传感器原理及应用技术课件.ppt
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1、第1章 传感器的特性 第1章 传感器的特性 1.1 传感器的组成及分类 1.2 传感器的基本特性 思考题与习题 艰 救 旬 春 茫 卉 枢 版 驻 是 驰 踢 排 馈 脚 面 秘 欺 史 缅 溯 聚 蛮 编 诺 和 厄 题 测 邮 瞳 诈 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 1.1 传感器的组成及分类 1.1.1 传感器的组成 传感器的作用主要是感受和响应规定的被测量, 并按一定规律将其转换成有用输出, 特别是完成非电 量到电量的转换。传感器的组成,并无严格的规定。 一般说来, 可以把传感器看作由敏感元件(有时又
2、称 为预变换器)和变换元件(有时又称为变换器)两部 分组成,见图1.1。 庞 掸 茨 宠 迄 褪 酣 焚 炬 芦 储 芹 芋 汽 渐 爸 坦 厨 宣 瓢 笛 缘 岛 利 募 除 深 盅 中 贩 蝎 佬 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 图1.1传感器的一般组成 寨 汀 追 掀 方 仲 绰 泌 纶 娄 症 阵 恢 旨 峡 兢 辞 积 徘 指 冕 欣 颐 蕾 敝 铣 柿 坯 柜 倘 恍 锐 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 1. 敏
3、感元件 在具体实现非电量到电量间的变换时, 并非所有 的非电量都能利用现有的技术手段直接变换为电量, 而必须进行预变换, 即先将待测的非电量变为易于转 换成电量的另一种非电量。这种能完成预变换的器件 称之为敏感元件。 2. 变换器 能将感受到的非电量变换为电量的器件称为变换 器。例如,可以将位移量直接变换为电容、 电阻及电 感的电容变换器、电阻及电感变换器;能直接把温度 变换为电势的热电偶变换器。显然,变换器是传感器 不可缺少的重要组成部分。 著 冕 残 长 纱 苹 肛 傍 赌 撼 暖 跨 用 袜 擞 筑 产 亏 忆 囊 面 剖 细 梯 殃 忽 谷 检 奇 秀 吻 姜 传 感 器 原 理 及
4、应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 在实际情况中,由于有一些敏感元件直接就可以输出变换 后的电信号,而一些传感器又不包括敏感元件在内,故常常无 法将敏感元件与变换器严格加以区别。 如果把传感器看作一个二端口网络,则其输入信号主要是 被测的物理量(如长度、力)等时,必然还会有一些难以避免 的干扰信号(如温度、电磁信号)等混入。严格地说,传感器 的输出信号可能为上述各种输入信号的复杂函数。就传感器 设计来说,希望尽可能做到输出信号仅仅是(或分别是)某一 被测信号的确定性单值函数,且最好呈线性关系。对使用者来 说,则要选择合适的传感器及相应的
5、电路,保证整个测量设备 的输出信号能惟一、正确地反映某一被测量的大小,而对其它 干扰信号能加以抑制或对不良影响能设法加以修正。 怪 腹 藩 彩 益 天 蛆 舟 湿 仰 沪 屋 韶 粳 皂 唯 刻 傅 笔 骆 皖 蚕 萄 岗 纬 鞭 粕 斜 凶 哨 网 扭 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 传感器可以做得很简单,也可以做得很复杂;可以是 无源的网络,也可以是有源的系统;可以是带反馈的闭环 系统,也可以是不带反馈的开环系统;一般情况下只具有 变换的功能,但也可能包含变换后信号的处理及传输电路 甚至包括微处理器CPU
6、。因此,传感器的组成将随不同情 况而异。 1.1.2 传感器的分类 传感器的分类方法很多,国内外尚无统一的分类方法 。一般按如下几种方法进行分类。 1. 按输入被测量分类 这种方法是根据输入物理量的性质进行分类。表1.1 给出了传感器输入的基本被测量和由此派生的其它量。 周 垃 顽 堑 湿 诽 昂 斋 跨 俱 维 狞 桑 浪 叙 半 虎 抹 穿 樱 阮 疤 孤 对 恃 裹 穷 厚 瓷 勉 疆 漓 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 表1.1 传感器输入被测量 称 俘 勿 谆 铱 代 触 图 因 霞 趣 杆 芜 轴
7、 缺 颂 莱 攫 繁 享 镍 垂 叹 艇 滩 淹 精 乏 蜂 供 泳 蒜 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 2. 按工作原理分类 这种分类方法以传感器的工作原理作为分类依据, 见表1.2。 奢 坯 鼠 瘁 昌 吾 怔 退 怎 灼 酱 唇 熬 侍 浙 沾 骨 权 项 李 朝 烂 叫 炊 祖 洱 胶 旧 哦 月 皋 兔 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 表1.2 传感器按工作原理的分类 敝 烈 睫 湿 茂 讲 墟 中 飞 掳 批 引
8、 膊 耪 豫 壬 坤 缄 操 涌 揣 貌 瞻 入 呵 峨 分 血 怂 庐 椽 匪 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 3. 按输出信号形式分类 这种分类方法是根据传感器输出信号的不同来进 行分类,见表1.3。 捧 祥 辣 霖 女 蔡 锣 滨 畦 恍 宇 吼 返 弛 电 涪 婴 桑 筐 京 种 工 哪 散 乐 坡 嗅 其 渗 浅 愁 码 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 表1.3传感器按输出信号形式的分类 栅 侨 雹 腻 看 沤 频
9、 筋 千 钢 恶 赋 馒 克 喊 篆 此 次 洗 酌 拆 重 岛 瞪 晴 龋 甚 颧 涯 知 搔 露 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 1.2 传感器的基本特性 1.2.1 静态特性 指当被测量的各个值处于稳定状态(静态测量)时,传感器的输 出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。借助实验 的方法确定传感器静态特性的过程称为静态校准。校准得到的 静态特性称为校准特性。在校准使用了规范的程序和仪器后,工 程上常将获得的校准曲线看作该传感器的实际特性。 1.线性度 人们为了标定和数据处理的方便,总是希望传感器
10、的输出与输 入关系呈线性,并能准确无误地反映被测量的真值,但实际上这往 往是不可能的。 假设传感器没有迟滞和蠕变效应,其静态特性可用下列多项式 来描述: 钙 帆 答 蹦 稠 目 于 渤 销 已 披 牡 靴 是 刽 牺 垮 炬 菠 肩 谭 猪 考 洞 艰 监 跟 斯 狱 沪 粉 挡 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 式中: x输入量; y输出量; a0零位输出; a1传感器的灵敏度,常用k表示; a2,a3,an非线性项的待定常数。 式(1.1)即为传感器静态特性的数学模型。该多项式 可能有四种情况,如图1.2所
11、示。 (1.1) 毖 瞻 咕 存 色 辖 扳 延 邮 澄 譬 仙 鲍 要 喂 篇 磋 悟 尽 帧 勺 豹 赌 钩 垫 风 跑 塞 托 船 拢 茁 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 图1.2传感器静态特性曲线 柒 犯 拯 夫 漏 妖 贬 贿 肄 症 畴 仆 奠 叼 羽 炮 沁 盘 服 罕 凭 皇 宪 豫 故 红 颤 昏 淬 船 牙 周 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 设ai0,a00。 1)理想线性 这种情况见图1.2(a)。此
12、时 a0=a2=a3=an=0 于是 y=a1x(1.2) 因为直线上任何点的斜率都相等,所以传感器的灵敏度为 a1=k=常数(1.3) 品 磕 淀 抿 筷 妈 沫 讼 莹 人 清 袍 娟 轿 赢 降 捷 釉 挂 郧 峙 兰 挠 过 摆 归 萄 憋 碎 奥 摸 追 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 2) 输出-输入特性曲线关于原点对称 这种情况见图1.2(b)。此时,在原点附近相当范 围内曲线基本成线性,式(1.1)只存在奇次项: y=a1x+a3x3+a5x5+(1.4) 3) 输出-输入特性曲线不对称 这时
13、,式(1.1)中非线性项只是偶次项,即 y=a1x+a2x2+a4x4+(1.5) 对应曲线如图1.2(c)所示。 赂 莉 寒 好 洞 贸 几 达 帕 禄 哉 蔑 去 姨 脑 拯 腊 压 疵 腕 掘 茄 别 乃 时 协 赔 紧 巫 捍 浑 衍 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 4) 普遍情况 普遍情况下的表达式就是式(1.1),对应的曲线如 图1.2(d)所示。 当传感器特性出现如图1.2中(b)、(c)、(d)所 示的非线性情况时,就必须采取线性化补偿措施。 实际运用时,传感器数学模型的建立究竟应取几阶 多项
14、式,是一个数据处理问题。建立数学模型的古典方 法是分析法。该法太复杂,有时甚至难以进行。利用校 准数据来建立数学模型,是目前普遍采用的一种方法,它 很受人们重视,并得到了发展。 貉 席 礼 贪 茸 豫 贮 戌 牌 辛 挽 零 样 糜 匆 侵 胞 剐 裁 表 凛 您 匣 针 窝 唆 淄 蕴 敞 纪 静 博 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 传感器的静态特性就是在静态标准条件下,利用校准数据确 立的。 静态标准条件是指没有加速度、振动和冲击(除非这些参数 本身就是被测物理量),环境温度一般为室温205,相对温度不大
15、 于85%,大气压力为0.1MPa的情况。在这样的标准工作状态下,利 用一定等级的校准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的输出- 输入数据一般用表格列出或画成曲线。 通常,测出的输出-输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻合 的程度,称之为传感器的“非线性误差”,或称为“线性度”.用相对误 差表示其大小,即传感器的正、反行程平均校准曲线与拟合直线之 间的最大偏差绝对值对满量程(F.S.)输出之比(%): |(yL)max L=100% yF.S 桌 薄 探 睡 君 莹 幌 赵 般 呜 雁 且 碴 笼 仓 鹿 侨 秩 瑚 餐 醒 摹 穷 蹲 甸 凛 劳 夯 闲 狰 意 措 传 感 器 原 理 及
16、应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 式中: L非线性误差(线性度); |(yL)max|输出平均值与拟合直线间的最大偏差绝对值; yF.S满量程输出。F.S.是英文fullscale(满量程)的缩写。 满量程输出用测量上限标称值yH与测量下限标称值yL 之差的绝对值表示,即yF.S.=|yH-yL| 显而易见,非线性误差的大小是以一定的拟合直线作为基准直 线而算出来的。基准直线不同,得出的线性度也不同。传感器在实 际校准时所得的校准数据,总包括各种误差在内。所以,一般并不 要求拟合直线必须通过所有的测试点,而只要找到一条能反映校准 数据
17、的趋势同时又使误差绝对值为最小的直线就行。 能 皿 叛 哗 杉 慰 分 辗 瑞 鸦 错 勋 多 社 篆 痊 冷 名 郊 避 寐 碍 锁 炒 氢 饥 绎 算 夏 恬 釉 葱 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 需要注意的是,由于采用的拟合直线即理论直线不同,线 性度的结果就有差异。因此,即使在同一条件下对同一传感 器作校准实验时,得出的非线性误差L也就不一样,因而在给 出线性度时,必须说明其所依据的拟合直线。 一般而言,这些拟合直线包括理论直线、端点连线、最 小二乘拟合直线、最佳直线等。与之对应的有理论线性度 、端
18、点连线线性度、最小二乘线性度、独立线性度等。(1 )理论直线。如图1.3(a)所示,理论直线以传感器的理论特性 直线(图示对角线)作为拟合直线,它与实际测试值无关。 其优点是简单、方便,但通常(yL)max很大。 宿 酝 雏 钥 写 需 秀 婪 侨 都 胸 鹤 遍 耳 遣 硒 盒 楼 摆 蹿 稀 篙 宾 萤 治 核 宽 拴 靠 量 消 挖 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 图1.3几种不同的拟合直线 (a)理论直线;(b)端点连线; 麦 慕 耗 更 荚 捻 沮 骗 莹 砖 战 攀 新 梳 冯 蓄 嘿 矾 镭 炎
19、 夯 碉 惑 涕 霞 零 州 水 涧 悯 桃 闲 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 (2)端点连线。如图1.3(b)所示,它是以传感器校准曲线两 端点间的连线作为拟合直线。其方程式为 y=b+kx 式中b和k分别为截距和斜率。这种方法方便、直观,但 (yL)max也很大。 (3)最小二乘拟合直线。这种方法按最小二乘原理求取拟 合直线,该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。 如图1.3(c)所示,若用y=kx+b表示最小二乘拟合直线,式中的系 数b和k可根据下述分析求得。 设实际校准测试点有n个,则第i个校
20、准数据yi与拟合直线 上相应值之间的残差为 i=yi-(b+kxi) 歪 崎 疗 突 骨 演 朵 爹 审 贼 精 亿 预 牙 殆 益 密 蹿 晋 侥 漂 略 肖 鬃 栽 吼 弱 囤 轩 雅 破 方 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 第1章 传感器的特性 图1.3几种不同的拟合直线 (c)最小二乘拟合直线;(d)“最佳直线” 篇 狄 纫 揉 庞 汲 删 畜 泊 勒 刷 蒂 孟 吓 贷 斜 庄 奏 铀 芭 兆 姬 躯 盅 蝶 矫 棕 稍 衷 铂 投 浦 传 感 器 原 理 及 应 用 技 术 课 件 传 感 器 原 理 及 应 用 技
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