传感器原理及其应用 第1章 传感器的.ppt

1、武汉理工大学机电工程学院，武汉理工大学，“电气五大特征”，人体与自动测控系统的对应关系，1。定义：传感器/传感器是一种设备或装置，可以感觉到指定的测量，并根据特定规则将其转换为可用的输出信号。(GB76652005)，1.1传感器的基本概念，1.1.1传感器的定义和组成，(2)传感器的输入量是一定的被测量，可以是物理量或化学量，(1)传感器是一种测量装置，可以完成检测任务；传感器定义有以下含义：工业检测中涉及的物理量的分类、热量：温度T(k)、压力(压力)p(Pa)、压差p、真空度、流量q(t，m 3)、流速v(m/s)、料位、液位h(m)、机械量：线性位移x(m)、角位移、速度、加速度a(m

2、/s2)、转速n(r/min)、应变(m/m)、扭矩T(Nm)、振动、噪声、质量(重量)m(kg，T)、几何量：长度、厚度化学成分、气体浓度、液体粘度、浊度和透明度、物体颜色、状态量：工作机械的运动状态(启动和停止等)。 )，生产设备的异常状态(超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等。)，电量：电压和电流。(4)传感器的输出和输入有对应关系，应具有一定的准确度；(3)传感器的输出是一定的物理量，一般是便于传输、转换、处理和显示的电量(电压、电流、电阻、电感、)；2。传感器的组成，其中敏感元件直接感受被测物并将其转换成与被测物有确定关系且易于转换的非电量。转换元件：以敏感元件的输出为输入，将

3、输入转换成电路参数(如电阻R、电感L、电容C)或电流、电压等电量。信号转换电路：转换元件输出的电路参数连接到信号调理电路，并转换成易于处理的电压、电流或频率。1-弹簧管；2-电位计；3把刷子；4齿条、齿轮副、压力、弹簧管压力传感器的形状和内部结构，1.1.2传感器的分类，1.1.3传感器的物理定律，(1)守恒定律(能量、动量、电荷等守恒定律)。)，(2)场论(运动场的运动规律，电磁场的感应规律等。)，(3)物质定律(3)物质定律传感器输出和输入之间的关系可以用微分方程来描述。理论上，当微分方程中的一阶及以上微分项为零时，得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。当输入量随时间

4、迅速变化时，这种关系称为动态特性。当输入量不变或变化很慢时，这种关系称为静态特性；可以通过改进传感器本身来抑制，有时也可以限制外部条件。1.2.1传感器的静态特性。当输入量(被测)处于稳定状态(恒定或变化极慢的量)时，传感器的输入/输出关系称为静态特性。静态特性的数学描述是传感器的静态模型。不考虑磁滞、蠕变和摩擦等外部因素，传感器的输出和输入静态特性可以用多项式代数方程表示：其中y表示输出；x输入量；A0零输出；a1传感器的线性灵敏度通常表示为k或s；a2、a3和非线性项的不确定常数。(1)线性是指传感器输出和输入之间的线性。它具有线性输出-输入关系的优点：可以大大简化传感器的理论分析和设计计

5、算；传感器校准和数据处理方便。仪表表盘可均匀缩放，易于制造、安装和调试；避免了非线性补偿环节。传感器的输出-输入关系或多或少是非线性的。理想的线性特性为y=a1x，静态特性曲线可通过实际测试得到。获得特征曲线后，可以说问题已经解决。然而，为了校准和数据处理的方便，我们希望得到线性关系。此时，包括硬件或软件补偿在内的各种方法可用于线性化。一般来说，这些方法是复杂的。因此，当非线性误差不太大时，通常采用线性拟合方法进行线性化。当使用具有非线性特性的传感器时，在允许测量误差的条件下，实际曲线的一段近似由直线表示，例如切线或割线。这种方法被称为传感器非线性特性的“线性化”。当采用线性拟合线性化时，输出

6、和输入校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，称为线性误差或线性：校准曲线与特定走向线之间的闭合，通常用相对误差E1表示：最大-最大非线性误差；YFS满量程输出。非线性偏差的大小是基于某一条拟合线作为参考线。不同的拟合线具有不同的非线性误差。因此，选择拟合线的主要出发点应该是获得最小的非线性误差。另外，我们还应该考虑使用是否方便，计算是否简单。理论拟合；端点连接的平移拟合；端点连接配件；零交叉旋转拟合；最小二乘拟合；最小包容拟合、()理论直线法、()端点连接法、()端点连接平移法、()最小二乘拟合法、0、y、yi、x、y=kxb、Xi、最小二乘拟合法、最小二乘拟合法、()滞后。迟滞特性如图所示，一

7、般用实验方法测量。迟滞误差通常表示为满量程输出的百分比，即公式中Hmax的向前和向后行程之间的最大输出差。滞后误差的另一个名称是返回误差。返回误差通常表示为绝对误差。当检测返回错误时，可以选择几个测试点。与每个输入信号相对应，传感器正向冲程和反向冲程中输出信号之间的最大差值是返回误差。(3)重复性、Y、X、0、RMAX2、RMAX1、重复性误差可以用前后行程的最大偏差来表示，即重复性是指当输入在同一方向连续多次变化时，传感器获得的特性曲线的不一致程度。Rmax1正向行程的最大重复性偏差和Rmax2反向行程的最大重复性偏差。重复性误差通常表示为绝对误差。在检测过程中也可以选择几个测试点，对于多次

8、从同一个方向接近的每个点，可以得到输出值seRies yi1、yi2、yi3、yin，最大值和最小值之差or 3可以计算为重复性偏差ri，最大值Rmax可以从几个ri中取出作为重复性误差。可以看出，传感器输出曲线的斜率就是它的灵敏度。对于线性传感器，特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一个常数，与输入量无关。分辨率以绝对值表示，当以满量程的百分比表示时，称为分辨率。传感器输入零点附近的分辨率称为阈值。(5)分辨率和阈值。分辨率是指传感器能够检测到的最小输入增量。对于某些传感器来说，当输入量连续变化时，输出量只以步长变化，因此分辨率是由输出量的每个“步长”表示的输入量。1.2.2传感器的动态特性，

9、当测量随时间变化的动态信号时，要求传感器能够快速、准确地测量信号的幅值，并无失真地再现被测信号随时间变化的波形。T当环境温度(0)的水银温度计迅速放入30的恒温水中时，从观察水银柱的变化可以看出，水银柱并没有立即达到输入信号的大小，而是经过了一定的时间延迟t0。频域：周期性输入输入信号：正弦信号指数：频带宽度，研究传感器动态特性的方法和指数，时域：瞬态输入输入信号：阶跃信号，斜坡信号，脉冲信号指数：时间常数，上升时间，响应时间，过冲，1。传感器的动态数学模型：常系数线性微分方程，y输出；x输入量；时间。A0、a1和an常数；b0，b1，bm常数的第n次导数输出到时间t；输入量对时间t的m阶导数

10、，求解上述微分方程的方法：利用传递函数、频率响应函数等能反映系统动态特性的函数将系统的输出和输入连接起来。当传感器数学模型的初始值为0时，系统的传递函数可以通过拉普拉斯变换得到。上述公式的分母是传感器的特征多项式，它决定了系统的“阶数”。可以看出，对于常数系统，当系统的微分方程已知时，传感器的传递函数可以通过用相应的S变量代替方程的每个导数来获得。传感器输出的拉普拉斯变换；X(s)传感器输入量的拉普拉斯变换公式是一个复数，可以用代数形式和指数形式表示，即、表示传感器输出和输入的幅值比随频率变化的关系，称为幅频特性。传感器的输出和输入之间的相位差与频率之间的关系被表示，这被称为相频特性。1.2.

11、3传感器的无失真测试条件，如果传感器的输出y(t)和输入x(t)满足： y(t)=A0 x(t-0)的关系，则意味着输出波形无失真地再现输入波形。对上述公式进行傅里叶变换：Y(j)=A0 e-j0X(j)，1.2.4典型传感器的动态特性分析，频率特性：无论零阶输入系统的输入量如何随时间变化，其输出量总是与输入量有一定的比例关系。时间上没有滞后，振幅等于零。例如电位计传感器。在实际应用中，当许多高阶系统变化缓慢且频率较低时，可以将其视为零阶系统。时间常数(=a1/A0)；k静态灵敏度(k=B0/A0)，传递函数：幅频特性：频率特性：时间常数越小，系统的频率特性越好，齐次方程解：方程解：t，将初始

12、条件y(0)=0代入上述公式，即当t=0时，C1=-。时间常数，n固有频率，n=1/阻尼系数，k静态灵敏度，k=b0/a0。图中显示了不同阻尼比下的相对幅频特性曲线，即动态特性与静态灵敏度之比。振幅-频率特性、相位-频率特性、频率特性、传递函数，当0在/n=1时接近无穷大时，这种现象称为共振。随着的增加，共振现象不明显。当1，n，1时，幅频特性是平坦的，输出和输入是线性的；()非常小，与呈线性关系；设计传感器时，阻尼比必须为1，固有频率n应至少比被测信号的频率大35倍，以便测试结果能准确再现被测信号波形。欠阻尼下的曲线如图所示，这是一个阻尼振荡过程。越小，振荡频率越高，衰减越慢。2)=0(零阻

13、尼):输出变成等幅振荡，即上升时间上升时间，过冲，4)1(过阻尼):3)=1(临界阻尼):上述两个公式表明，当1时，系统不再振荡，而是由两个一阶阻尼环节组成二阶系统的阶跃响应曲线动态指标，实际传感器和二阶系统的值一般可以适当地安排，考虑到过冲m不应太大和稳定时间t应足够长的要求在0.60.7的范围内，可以获得更合适的综合特性。对于正弦输入，当=0.60.7时，振幅比k()/k在很宽的范围内变化很小。计算表明，在/n00.58范围内，幅值比变化不超过5，相频特性()接近线性关系。1.3.1传感器技术性能指标，2。差分技术差分技术广泛应用于传感器。其应用可显著降低温度变化、电源波动和外部干扰对传感

14、器精度的影响，抵消共模误差，降低非线性误差。许多传感器使用差分技术，这也可以提高灵敏度。1.3.2提高传感器性能的技术方法，1。合理选择结构、材料和参数。平均技术广泛应用于传感器，可以产生平均效果。它的原理是用几个传感单元同时感受被测对象，它的输出是这些单元输出的平均值。根据误差理论，如果每个单元所带来的可能误差可以视为随机误差，并且服从正态分布，那么在有n个传感器单元的情况下，总误差将减少到33，360。可以看出，平均技术不仅可以减小传感器误差，还可以增加信号量，即增加传感器灵敏度。使用传感器时，如果测量要求高，必要时应老化后续电路的附加调整元件和关键部件。提高传感器性能稳定性的措施：对材料

15、、部件或整个传感器进行必要的稳定性处理。如时间老化、温度老化、机械老化、交流磁稳定、电气元件老化筛选等。传感器性能不稳定的原因是，随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料和部件的性能将发生变化。屏蔽、隔离和干扰抑制传感器大多在野外工作，野外条件往往难以完全预测，有时甚至极其恶劣。各种外部因素都会影响传感器的精度和性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，应尽量削弱或消除外界因素对传感器的影响。方法如下：降低传感器对影响因素的敏感度，降低外部因素对传感器的实际影响。对于电磁干扰，可以采取屏蔽和隔离措施，也可以采用滤波方法进行抑制。对于温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射，甚至气流，都有相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等。或者干扰信号在被转换成电之后可以被分离或抑制以减少它们的影响。6补偿和校正技术补偿和校正技术的应用一般针对两种情况：根据传感器本身的特性、传感器的工作条件或外部环境，找出误差的变化规律，或测量其大小和方向，并采取适当的方法进行补偿或校正。根据传感器的工作条件或外部环境来补偿误差，也是提高传感器精度的有力技术措施。许多传