氏变换输入量拉氏变换传递函数：32第32页，课件共72页，创作于2023年2月特点：（1）反映传感器系统本身特性，与x(t)无关。（2）X(s)、Y(s)、H(s)知二求一（3）相同的传递函数可以表征不同物理系统H(s)X(s)Y(s)（4）通过实验求传递函数33第33页，课件共72页，创作于2023年2月（5）多环节串并联的传感器系统H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)n个环节串联n个环节并联H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)34第34页，课件共72页，创作于2023年2月二、动态特性指标输入标准信号阶跃响应法（时域）阶跃函数正弦函数指数函数冲击函数频率响应法（频域）动态误差输出稳定后与理想输出量的误差输入量跃变，输出量在过渡状态的误差？动态特性/动态误差/输入标准信号35第35页，课件共72页，创作于2023年2月时间常数一阶传感器系统阶跃响应1.阶跃响应单位阶跃信号36第36页，课件共72页，创作于2023年2月二阶传感器系统阶跃响应上升时间Tr响应时间Ts超调量a1峰值时间Tp延滞时间Td衰减率稳态误差37第37页，课件共72页，创作于2023年2月例热电偶传感器测温过程中的动态误差分析。环境温度T0被测液体温度TT>T038第38页，课件共72页，创作于2023年2月2.频率响应输入信号输出信号频率响应特性：输入频率变化、幅值相等的正弦信号，输出信号幅值与输入频率的关系：幅频特性输出信号相位与输入频率的关系：相频特性

39第39页，课件共72页，创作于2023年2月相频特性频率响应函数指数形式：幅频特性其中，动态灵敏度、增益正弦/传感器，稳定状态下，输入与输出复数比40第40页，课件共72页，创作于2023年2月对数幅频特性曲线通频带其中，0dB水平线是理想的零阶系统的幅频特性41第41页，课件共72页，创作于2023年2月3.一阶系统的动态响应分析一阶系统微分方程（1）频率响应特性分析时间常数静态灵敏度拉氏变换传递函数42第42页，课件共72页，创作于2023年2月频率响应函数幅频特性：相频特性：讨论：越小，频率响应特性越好。线性43第43页，课件共72页，创作于2023年2月越小，阶跃响应特性越好。（2）阶跃响应特性分析一阶系统微分方程稳态响应暂态响应阶跃函数44第44页，课件共72页，创作于2023年2月例分析温度传感器模型，给出输入量（T0）与输出量（T）间的微分方程，并推导其幅频特性、相频特性及阶跃相应特性。已知：传感器敏感部分质量为m，比热为c，表面积为s，传热系数为h（W/m2.K）45第45页，课件共72页，创作于2023年2月频率响应特性分析幅频特性相频特性阶跃响应特性46第46页，课件共72页，创作于2023年2月四改善传感器性能的技术途径47第47页，课件共72页，创作于2023年2月１、结构、材料与参数的合理选择确保主要指标，放宽次要指标，以求高性价比２、差动技术目的：改善非线性研究生产部门：系列产品用户：合理选择思路：48第48页，课件共72页，创作于2023年2月三个技术环节：

（1）两个完全相同的传感器（2）接受输入量：大小相等，方向相反（3）输出相减方法：传感器1：非线性改善，输出灵敏度提高一倍。完全相同传感器2，输入量反号：二者输出相减：49第49页，课件共72页，创作于2023年2月例变面积式差动电容传感器。输出：灵敏度：输出灵敏度提高一倍，消除了零位输出项l。50第50页，课件共72页，创作于2023年2月例超声波流速计。介质性质温度传播速度c可逆性超声波发生器电能机械能超声波接收器机械能电能发射超声波:接收超声波:超声波换能器：压电式超声波传感器：声-电转换传播时间内计脉冲51第51页，课件共72页，创作于2023年2月３、平均技术目的：减小随机误差误差平均效应数据平均处理消除了声速变化的影响52第52页，课件共72页，创作于2023年2月1）.误差平均效应n个完全相同的电容传感器并联容栅传感器中的误差平均效应53第53页，课件共72页，创作于2023年2月2）.数据平均处理方法：将相同条件下的测量重复n次，或n次采样，然后将数据进行平均处理，随机误差减小倍。４、稳定性处理造成传感器性能不稳定原因：材料、元器件性能变化稳定性处理方法：电气元件：老化、筛选材料结构材料：时效处理、冰冷处理永磁材料：时间老化、温度老化、机械老化交流稳磁处理54第54页，课件共72页，创作于2023年2月５、屏蔽、隔离和干扰抑制思路传感器：减小对影响因素的灵敏度外界影响因素：降低对传感器的实际作用功率55第55页，课件共72页，创作于2023年2月1）、屏蔽56第56页，课件共72页，创作于2023年2月3）电路措施（1）去耦滤波器2）隔离隔热、隔振、密封信号地线电源地线信号源地线屏蔽保护接地线地线将测量系统的各种地线连接在一起，并且只在一点接地。（2）“单点”接地目的：消除公共阻抗耦合的干扰水下测试问题注意事项57第57页，课件共72页，创作于2023年2月６、零示法、微差法与闭环技术目的：消除或削弱系统误差1）零示法原理：被测量和已知标准量对仪表的作用相互平衡举例：机械天平优点：消除仪器不准造成的误差2）微差法原理：被测量和已知标准量差别减小到一定程度后，使仪表误差的影响大大减小。被测量相近标准量微差，仪表读出不连续可变58第58页，课件共72页，创作于2023年2月3）闭环技术K1K2Kn开环系统每个环节的相对误差对系统总误差的影响是等权的。标准量相对误差指示仪表相对误差相对微量测量误差59第59页，课件共72页，创作于2023年2月比较平衡方式：力、力矩平衡、电压（流）平衡、热平衡

A——静态传递函数

——反馈环节的反馈系数60第60页，课件共72页，创作于2023年2月闭环静态传递函数闭环时间常数特点：（1）精度高、稳定性好（2）动态特性好61第61页，课件共72页，创作于2023年2月７、补偿与校正例传感器温度误差补偿。补偿与校正方法硬件：电子线路软件：单片机62第62页，课件共72页，创作于2023年2月８、集成化与智能化1）集成化（1）将传感器和信号处理电路制作在同一芯片上（2）将多个相同或不同的敏感元件集成在同一芯片上，实现多参数测量。特点：成本低、体积小、性能改善、可靠性高、接口灵活63第63页，课件共72页，创作于2023年2月绝缘螺栓绝缘垫圈引线石英压电片惯性质量超小型阻抗变换器电缆插座内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器64第64页，课件共72页，创作于2023年2月（1）传感器的智能化传感器接口微处理器（2）智能化传感器传感器处理电路接口电路微处理器大规模集成智能传感器2）智能化传感器与微机结合传感器的智能化智能化传感器65第65页，课件共72页，创作于2023年2月五传感器的标定与校准66第66页，课件共72页，创作于2023年2月１、标定与校准的概念压电式压力传感器电荷信号压力信号活塞式压力计：已知标准力精度已知检测设备测量