現(xiàn)代檢測技術(shù) 傳感器特征

現(xiàn)代檢測技術(shù)傳感器特征第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類傳感器的國家標(biāo)準(zhǔn)定義為能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器的通常定義為“能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件或裝置”或“能把非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件或裝置”。傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成，如圖3-1所示。第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類圖3-1傳感器組成框圖第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類我們所要測量的非電量并不是我們所持有的轉(zhuǎn)換元件所能轉(zhuǎn)換的那種非電量，這就需要在轉(zhuǎn)換元件前面增加一個能把被測非電量轉(zhuǎn)換為該轉(zhuǎn)換元件能夠接受和轉(zhuǎn)換的非電量的裝置或器件。這種能把被測非電量轉(zhuǎn)換為可用非電量的器件或裝置稱為敏感元件。轉(zhuǎn)換元件所轉(zhuǎn)換得到的電量并不是后面的顯示記錄電路所能直接利用的。例如，電阻式應(yīng)變傳感器把應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，電阻雖然屬電量，但不能被電壓顯示儀表所接受。第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類接在轉(zhuǎn)換元件后面具有這種功能的電路，稱之為測量電路或傳感器接口電路。例如，電阻應(yīng)變片接入電橋，將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，這里電橋便是電阻傳感器常用的測量電路。有些國家和有些學(xué)科領(lǐng)域，也將傳感器稱為變換器、檢測器或探測器。凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器稱為變送器。也就是說，變送器是傳感器配接能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的接口電路后構(gòu)成的將非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號的器件或裝置。第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類

國際電工委員會將4~20mA直流電流信號和1~5V直流電壓信號確定為過程控制系統(tǒng)電模擬信號的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。所以變送器通常就是指將非電量轉(zhuǎn)換為4~20mA直流電流信號的器件或裝置。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類3.1.2傳感器的分類按基本效應(yīng)傳感器一般都是根據(jù)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的效應(yīng)和規(guī)律設(shè)計而成的，因此大體上可分為物理型、化學(xué)型和生物型三大類?；瘜W(xué)型傳感器是利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機和有機化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。生物型傳感器是利用生物活性物質(zhì)選擇性，識別和測定生物和化學(xué)物質(zhì)的傳感器。第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類按構(gòu)成原理按照構(gòu)成原理，物理型傳感器又可分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。物性型傳感器是利用其物理特性變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，例如，水銀溫度計是利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象把溫度的變化轉(zhuǎn)換成水銀柱的高低，實現(xiàn)溫度的測量。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，例如變極距型電容式傳感器是利用極板間距離的變化來實現(xiàn)測量的。第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六按能量轉(zhuǎn)換原理根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理可分為有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器將非電量轉(zhuǎn)換為電能量（如電動勢、電荷式傳感器等），也稱為能量轉(zhuǎn)換型傳感器。通常配有電壓測量和放大電路，如光電式傳感器、熱電式傳感器均屬于此類傳感器；無源傳感器不起能量轉(zhuǎn)換作用，只是將被測非電量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的量，也稱為能量控制型傳感器。如電阻式、電感式及電容式傳感器等。3.1傳感器的定義及分類第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類按輸出信號的性質(zhì)根據(jù)輸出信號的性質(zhì)可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。即模擬式傳感器輸出連續(xù)變化的模擬信號，數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號。按輸入物理量根據(jù)輸入物理量可分為位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器及流量傳感器等。按工作原理根據(jù)工作原理可分為電阻式、電感式、電容式及光電式等。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.1傳感器的定義及分類按測量方式分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器。接觸式傳感器與被測物體接觸，如電阻應(yīng)變式傳感器和壓電式傳感器。非接觸式傳感器與被測物體不接觸，如光電式傳感器、紅外線傳感器、渦流傳感器和超聲波傳感器等。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性檢測系統(tǒng)（傳感器）特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。一個測量系統(tǒng)（儀表或裝置），由于輸入信號的這種不同性質(zhì)，就有所謂靜態(tài)特性和動態(tài)特性。第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性3.2.1傳感器的靜態(tài)特性一、靜態(tài)測量和靜態(tài)特性靜態(tài)測量是指測量過程中被測量保持恒定不變（即系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)）時的測量。靜態(tài)特性表示測量儀表在被測物理量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入—輸出關(guān)系。輸出信號與輸入信號之間的函數(shù)關(guān)系，一般用代數(shù)方程多項式表示：(3-1)第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性式中，—輸出量；—輸入量（被測量）；—零點輸出（檢測系統(tǒng)的零位值）；—理論靈敏度；、、…、—非線性項系數(shù)；、、、、…、—標(biāo)定系數(shù)，它決定靜態(tài)特性曲線的形狀和位置。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性這種多項式代數(shù)方程可能有多種情況：理想線性，在這種情況下，，因此得到：因為直線上任何點的斜率都相等，所以傳感器的靈敏度為在坐標(biāo)原點附近相當(dāng)范圍內(nèi)輸出—輸入特性基本呈線性。在這種情況下，(3-1)中除線性項外只存在奇次非線性項，即：對應(yīng)的曲線為第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性輸出—輸入特性曲線不對稱，這時(3-1)中，除線性項外非線性項只是偶次項，即：

普遍情況下的表達式是(3-1)所對應(yīng)的特性。由上可知，傳感器的輸出不可能絲毫不差地反映被測量的變化，總存在著一定的誤差。第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性二、靜態(tài)特性的校準(zhǔn)（標(biāo)定）條件――靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件。檢測系統(tǒng)(傳感器)的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進行校準(zhǔn)（標(biāo)定）的。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測量）；環(huán)境溫度一般為室溫；相對濕度不大于85%；大氣壓力為()的情況。第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性測量范圍和量程1、測量范圍：（、）――檢測系統(tǒng)所能測量到的最小被測輸入量（下限）――檢測系統(tǒng)所能測量到的最大被測輸入量（上限）測量范圍是指檢測系統(tǒng)所能測量到的最小被測輸入量（下限）至最大被測輸入量（上限）之間的范圍，即（、）2、量程：檢測系統(tǒng)測量上限和測量下限之代數(shù)差，即例如：-40~100℃的溫度檢測系統(tǒng)，其量程為140℃；又如10g~20g的加速度檢測系統(tǒng)，其量程為10g。3.2.2檢測系統(tǒng)(傳感器)的靜態(tài)性能指標(biāo)第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性靈敏度靈敏度是檢測系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下的輸出變化與輸入變化比值，用K來表示，即

由n個串聯(lián)環(huán)節(jié)組成的開環(huán)系統(tǒng)如圖3-2所示。第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性圖3-2串聯(lián)環(huán)節(jié)組成的開環(huán)系統(tǒng)方框圖第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六若檢測系統(tǒng)是由靈敏度不同的多個相互獨立的環(huán)節(jié)串聯(lián)而成時，該檢測系統(tǒng)的總靈敏度為各組成環(huán)節(jié)的靈敏度的乘積。(3-2)3.2傳感器的基本特性第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性分辨力與分辨率1、分辨力：能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量。2、分辨率：全量程中最大的即與滿量程L之比的百分?jǐn)?shù)。3、闕值：即零位附近的分辨力，也就是指能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值。分辨率與分辨力都是用來表示儀表或裝置能夠檢測被測量的最小量值的性能指標(biāo)。前者是以最大量程的百分?jǐn)?shù)來表示，是一個無量綱的比率的量。后者是以最小量程的單位值來表示，是一個有量綱的量值。第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性線性度對于實際的傳感器測出的輸出—輸入校準(zhǔn)（標(biāo)定）曲線與其理論擬合直線之間的偏差就稱為該傳感器的“非線性”，或稱“線性度”，通常用相對誤差表示其大小，即相對應(yīng)的最大偏差與滿量程（）輸出比值的百分?jǐn)?shù)（%）來表示：

(3-3)

式中，為非線性誤差（線性度）；為輸出平均值與基準(zhǔn)擬合直線的最大偏差；為滿量程輸出的平均值。第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性由此可見，非線性誤差的大小是以一定的擬合直線或理想直線作為基準(zhǔn)直線算出來的，因此，基準(zhǔn)直線不同所得出的線性精度就不一樣。一般并不要求擬合直線必須通過所有的檢測點，而只要找到一條能反映校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的一般趨勢同時又使誤差絕對值為最小的直線就行。第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性下面介紹幾種不同線性度的定義和表達方法。端基線性度—把檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點輸出平均值和滿量程輸平均值連成直線，作為檢測系統(tǒng)特性的擬合直線，其方程式為：式中，y為輸出量；x為輸入量；b為y軸上的截距；k為直線的斜率。如圖3-3所示為一檢測系統(tǒng)的輸出—輸入實測曲線，根據(jù)端基法作擬合直線第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性圖3-3端基線性度的擬合直線第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性其方程式所以第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性式中，p為被測壓力；ps為傳感器的測量壓力范圍；U為傳感器的輸出量；U0為零點輸出平均值；為滿量程輸出平均值。這種擬合方法簡單直觀，應(yīng)用比較廣泛，但因沒有考慮所有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的分布，擬合精度很低，尤其當(dāng)傳感器有比較明顯的非線性時，擬合精度更差。第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性平均選點線性度—為了尋找較理想的擬合直線，可將測量得到的n個檢測點分成數(shù)目相等的兩組：前半部n/2個檢測點為一組；后半部n/2個檢測點為另一組。兩組檢測點各自:具有“點系中心”。檢測點都分布在各自的點系中心周圍，通過這兩個“點系中心”的直線就是所要的擬合直線。第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性圖3-4平均選點的擬合直線第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性前半部個檢測點的點系中心A的坐標(biāo)為：

后半部個檢測點的點系中心B的坐標(biāo)為：第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性最小二乘法線性度擬合直線方程通式為y=b+kx。假定實際校準(zhǔn)點有個n，第i個數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器后對應(yīng)的輸出值是yi，第i個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)在擬合直線上相應(yīng)的輸出值為kxi-b，則第i個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上相應(yīng)值之間的殘差為：第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期六3.2傳感器的基本特性遲滯遲滯特性表明了檢測系統(tǒng)在正(輸入量由小增大)反（輸入量自大減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合（特性不一致）的程度。遲滯誤差一般以全量程中最大的遲滯與滿量程輸出值之比的百分?jǐn)?shù)表示,即