傳感器原理及應(yīng)用教程VIP

.,第2章傳感器概述,2.1傳感器的組成和分類(lèi)2.2傳感器的基本特性,.,2.1傳感器的組成和分類(lèi),傳感器的作用傳感器的定義傳感器的組成傳感器的分類(lèi),.,人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較眼（視覺(jué)）耳（聽(tīng)覺(jué)）鼻（嗅覺(jué)）皮膚（觸覺(jué)）舌（味覺(jué)）,感知外界信息大腦肌體,2.1傳感器的組成和分類(lèi),1、傳感器的地位和作用,.,.,傳感器是一個(gè)匯聚物理、化學(xué)、材料、電子、生物工程等多類(lèi)型交叉學(xué)科，涉及傳感檢測(cè)原理、傳感器件設(shè)計(jì)、傳感器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的綜合技術(shù)。傳感器技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一。,.,工業(yè)生產(chǎn),.,智能建筑,降低能耗,提高操作者工作效率,提高樓宇內(nèi)部舒適程度,提供高效的設(shè)備管理手段,監(jiān)控軟件,縮短投資回收周期,降低培訓(xùn)成本,.,航空航天宇宙飛船,飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、磁場(chǎng)、振動(dòng)測(cè)量；“阿波羅10”飛船對(duì)3295個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，其中：溫度傳感器559個(gè)壓力傳感器140個(gè)信號(hào)傳感器501個(gè)遙控傳感器142個(gè)整個(gè)宇宙飛船就是高性能傳感器的集合體,智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽(yáng)能提供能源）智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動(dòng)顯示、記錄公路壓力、溫度、車(chē)流量）智能汽車(chē)（無(wú)人駕駛、衛(wèi)星定位）,未來(lái)世界,.,HumanwithSensors,.,傳感器還滲透到海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。,血壓測(cè)定方法和輸出的結(jié)果,.,廣義：傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）：對(duì)傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。,2、傳感器的定義,.,測(cè)量?jī)x器一般由信號(hào)檢測(cè)器件和信號(hào)處理兩部分組成。這種能感應(yīng)被測(cè)量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其他物理量變化的器件就是傳感器。,輸入匹配,放大變換,被測(cè)信號(hào),輸出,檢測(cè)器件,信號(hào)處理,廣義傳感器,.,傳感器定義有以下含義它能完成檢測(cè)任務(wù)，是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成檢測(cè)裝置；輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。按使用場(chǎng)合不同又稱為：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭,傳感器功用：一感二傳,即感受被測(cè)信息,并傳送出去。,.,3、傳感器的組成,輔助電源,敏感元件,轉(zhuǎn)換元件,轉(zhuǎn)換電路,被測(cè)量,電量,敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。,轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。,基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。,物理、化學(xué)、生物信息,.,實(shí)際上，有些傳感器很簡(jiǎn)單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。,由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的傳感器,由于空間的限制或者其他原因,轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。然而，因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號(hào)，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。,由一個(gè)敏感元件組成的最簡(jiǎn)單的傳感器,質(zhì)量塊,壓電片,.,4.傳感器的分類(lèi),物理型：化學(xué)型：利用電化學(xué)反應(yīng)原理生物型：利用生物活性物質(zhì)選擇性,結(jié)構(gòu)型：取決于幾何尺寸和形狀物性型：取決于材料性質(zhì),按傳感器的工作原理,.,按被測(cè)量,溫度、流量、壓力、濕度、濃度、力學(xué)量、磁學(xué)量、光學(xué)量、氣體成分等,根據(jù)傳感器輸出信號(hào)：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無(wú)源傳感器傳感器的能量來(lái)源：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器按可變電參量：電阻型、電感型或電容型按傳感器技術(shù)發(fā)展：聾啞傳感器(DumbSensor)、智能傳感器(SmartSensor)、網(wǎng)絡(luò)化傳感器(NetworkedSensor),其他分類(lèi),.,2.2傳感器的特性與主要性能指標(biāo),傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo),.,定義：傳感器特性：指輸入x（被測(cè)量）與輸出y之間的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)的關(guān)系,2.2傳感器的特性與主要性能指標(biāo),2.2.1傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo),式中：a0輸入量x為零時(shí)的輸出量;a1,a2,an非線性項(xiàng)系數(shù)。,.,1測(cè)量范圍和量程,傳感器所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入）xmin與最大被測(cè)量（輸入）xmax之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍（measuringrange）,表示為YFS或（xmin，xmax）。傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值之差xmaxxmin稱為量程（span）。例如一溫度傳感器的測(cè)量范圍是-30+120,那么該傳感器的量程為150。,.,2靈敏度與靈敏度誤差,可見(jiàn)，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。對(duì)線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度s是一常數(shù)，與輸入量大小無(wú)關(guān)。,傳感器輸出的變化量y與引起該變化量的輸入變化量x之比即為其靜態(tài)靈敏度(Sensitivity)，其表達(dá)式為,線性：S=y/x非線性：S=dy/dx,.,.,靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說(shuō)問(wèn)題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。這時(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理。,3線性度(Linearity)傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示：式中：y輸出量；x輸入量；a0零點(diǎn)輸出；a1理論靈敏度；a2、a3、an非線性項(xiàng)系數(shù)。,各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。,y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn,.,Lmax一最大非線性誤差；yFS滿量程輸出。,在采用直線擬合線性化時(shí)，全量程范圍實(shí)際曲線與其擬合曲線之間的最大偏差與滿量程輸出值之比，就稱為非線性誤差或線性度，用相對(duì)誤差L表示：,一般來(lái)說(shuō)，這些辦法都比較復(fù)雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來(lái)線性化。,非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來(lái)的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。,理論擬合；過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；端點(diǎn)連線擬合；端點(diǎn)連線平移擬合；最小二乘擬合,.,.,4遲滯,式中Hmax正反行程間輸出的最大差值。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)差值的最大者即為回程誤差。,傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。,遲滯差值：正反行程的差值。遲滯誤差：傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值Hmax與滿量程輸出值之比,.,5重復(fù)性(Repeatability),y,x,0,Rmax2,Rmax1,重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即,重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜃鋈砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。,或用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，表示如下：,Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差，Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。,.,分辨力用絕對(duì)值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。,6分辨力與分辨率,分辨力（resolution）:指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量的xmin的絕對(duì)值。有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。分辨率反映了傳感器檢測(cè)輸入微小變化的能力。影響傳感器分辨力的因素很多，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的摩擦、電路中的儲(chǔ)能元件和A/D的位數(shù)。在傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)，由于其輸入/輸出之間呈非線性關(guān)系，所以在不同輸入時(shí)分辨力不同，用max|xmin|表示傳感器的分辨力。用滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。,.,被測(cè)量可能以各種形式隨時(shí)間變化，只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)。其間的關(guān)系用動(dòng)態(tài)特性方程描述。,2.2.2、傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo),動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。,傳感器動(dòng)態(tài)特性方程就是指在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的輸出量與輸入被測(cè)量之間隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。它依賴于傳感器本身的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)，取決于系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械的、電氣的、磁性、光學(xué)的等各種參數(shù)，而且這個(gè)特性本身不因輸入量、時(shí)間和環(huán)境條件的不同而變化。使用傳感器時(shí)，根據(jù)動(dòng)態(tài)特性及使用條件確定使用方法，同時(shí)估計(jì)給定條件下傳感器動(dòng)態(tài)誤差、響應(yīng)速度(延遲時(shí)間)和動(dòng)態(tài)靈敏度。,.,傳感器動(dòng)態(tài)特性可用下列微分方程描述,下面只研究零階、一階、二階系統(tǒng)：,.,1零階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo),零階傳感器的輸出通過(guò)下列類(lèi)型的方程與其輸入相聯(lián)系y(t)=kx(t)傳感器的傳輸函數(shù)G(s)=k傳感器的頻率特性G(j)=kk：靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。零階傳感器是比例傳感系統(tǒng)，傳函恒定不變。因此，傳感器的動(dòng)態(tài)誤差和延遲兩者皆為零。上式的輸入輸出關(guān)系要求傳感器不包含任何儲(chǔ)能元件。例如，用來(lái)測(cè)量線性位移和旋轉(zhuǎn)位移的電位器型傳感器。,.,2一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo),在一階傳感器中包含一個(gè)儲(chǔ)能元件和另一些耗能元件。輸入x(t)和輸出y(t)由一階微分方程描述：,相應(yīng)的傳遞函數(shù)為：,K靜態(tài)靈敏度(靜態(tài)增益)，K=1/a0時(shí)間常數(shù)，=a1/a0,.,對(duì)初始狀態(tài)為零的傳感器,當(dāng)輸入一個(gè)單位階躍信號(hào),.,一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)為相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖2-7所示。由圖可見(jiàn),傳感器存在慣性,它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào),而是從零開(kāi)始,按指數(shù)規(guī)律上升,最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無(wú)窮大時(shí)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,但實(shí)際上當(dāng)t=4時(shí)其輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98.2%,可以認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。越小,響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線,因此,值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。,.,.,二階傳感器包含兩個(gè)儲(chǔ)能元件和一些耗能元件。如，由質(zhì)量、彈簧和阻尼器構(gòu)成的加速度傳感器，可變電感、分布電容和匹配電阻構(gòu)成的位移傳感器，均為經(jīng)典的二階系統(tǒng)。傳感器輸入x(t)和輸出y(t)由二階微分方程相聯(lián)系：,傳遞函數(shù)：,3二階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo),時(shí)間常數(shù)，；n固有頻率,n=1/阻尼系數(shù)，；k靜態(tài)靈敏度，k=b0/a0(常取為1),.,2.4,2.2,2.0,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,0.5,1,1.5,2,2.5,(a),(b),0,-30,-60,-90,-120,-150,-180,0.5,1,1.5,2,2.5,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=1,=0.8,=0.707,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=0.707,=0.8,=1,=0.8,=1,=0.707,=0.6,=0.4,=0.2,=0,二階傳感器幅頻與相頻特性（a）幅頻特性（b）相頻特性,當(dāng)0時(shí)，在=1處A()趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著的增大，振蕩現(xiàn)象逐漸不明顯。當(dāng)0.707時(shí)，不再出現(xiàn)振蕩，這時(shí)A()將隨著的增大而單調(diào)下降。,阻尼系數(shù)的影響,A(),.,二階傳感器的階躍響應(yīng),單位階躍響應(yīng)通式,n傳感器的固有頻率；傳感器的阻尼比,特征方程,根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：1）01(有/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,ykA求出A3；根據(jù)初始條件,求出A1、A2，則,令x=A,.,其曲線如圖,這是一衰減振蕩過(guò)程,越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。,tw,0.02,1,t,tm,m,1(過(guò)阻尼)：特征方程具有兩個(gè)不同的實(shí)根,3)=1(臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/,過(guò)渡函數(shù)為,上兩式表明，當(dāng)1時(shí)，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個(gè)一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相同，后者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不同。,過(guò)渡函數(shù)為,.,杭州微圖視覺(jué)科技有限公司趙器視覺(jué)系統(tǒng)工業(yè)相機(jī)傳感器工業(yè)鏡頭,.,2.2傳感器的特性與主要性能指標(biāo),傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo)傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo),.,定義：傳感器特性：指輸入x（被測(cè)量）與輸出y之間的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)的關(guān)系,2.2傳感器的特性與主要性能指標(biāo),2.2.1傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo),式中：a0輸入量x為零時(shí)的輸出量;a1,a2,an非線性項(xiàng)系數(shù)。,.,1測(cè)量范圍和量程,傳感器所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入）xmin與最大被測(cè)量（輸入）xmax之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍（measuringrange）,表示為YFS或（xmin，xmax）。傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值之差xmaxxmin稱為量程（span）。例如一溫度傳感器的測(cè)量范圍是-30+120,那么該傳感器的量程為150。,.,靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說(shuō)問(wèn)題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。這時(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理。,3線性度(Linearity)傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示：式中：y輸出量；x輸入量；a0零點(diǎn)輸出；a1理論靈敏度；a2、a3、an非線性項(xiàng)系數(shù)。,各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。,