【大学课件】传感器与检测技术-------1.ppt
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1、,第1章 绪论,1.1 自动检测技术概述 1.2 传感器概述 1.3 测量误差与数据处理 1.4 传感器的一般特性 1.5 传感器的标定和校准,上一页,返 回,下一页,1.1 自动检测技术概述,1.1.1 自动检测技术的重要性 1.1.2 自动检测系统的组成 1.1.3 自动检测技术的发展趋势,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,1.1.1 自动检测技术的重要性,测试手段就是仪器仪表。 在工程上所要测量的参数大多数为非电量,促使人们用电测的方法来研究非电量,即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表,研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。 非电量电测量技术优点: 测量精度高、反应速度
2、快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。,机械制造业 化工行业 烟草行业 环境保护等部门 现代物流行业 科学研究和产品开发中 文物保护领域 综上所述,自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分,尤其在自动控制中,如果对控制参数不能有效准确的检测,控制就成为无源之水,无本之木。,上一页,返 回,下一页,1.1.2 自动检测系统的组成,图1.1.1 测量系统的组成,上一页,返 回,下一页,传感器:把被测非电量转换成为与之有确定对应关系,且便于应用的某些物理量(通常为电量)的测量
3、装置。 测量电路:把传感器输出的变量变换成电压或电流信号,使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录;或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。 输出单元:指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。,上一页,返 回,下一页,1.1.3 自动检测技术的发展趋势,(1)不断提高仪器的性能、可靠性,扩大应用范围。 (2)开发新型传感器。 (3)开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。 (4)微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合,构成新一代智能化测试系统,使测量精度、自动化水平进一步提高。 (5)研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。,上一页,返 回,下一
4、页,1.2 传感器概述,1.2.1 传感器的定义 1.2.2 传感器的组成 1.2.3 传感器分类,上一页,下一页,返 回,1.2.1 传感器的定义,根据中华人民共和国国家标准(GB7665-87) 传感器(Transducer/Sensor):能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。,上一页,下一页,返 回,包含的概念:, 传感器是测量装置,能完成检测任务; 它的输出量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等; 它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等等,这种量可以是气、光、电量,但主要是电量; 输出输入有对应关系,且应有一定的精确程
5、度。,上一页,下一页,返 回,1.2.2传感器的组成,敏感元件 直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件 敏感元件的输出就是它的输入,抟换成电路参量 转换电路 上述电路参数接入基本转换电路,便可转换成电量输出,上一页,下一页,返 回,1.2.3 传感器分类,工作机理:物理型、化学型、生物型,物理型传感器:物理基础的基本定律。 场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律,构成原理,结构型:物理学中场的定律 物性型:物质定律,能量转换,能量控制型 能量转换型,物理原理,用 途: 位移、压力、振动、温度,上一页,下一页,返 回,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类
6、 1.3.2 精度 1.3.3 测量误差的表示方法 1.3.4 随机误差 1.3.5 系统误差 1.3.6 粗大误差 1.3.7 数据处理的基本方法,上一页,下一页,返 回,1.3.1 测量误差的概念和分类,1. 有关测量技术中的部分名词 2. 误差的分类,上一页,下一页,返 回,1. 有关测量技术中的部分名词,(1)等精度测量: (2)非等精度测量: (3)真值: (4)实际值: (5)标称值: (6)示值: (7)测量误差:,上一页,下一页,返 回,2. 误差的分类,(1)系统误差 (2)随机误差 (3)粗大误差,上一页,下一页,返 回,1.3.2 精度,反映测量结果与真值接近程度的量 (
7、1)准确度 (2)精密度 (3)精确度 对于具体的测量,精密度高的而准确度不一定高,准确度高的精密度不一定高,但精确度高,则精密度和准确度都高。,上一页,下一页,返 回,1.3.3 测量误差的表示方法,(1) 绝对误差 (2) 相对误差,上一页,下一页,返 回,(1) 绝对误差,绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0,器具的标称值或示值为x,则绝对误差为 (1.3.1) 由于一般无法求得真值A0,在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值,即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差,记为 (1.3.2) 通常以此值来代表绝对误差。,上一页,下一页,返 回,修正
8、值,为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值,常用C表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值,即 A0= x+C (1.3.3) 由此得 C =A0-x (1.3.4) 在实际工作中,可以用实际值A近似真值A0,则(1.3.4)式变为 C =A-x=- x (1.3.5) 修正值与误差值大小相等、符号相反,测得值加修正值可以消除该误差的影响,上一页,下一页,返 回,(2) 相对误差,相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式: 实际相对误差。 示值相对误差。 满度(引用)相对误差,上一页,下一页,返 回, 实际相对误差。 (1.3.6) 示值相对误差。 (
9、1.3.7) 满度(引用)相对误差,上一页,下一页,返 回,最大允许误差,指示仪表的最大满度误差不许超过该仪表准确度等级的百分数,即 (1.3.9) 当示值为x时可能产生的最大相对误差为 (1.3.11) 用仪表测量示值为x的被测量时,比值越大,测量结果的相对误差越大。选用仪表时要考虑被测量的大小越接近仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。,上一页,下一页,返 回,1.3.4 随机误差,1. 正态分布 2. 随机误差的评价指标 3. 测量的极限误差,上一页,下一页,返 回,1. 正态分布,随机误差是以不可预定的方式变化着的误差,但在一定条件下服从统计规律,上一页,下一页,返 回,正
10、态分布的随机误差分布规律,(1)对称性。 绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。 (2)单峰性。 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。 (3)有界性。 一定的测量条件下,随机误差的绝对值不会超过一定界限。 (4)抵偿性。 随测量次数的增加,随机误差的算术平均值趋向于零。,上一页,下一页,返 回,2. 随机误差的评价指标,由于随机误差大部分按正态分布规律出现的,具有统计意义,通常以正态分布曲线的两个参数算术平均值和均方根误差作为评价指标。 (1)算术平均值 (2)标准差,上一页,下一页,返 回,(1)算术平均值,当测量次数为无限次时,所有测量值的算术平均值即等于真值, 事实上是不可能
11、无限次测量,即真值难以达到。但是,随着测量 次数的增加,算术平均值也就越接近真值。 因此,以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。,上一页,下一页,返 回,() 标准差, 测量列中单次测量的标准差 测量列算术平均值的标准差,上一页,下一页,返 回, 测量列中单次测量的标准差,在等精度测量列中,单次测量的标准差 (1.3.18) 式中,n测量次数; 每次测量中相应各测量值的随机误差。,上一页,下一页,返 回,图1.3.2 三种不同值的正态分布曲线,实际工作中用残差来近似代替随机误差求标准差的估计值,贝塞尔(Bessel)公式,上一页,下一页,返 回, 测量列算术平均值的标准差,式中, 算术平均值标
12、准差(均方根误差); 测量列中单次测量的标准差; n 测量次数,当测量次数n愈大时,算术平均值愈接近被测量的真值, 测量精度也越高。,上一页,下一页,返 回,. 测量的极限误差,测量的极限误差是极端误差,检测量结果的误差不超过该极端误差的概率P,并使出现概率为(-P)误差超过该极端误差的检测量的测量结果可以忽略。 (1)单次测量的极限误差 (2)算术平均值的极限误差,上一页,下一页,返 回,(1)单次测量的极限误差,随机误差在至范围内概率为:,经变换,(1.3.22)式为,若某随机误差在t 范围内出现的概率为2(), 则超出该误差范围的概率为,上一页,下一页,返 回,表1.3.1几个典型 t值
13、的概率情况分析,上一页,下一页,返 回,图1.3.3 单次测量列极限误差,当t=3时,即|=时,误差不超过|的概率为99.73%, 通常把这个误差称为单次测量的极限误差limx,即 limx =3,上一页,下一页,返 回,(2)算术平均值的极限误差,测量列的算术平均值与被测量的真值之差 当多个测量列算术平均值误差为正态分布时,得到测量列算术平均值的极限误差表达式为 式中的t为置信系数,为算术平均值的标准差。,通常取t=3,则,上一页,下一页,返 回,1.3.5 系统误差,1. 系统误差的发现 2. 系统误差的削弱和消除,上一页,下一页,返 回,1. 系统误差的发现,(1)理论分析及计算 (2)
14、实验对比法 (3)残余误差观察法 (4)残余误差校核法 (5)计算数据比较法,上一页,下一页,返 回,(1)理论分析及计算 因测量原理或使用方法不当引入系统误差时,可以通过理论分析和计算的方法加以修正。 (2)实验对比法 实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量,以发现系统误差,这种方法适用于发现恒定系统误差。 (3)残余误差观察法 根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律,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。,上一页,下一页,返 回,(4)残余误差校核法, 用于发现累进性系统误差 马利科夫准则:设对某一被测量进行n次等精
15、度测量,按测量先后顺序得到测量值x1,x2,xn,相应的残差为v1,v2,vn。把前面一半和后面一半数据的残差分别求和,然后取其差值 用于发现周期性系统误差 阿卑-赫梅特准则:,则认为测量列中含有周期性系统误差。,当存在,设,上一页,下一页,返 回,(5) 计算数据比较法,对同一量进行多组测量,得到很多数据,通过多组计算数据比较,若不存在系统误差,其比较结果应满足随机误差条件,否则可认为存在系统误差。 任意两组结果与间不存在系统误差的标志是,上一页,下一页,返 回,2. 系统误差的削弱和消除,(1)从产生误差源上消除系统误差 (2)引入修正值法 (3)零位式测量法 (4)补偿法 (5)对照法,
16、上一页,下一页,返 回,1.3.6 粗大误差,判别粗大误差最常用的统计判别法: 如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为 x1,x2,xd,,xn 其标准差为,如果其中某一项残差vd大于三倍标准差,即 则认为vd为粗大误差,与其对应的测量数据xd是坏值,应从测量列测量数据中删除。,上一页,下一页,返 回,1.3.7 数据处理的基本方法,数据处理:从获得数据起到得出结论为止的整个数据加工过程。 常用方法: 列表法、作图法和最小二乘法拟合。 最小二乘法原理是指测量结果的最可信赖值应在残余误差平方和为最小的条件下求出。在自动检测系统中,两个变量间的线性关系是一种最简单、也是最理想的函数关系。,
17、上一页,下一页,返 回,设有n组实测数据(xi,yi)(i=1,2,n),其最佳拟合方程 (回归方程)为 y=A+Bx (1.1.37) 式中,A为直线的截距;B为直线的斜率。,根据最小二乘法原理,要使 为最小,取其对A、B求偏导数, 并令其为零,可得两个方程,联立两个方程可求出A,B的唯一解。,上一页,下一页,返 回,1.4 传感器的一般特性,1.4.1 传感器的静特性 1.4.2 传感器的动特性,上一页,下一页,返 回,1.4.1 传感器的静特性,输出与输入间关系 微分方程,静特性:输入量为常量,或变化极慢 动特性:输入量随时间较快地变化时,微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时, 可得到
18、静特性(动特性的特例) 表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系 希望输出与输入具有确定的对应关系,且呈线性关系。,上一页,下一页,返 回,静特性指标,一、线性度 二、灵敏度 三、迟滞 四、重复性 五、零点漂移 六、温度漂移,上一页,下一页,返 回,1、线性度,静特性,输 出 量,输 入 量,零点输出,理论灵敏度,非线性项系数,直线拟合线性化 非线性误差或线性度,最大非线性误差 满量程输出,上一页,下一页,返 回,直线拟合线性化,出发点 获得最小的非线性误差,拟合方法: 理论拟合; 过零旋转拟合; 端点连线拟合; 端点连线平移拟合; 最小二乘拟合; 最小包容拟合,上一页,下一页,返 回,
19、理论拟合,拟合直线为传感器的理论特性,与实际测试值无关。 方法十分简单,但一般说 较大,上一页,下一页,返 回,过零旋转拟合,曲线过零的传感器。拟合时,使,上一页,下一页,返 回,端点连线拟合,把输出曲线两端点的连线作为拟合直线,上一页,下一页,返 回,端点连线平移拟合,在端点连线拟合基础上使直线平移,移动距离为原先的一半,y,L1,上一页,下一页,返 回,最小二乘拟合,原理:,上一页,下一页,返 回,最小二乘拟合方法,上一页,下一页,返 回,2、灵敏度,传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度,表征传感器对输入量变化的反应能力,上一页,下一页,返 回,表征传感器对输入
20、量变化的反应能力,(a) 线性传感器 (b) 非线性传感器 图 1.4.2 传感器的灵敏度,上一页,下一页,返 回,3、迟滞,正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合称为迟滞,正反行程间输出的最大差值。,迟滞误差的另一名称叫回程误差,常用绝对误差表示 检测回程误差时,可选择几个测试点。对应于每一输入信号, 传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。,上一页,下一页,返 回,迟滞特性,上一页,下一页,返 回,4、重复性,传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度,正行程的最大重复性偏差 反行程的最大重复性偏差,取较大者为,上一页,下一页,返 回,重
21、复特性,y,上一页,下一页,返 回,5. 零点漂移,传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化,长时间工作稳定性或零点漂移,零漂,式中 Y0 最大零点偏差; YFS 满量程输出。,上一页,下一页,返 回,6、温漂,传感器在外界温度下输出量发出的变化,温漂,式中 max 输出最大偏差; T 温度变化范围; YFS 满量程输出。,上一页,下一页,返 回,1.4.2 传感器的动态特性,传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。 研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。 时域:瞬态响应法 频域:频率响应法
22、,上一页,下一页,返 回,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。 理想情况下,阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时,应保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。,上一页,下一页,返 回, 一阶传感器的单位阶跃响应,设x ( t )、y ( t ) 分别为传感器的输入量和输出量,均是时间的函数,则一阶传感器的传递函数为 式中 时间常数; K静态灵敏度。 由于在线性传感器中灵敏度K为常数,在动态特性分析中,K只起着使输出量增加K倍的作用。讨论时采用 K=
23、1。,上一页,下一页,返 回,对于初始状态为零的传感器,当输入为单位阶跃信号时, X(s)=1/s,传感器输出的拉氏变换为,则一阶传感器的单位阶跃响应为,一阶传感器的时间常数越小越好,上一页,下一页,返 回, 二阶传感器的单位阶跃响应,二阶传感器的传递函数为,式中 n 传感器的固有频率; 传感器的阻尼比。,在单位阶跃信号作用下,传感器输出的拉氏变换为,上一页,下一页,返 回,对Y(s)进行拉氏反变换,即可得到单位阶跃响应。 图1.4.6为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。,传感器的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率n 。 在实际使用中,为了兼顾有短的上升时间和小的超调量, 一般传感器都设计成欠
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