傳感器的組成與分類03302ppt課件

1 2傳感器的組成與分類 1 2 1傳感器的定義1 2 2傳感器的組成1 2 3傳感器的分類 將被測非電量信號轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系電量輸出的器件或裝置叫做傳感器 也叫變換器 換能器或探測器 1 2 1傳感器的定義 3 1 2 2傳感器的組成 圖1 1傳感器組成框圖 敏感元件 直接感受被測非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其它量的元件 傳感元件 又稱變換器 能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件 敏感元件 傳感元件 壓力傳感器示例 信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路 能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示 記錄 處理 和控制的有用電信號的電路 常用的電路有電橋 放大器 變阻器 振蕩器等 輔助電路通常包括電源等 8 1 2 3傳感器的分類 1 按工作機理分類 根據(jù)物理和化學(xué)等學(xué)科的原理 規(guī)律和效應(yīng)進(jìn)行分類 2 按被測量分類 根據(jù)輸入物理量的性質(zhì)進(jìn)行分類 3 按敏感材料分類 根據(jù)制造傳感器所使用的材料進(jìn)行分類 可分為半導(dǎo)體傳感器 陶瓷傳感器等 4 按能量的關(guān)系分類 根據(jù)能量觀點分類 可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類 有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量 稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器 也稱換能器 通常配合有電壓測量電路和放大器 如 壓電式 熱電式 電磁式等 無源傳感器又稱為能量控制型傳感器 被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用 所以必須具有輔助能源 電能 如 電阻式 電容式和電感式等 5 其他 按用途 學(xué)科 功能和輸出信號的性質(zhì)等進(jìn)行分類 從系統(tǒng)角度看 一種傳感器就是一種系統(tǒng) 而一個系統(tǒng)總可以用一個數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來描述 即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入的關(guān)系和特性 從而 用這種關(guān)系指導(dǎo)對傳感器的設(shè)計 制造 校正和使用 通常從傳感器的靜態(tài)輸入 輸出關(guān)系和動態(tài)輸入 輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模型 1 3傳感器的數(shù)學(xué)模型概述 1 3 1靜態(tài)模型 靜態(tài)模型是指在輸入信號不隨時間變化的情況下 描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關(guān)系 如果不考慮蠕動效應(yīng)和遲滯特性 傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項式來表示 1 3 2動態(tài)模型 動態(tài)模型是指傳感器在準(zhǔn)動態(tài)信號或動態(tài)信號作用下 描述其輸出和輸入信號的一種數(shù)學(xué)關(guān)系 動態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)描述 1 微分方程 大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列 描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程 在實際的模型建立過程中 一般采用線性常系數(shù)微分方程來描述輸出量y和輸入量x的關(guān)系 其通式如下 an an 1 a0和bm bm 1 b0為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù) 除b0 0外 一般取b1 b2 bm為零 2 傳遞函數(shù) 如果y t 在t 0時 y t 0 則y t 的拉氏變換可定義為 式中s j 0 對微分方程兩邊取拉氏變換 則得 定義輸出y t 的拉氏變換Y S 和輸入x t 的拉氏變換X S 的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H S 則 對y t 進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t 0時 y t 0 對于傳感器被激勵之前所有的儲能元件如質(zhì)量塊 彈性元件 電氣元件等均符合上述的初始條件 19 對于多環(huán)節(jié)串 并聯(lián)組成的傳感器 若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng) 可忽略相互間的影響 傳感器的等效傳遞函數(shù)可按代數(shù)方式求得 顯然H s 與輸入量x t 無關(guān) 只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān) 因而H s 可以簡單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關(guān)系 20 若傳感器由r個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成 對于較為復(fù)雜的系統(tǒng) 可以將其看作是一些較為簡單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián) 21 若傳感器由p個環(huán)節(jié)并聯(lián)而成 1 4傳感器的基本特性 1 4 1靜態(tài)特性 1 線性度 輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度 又稱非線性誤差 可用下式表示 max 輸出量與輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差yFS 輸出滿量程值 傳感器的靜態(tài)模型有三種有用的特殊形式 1 理想的線性特性 2 僅有偶次非線性項 3 僅有奇次非線性項 1 2 3 三種形式所呈現(xiàn)的非線性程度 圖1 2三種特殊形式的特性曲線 2 靈敏度 在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值 對線性傳感器 其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率 非線性傳感器靈敏度是一個變量 只能表示傳感器在某一工作點的靈敏度 3 重復(fù)性 輸入量按同一方向作全程多次測試時 所得特性曲線不一致的程度 4 遲滯 回差滯環(huán) 現(xiàn)象 表明傳感器在正向行程和反向行程期間 輸出 輸入特性曲線不重合的程度 28 對于同一大小的輸入信號x 在x連續(xù)增大的行程中 對應(yīng)某一輸出量yi 與在x連續(xù)減小的行程中 對應(yīng)某一輸出量yd之間的差值叫滯環(huán)誤差 即所謂的遲滯現(xiàn)象 在整個測量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用 m表示 它與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率 5 分辨率與閾值 傳感器在規(guī)定的范圍所能檢測輸入量的最小變化量 閾值是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值 即零點附近的分辨力 6 穩(wěn)定性 在室溫條件下 經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔 傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異 7 漂移 在外界的干擾下 輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的 不需要的變化 漂移包括零點漂移和靈敏度漂移 零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移 時間漂移是指在規(guī)定的條件下 零點或靈敏度隨時間的緩慢變化 溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度漂移 8 靜態(tài)誤差 精度 靜態(tài)誤差是傳感器在其全量程內(nèi)任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度 求靜態(tài)誤差是把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上對應(yīng)值的殘差看成是隨機分布 求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差 取2 或3 值即為傳感器的靜態(tài)誤差 或用相對誤差表示 也可以由非線性誤差 遲滯誤差 重復(fù)性誤差這幾個單項誤差綜合而得 即 1 動態(tài)誤差 在動態(tài)的輸入信號情況下 輸出與輸入間的差異即為動態(tài)誤差 1 4 2動態(tài)特性 例 用一只熱電偶測量某一容器的液體溫度T 若環(huán)境溫度為T0 把置于環(huán)境溫度之中的熱電偶立即放入容器中 若T T0 1 階躍響應(yīng) 2 研究傳感器動態(tài)特性的方法及其指標(biāo) 當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號 1 17 時 其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性 最大超調(diào)量 p 響應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值 當(dāng)穩(wěn)態(tài)值為1 則最大百分比超調(diào)量為 延滯時間td 階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50 所需要的時間 上升時間tr A 響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值10 90 所需要的時間 B 響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值5 95 所需要的時間 C 響應(yīng)曲線從零到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時間 對有振蕩的傳感器常用C 對無振蕩的傳感器常用A 峰值時間tp 響應(yīng)曲線到第一個峰值所需要的時間 響應(yīng)時間ts 響應(yīng)曲線衰減到穩(wěn)態(tài)值之差不超過 5 或 2 時所需要的時間 有時稱過渡過程時間 2 頻率響應(yīng) 在定常線性系統(tǒng)中 拉氏變換是廣義的傅氏變換 取s j 中的 0 則s j 即拉氏變換局限于s平面的虛軸 則得到傅氏變換 同樣有 H j 稱為傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù) H j 是一個復(fù)函數(shù) 它可以用指數(shù)形式表示 即 即 A 稱為傳感器的幅頻特性 也稱為傳感器的動態(tài)靈敏度 或增益 A 表示傳感器的輸出與輸入的幅度比值隨頻率而變化的大小 其中 若以分別表示H j 的實部和虛部 則頻率特性的相位角 表示傳感器的輸出信號相位隨頻率而變化的關(guān)系 對于傳感器 通常是負(fù)的 表示傳感器輸出滯后于輸入的相位角度 而且 隨 而變 故稱之為傳感器相頻特性 3 典型環(huán)節(jié)傳感器系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析 1 零階傳感器系統(tǒng) 由 1 2 式 零階系統(tǒng)的微分方程為 或 零階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性為 2 一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)分析 一階系統(tǒng)微分方程 對上式進(jìn)行拉氏變換 得 則傳遞函數(shù)為 頻率響應(yīng)函數(shù) 幅頻特性 相頻特性 討論 越小 頻率響應(yīng)特性越好 負(fù)號表示相位滯后 越小 階躍響應(yīng)特性越好 若輸入為階躍函數(shù) 一階系統(tǒng)微分方程的解為 討論 輸出的初值為0 隨著時間推移y接近于1 當(dāng)t 時 在一階系統(tǒng)中 時間常數(shù)值是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù) 例1 1 由彈簧阻尼器構(gòu)成的壓力傳感器 系統(tǒng)輸入量為F t Kx t 輸出量為位移y t 分析系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性 解 根據(jù)牛頓第二定律 fC fK F t 或 由 1 29 式 為時間常數(shù) 令H S 中的s j 即 0 則系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)H j 為 由 j 可以分析該系統(tǒng)的幅頻特性Aj 和相頻特性 j 例1 2 一階測溫傳感器系統(tǒng)中 已知敏感部分的質(zhì)量為m 比熱為c 表面積為s 傳熱系數(shù)為h w m2 k 給出輸入量T0與輸出量T之間的微分方程 并推導(dǎo)其幅頻特性 相頻特性及階躍響應(yīng)特性 解 頻率響應(yīng)特性 幅頻特性 相頻特性 階躍響應(yīng)特性 3 二階傳感器的數(shù)學(xué)模型 所謂二階傳感器是指由二階微分方程所描述的傳感器 很多傳感器 如振動傳感器 壓力傳感器等屬于二階傳感器 其微分方程為 阻尼比 的影響較大 不同阻尼比情況下相對幅頻特性即動態(tài)特性與靜態(tài)靈敏度之比的曲線如圖 當(dāng) 0時 在 1處A 趨近無窮大 這一現(xiàn)象稱之為諧振 隨著 的增大 諧振現(xiàn)象逐漸不明顯 當(dāng) 0 707時 不再出現(xiàn)諧振 這時A 將隨著 的增大而單調(diào)下降 相頻特性 二階傳感器的階躍響應(yīng)特性 隨阻尼比 的不同 有幾種不同的解 單位階躍響應(yīng)通式 0 零阻尼 輸出變成等幅振蕩 即 0 1 欠阻尼 該特征方程具有共軛復(fù)數(shù)根 方程通解 根據(jù)t y kA 求出A3 據(jù)初始條件求出A1 A2則 其曲線如圖 是一衰減振蕩過程 越小 振蕩頻率越高 衰減越慢 1 過阻尼 特征方程具有兩個不同的實根 過渡函數(shù)為 1 臨界阻尼 特征方程具有重根 1 過渡函數(shù)為 上兩式表明 當(dāng) 1時 該系統(tǒng)不再是振蕩的 而是由兩個一階阻尼環(huán)節(jié)組成 前者兩個時間常數(shù)相同 后者兩個時間常數(shù)不同 實際傳感器 值一般可適當(dāng)安排 兼顧過沖量 m不要太大 穩(wěn)定時間t 不要過長的要求 在 0 6 0 7范圍內(nèi) 可獲得較合適的綜合特性 對正弦輸入來說 當(dāng) 0 6 0 7時 幅值比A k在比較寬的范圍內(nèi)變化較小 計算表明在 0 0 58范圍內(nèi) 幅值比變化不超過5 相頻特性 接近于線性關(guān)系 對于高階傳感器 在寫出運動方程后 可根據(jù)式具體情況寫出傳遞函數(shù) 頻率特性等 在求出特征方程共軛復(fù)根和實根后 可將它們分解為若干個二階模型和一階模型研究其過渡函數(shù) 有些傳感器可能難于寫出運動方程 這時可采用實驗方法 即通過輸入不同頻率的周期信號與階躍信號 以獲得該傳感器系統(tǒng)的幅頻特性 相頻特性與過渡函數(shù)等 1 5傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn) 1 5 1傳感器的標(biāo)定 活塞式壓力計 已知標(biāo)準(zhǔn)力 精度已知檢測設(shè)備測量 校準(zhǔn) 傳感器在使用中或存儲后進(jìn)行的性能復(fù)測 再次的標(biāo)定 標(biāo)定 利用標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行標(biāo)度的過程 輸入 輸出關(guān)系 待標(biāo)定傳感器 已知非電量 輸入量 標(biāo)定的基本方法 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 輸出量 輸入標(biāo)準(zhǔn)量 由標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測得到 實質(zhì) 待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較 電量 標(biāo)定系統(tǒng)的組成 1 被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器 2 被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng) 3 待標(biāo)定傳感器配接的信號檢測設(shè)備 為保證精度和可靠性 使用中注意問題 1 標(biāo)定等級 只能用上一級精度的標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定下一級精度的傳感器 2 環(huán)境條件 3 標(biāo)定測試系統(tǒng) 4 安裝條件 力 測力砝碼 拉 壓 式測力計 壓力 活塞式壓力計 水銀壓力計 麥?zhǔn)险婵沼?位移 深度尺 千分尺 塊規(guī) 溫度 鉑電阻溫度計 熱電偶 基