傳感器原理及工程應用 第2章dk課件

1、傳感器的定義中華人民共和國國家標準GB766587傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件（Sensing element）是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件（Transduction element）是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。第2章 傳 感 器 概 述2.1傳感器的組成和分類傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。傳感器的輸出信號通常是電量,

2、它便于傳輸、 轉換、 處理、 顯示等。 電量有很多形式, 如電壓、電流、電容、電阻等, 輸出信號的形式由傳感器的原理確定。傳感器組成框圖如圖 所示。 信號調理轉換電路輔助電源轉換元件敏感元件被測量3傳感器的分類1)按被測物理量來分，位移、力傳感器、溫度傳感器等。2)按傳感器工作原理來分，機械式、電氣式、輻射式等。3)按信號變換特征來分，可分為物性型和結構型。物性型:利用敏感器件材料物理性質變化實現(xiàn)信號的檢測。結構型:通過傳感器本身結構參數(shù)變化來實現(xiàn)信號轉換的。4)按被測量之間的關系，分為能量轉換型和能量控制型。能量轉換型(無源傳感器)由被測對象輸入能量使其工作。(5) 按輸出量的性質分為模擬式

3、和數(shù)字式兩種前者輸出連續(xù)變化的模擬量，而后者輸出為數(shù)字量。傳感器技術是一門知識密集型技術, 它與許多學科有關。傳感器的原理各種各樣，種類繁多1、傳感器靜特性包含哪些主要指標，各有何作用？2、什么是動態(tài)特性，什么是動態(tài)誤差？什么是傳感器的基本動態(tài)特性方程 ？3、什么是零階系統(tǒng)，什么是一階系統(tǒng)，什么是二階系統(tǒng)，其動態(tài)特性方程如何表示 ？4、什么是頻率響應；什么是階躍響應？5、瞬態(tài)響應特性指標有哪些？頻率響應特性指標有哪些？6、傳感器的命名與圖形代號是怎樣規(guī)定的？7、傳感器的主要性能指標有哪些？本節(jié)主要內容與問題8、什么是傳感器的標定，如何進行標定？傳感器能感受被測非電量的變化并將其不失真地變換成相

4、應的電量,對參數(shù)進行檢測和控制,這取決于傳感器的基本特性, 即輸出輸入特性。2.2傳感器的基本特性傳感器的靜態(tài)特性:被測值處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸出輸入關系 傳感器可看作二端口網絡, 即有兩個輸入端和兩個輸出端, 傳感器的輸出-輸入特性是與內部結構參數(shù)有關的外部特性。傳感器的基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。2.2.1 傳感器的靜態(tài)特性輸入量與輸出量之間的關系式中不含有時間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、 靈敏度, 遲滯和重復性等 傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關系的線性程度。輸出輸入關系可分為線性特性和非線性特性。1. 線性度實際的傳感器多為非線性,如果不考慮遲滯和蠕變等因素

5、, 傳感器的輸出與輸入關系可用一個多項式表示：y=a0+a1x+a2x2+anxn使用中, 為了標定和處理方便, 希望得到線性關系, 因此引入各種非線性補償環(huán)節(jié)。如采用非線性補償電路或計算機軟件進行線性化處理, 從而使其為線性或接近線性。如方次不高, 變化小時, 可用擬合直線替代。 實際特性曲線與擬合直線之偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度）, 通常用相對誤差L表示, 即 從圖可見, 同類傳感器, 擬合直線不同,其線性度也是不同的。用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度高。 3. 遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯, 如圖所示。 對于同

6、一大小的輸入信號, 正反行程輸出大小不相等。主要原因:傳感器敏感元件材料的物理性質和機械零部件的缺陷所造成的。遲滯大小通常由實驗確定。遲滯誤差H可由下式計算:5. 靜態(tài)誤差（精度）靜態(tài)誤差是指傳感器在全量程內任意點的輸出值與理論值的偏離程度。全部校準數(shù)據(jù)與擬合直線對應值的殘差屬于隨機誤差, 其標準偏差為靜態(tài)誤差6. 閾值與分辨率閾值指傳感器從零點增加時，使輸出值變化的最小輸入值分辨率：傳感器能檢測到的最小輸入增量，可用絕對值和滿量程的百分比表示。閾值即零點處的分辨率動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。2.2.2 傳感器的動態(tài)特性當被測量是時間的函數(shù)時, 則傳感器的輸出量也是時間的

7、函數(shù),其關系要用動態(tài)特性來表示。動態(tài)特性好的傳感器, 其輸出再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律, 即具有相同的時間函數(shù)。動態(tài)測溫的問題。實際上除了具有理想的比例特性外, 輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù),這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。 一、傳感器的基本動態(tài)特性方程 傳感器的動態(tài)特性方程用該方程描述的即稱為零階系統(tǒng) 傳感器一般可以簡化為零階、一階或二階系統(tǒng)1）零階系統(tǒng)：方程中除a0、b0外其他系數(shù)均為零即：k= b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度高階傳感器系統(tǒng)可一般分解成若干低階環(huán)節(jié)串聯(lián)。零階系統(tǒng)具有理想的動態(tài)特性，無時間滯后，輸出不失真，也稱為比例系統(tǒng)。 2）一階系統(tǒng) t=a1/ a0為傳

8、感器時間常數(shù)，具有時間的量綱，時間常數(shù)反映傳感器慣性大小。傳感器的動態(tài)特性方程用該方程描述的即稱為一階系統(tǒng) 一階系統(tǒng)也稱為慣性系統(tǒng) k= b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度，說明其靜態(tài)精度3)二階系統(tǒng) 稱為阻尼系數(shù)二階慣性系統(tǒng)：特征根為兩個負實根，相當慣性系統(tǒng)串聯(lián)二階振蕩系統(tǒng)：特征根為帶負實部的共軛復根 稱 為傳感器固有頻率k= b0/a0為傳感器的靜態(tài)靈敏度傳感器的輸入量隨時間變化的規(guī)律是各種各樣的, 在對傳感器動態(tài)特性進行分析時，采用最典型、最簡單、易實現(xiàn)的正弦信號和階躍信號作為標準輸入信號。輸入正弦信號稱頻率響應；輸入階躍信號稱階躍響應動態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關之外, 還與傳感器輸入

9、量的變化形式有關。二、傳感器的動態(tài)響應特性在研究傳感器動特性時, 通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來考察傳感器的響應的。對初始狀態(tài)為零的傳感器, 當輸入一個單位階躍信號x(t)=0 t01 t0由于x(t)=1(t), x(s)=傳感器輸出的拉氏變換為: Y(s)=H(s)X(s)=一階傳感器的單位階躍響應信號為相應的響應曲線如圖理論上只在t時才達到穩(wěn)態(tài)值, 當t=4時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的98.2%, 認為已達到穩(wěn)態(tài)。越小, 響應曲線越接近輸入階躍曲線, 值是一階傳感器重要性能參數(shù) 2) 二階傳感器的單位階躍響應當k=1時二階傳感器的傳遞函數(shù):二階傳感器的微分方程為 傳感器輸出的拉氏變換:二階傳感器對

10、階躍信號的響應在很大程度上取決于阻尼比和固有頻率n。n由傳感器主要結構參數(shù)所決定,n越高, 傳感器的響應越快。當n為常數(shù)時, 傳感器的響應取決于阻尼比。3) 瞬態(tài)響應特性指標時間常數(shù):一階傳感器時間常數(shù)越小, 響應速度越快延時時間:傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需時間。上升時間:傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需時間。峰值時間:傳感器輸出到達第一個峰值所需時間。 超調量:傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。 衰減比:傳感器輸出第一個峰值與第二個峰值之比。將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用j代替后, 即可得頻率特性表達式, 即相頻特性 ()=-arctan() 幅頻特性2. 頻率響應特性傳感器對正弦輸入信號

11、的響應特性, 稱為頻率響應特性。1) 一階傳感器的頻率響應頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究其動態(tài)特性。2) 二階傳感器的頻率響應頻率特性表達式為 幅頻特性表達式為 相頻特性表達式為 二階傳感器的頻率響應特性曲線傳感器的頻率響應特性的好壞主要取決于傳感器的固有頻率n和阻尼比當1時, A（）1, （）很小, 此時, 傳感器的輸出y(t)再現(xiàn)了輸入x(t)的波形。固有頻率n至少應大于被測信號頻率的 35 倍, 即n（35）。為了減小動態(tài)誤差和擴大頻率響應范圍, 一般是提高傳感器固有頻率n。剛度k增加, 會使傳感器靈敏度降低。所以在實際中, 應綜合各種因素來確定傳感器的各個特征參數(shù)。 3) 頻率

12、響應特性指標1) 頻帶:傳感器增益保持在一定值內的頻率范圍為傳感器頻帶或通頻帶, 對應有上、下截止頻率。2) 時間常數(shù):用時間常數(shù)來表征一階傳感器的動態(tài)特性。越小, 頻帶越寬。3)固有頻率n:固有頻率n表征了其動態(tài)特性。 3、圖形符號基本符號如圖，三角表示敏感元件，矩形表示轉換元件被測量符號寫入三角內，轉換原理符號寫入矩形內電氣引線由矩形三邊垂直引出x*x輸入輸出x1、可靠性工作壽命、平均無故障時間、疲勞性能等。2. 3.2 傳感器的性能指標2、靜態(tài)精度靜態(tài)誤差、線性度、重復性、靈敏度、穩(wěn)定性指標等。3、動態(tài)性能固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應范圍、臨界速度等。4、量程量程范圍、過載能力等

13、。5、抗干擾能力抗外界電磁波、振動、沖擊、速度、噪聲干擾能力等。6、外形尺寸使用者設計安裝依據(jù)。7、通用性、性價比、能耗。8、對被測對象的影響。傳感器的標定：利用標準器具對傳感器進行標度稱為標定傳感器的校驗：對使用的傳感器進行性能復測稱為校驗傳感器的標定與校驗均是通過實驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系并確定其誤差范圍基本方法是利用標準設備產生已知的非電量作為輸入量，輸入待測傳感器，得出輸出量，獲得標定曲線傳感器的標定分為靜態(tài)與動態(tài)兩種2.3.3 傳感器的標定與校驗2、標定儀器設備精度標定儀器設備精度必須高于被標定傳感器一個等級以上3、靜態(tài)特性的標定方法1）將傳感器全量程分成若干個等間距點2）由小到大逐增輸入標準量記錄相應輸出值3）由大到小逐減輸入標準量記錄相應輸出值4）重復2)-3),循環(huán)多次測量將相應輸入輸出值列表5）對測量數(shù)據(jù)進行處理確定線性度、靈敏度、遲滯等2.3.3.1 傳感器的靜態(tài)標定用于確定傳感器靜態(tài)特性指標如線性度、靈敏度、遲滯等1、靜態(tài)標準條件無沖擊振動,加速度,溫度205,濕度85%,大氣壓(1017)kPa輸入標準激勵信號(階躍信號或正弦信號)使傳感器振動，記錄其運動狀態(tài)確定其動態(tài)參量2.3.3.2 傳感器的動態(tài)標定用于確定傳感器動態(tài)特性指標如時間常數(shù),固有頻率,阻尼比一