哈工大传感器原理及应用知识点(综合各位老师ppt)

第0章绪论1、传感器的定义：国家标准（GB7665-1987）能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。基本含义：①是测量装置，能完成部分检测任务；②输入量是某一物理量（物理量、化学量或生物量）；③输出某种物理量，便于转换和处理，但主要是电物理量；④输出与输入有对应关系，且有一定精确程度。2、传感器的作用：一感二传，即感受被测信息，并传送出去。3、传感器的组成①敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。②转换元件：敏感元件的输出就是他的输入，它把输入转换成电路参量。③基本转换电路：能把传感元件输出的电量转换为便于处理、传输、记录、显示和控制的有用电信号的电路。不同种类的传感元件有不同种类的变换电路与之适应，在研究传感技术时，应把传感元件和变换电路作为一个统一体来考虑。④辅助电路：通常包含电源等。4、传感器分类(物理+化学+生物；物性型+结构型；能量控制型+能量转换型)按照物理原理分类：①电参量式：电阻式、电感式、电容式；②磁电式：磁电感应式、霍尔式；③压电式；④光电式：光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式；⑤热电式⑥超声波式、微波式。按照用途分类：位移(线+角)、速度(线+角)、加速度(线+角)、压力、时间(频率)、温度、光。5、传感器的发展趋势：①扩展检测范围②提高检测性能③传感器的集成化、功能化、智能化④新领域、新原理的传感器。第1章传感器的一般特性1.0概述当输入量为常量或变化极慢时，这输入输出关系称为静态特性（线性模型：y=a0+a1x或y=ax）；当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性（微分方程、传递函数）。传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程．将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。1.1传感器的静态特性（±符号+单位）静态特性:传感器在被测量处于稳定状态时的输入与输出特性。此特性可用数据表格或曲线等方式表示。以x表示输入量，y表示输出量，静态特性可以用函数式表示为：y=f(x)。理想传感器的静特性：①输入与输出具有唯一对应关系；②输入与输出成线性关系变化。实际中并不满足，解决措施：①传感器自身性能改善；②外界条件加以限制。1、测量范围和量程测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值。测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值。测量范围：测量下限和测量上限表示的测量区间。量程＝测量上限－测量下限。2、线性度(γL)：又称非线性误差，是指实际曲线与拟合曲线的最大偏差，通常用相对误差γL表maxL为最大非线性绝对误差，FSy为满量程输出。示，即，线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数。理想传感器的输入输出特性成线性关系，主要优点是：①可大大简化传感器的理论分析和设计计算；②为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输入输出特性上的两点(一般为零点和满度值)就可以确定其它各点；③可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制做、安装、调试容易，提高量精度；④避免了非线性补偿环节。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出的。拟合直线不同，非线性误差也不同。拟合方法(以获得最小的非线性误差)：①理论拟合(简单，Lmax较大)②过零旋转拟合(12maxLLL)③端点连线拟合(Lmax较大)④端点平移拟合(L2=|L1|=|L3|=Lmax)⑤最小二乘拟合y=kx+b22()iiiiiinxyxyknxx(左先积后和乘n，右先和后积)，bykx。常用:过零点最小二乘。根据i(kxb)iiy可求出最大残差，进而可以求出非线性误差。 3、灵敏度(mv/mm)：传感器输出变化量Δy与引起该变化量的输入变化量Δx之比为其静态灵敏度。/kyx。传感器输出曲线斜率就是其灵敏度。对具有线性特性的传感器，其特性曲线斜率处处相同，灵敏度k为一常数，与输入量大小无关。非线性传感器灵敏度为一变量(只能表示传感器在某一工作点的灵敏度)：/kdydx。灵敏度误差用相对误差表示(/)100%skk 4、迟滞(%)又称回程误差(绝对误差)：传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象。迟滞误差一般以满量程输出百分数表示，即HHmax(12)(Δ)100%FSγ//y，HmaxΔ为正、反行程输出的最大差值。传感器正、反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差(有单位)。产生迟滞误差的原因：由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。 5、重复性R (随机误差)：传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得输出特性不一致的程度。正行程最大重复性误差max1R，反行程最大重复性误差max2R。取两者最大为Rmax，则RmaxFS(/y)100%R 6、分辨力(率)：传感器能够检测到的最小输入增量，表征测量系统的分辨能力。分辨力用绝对数值表示(单位)，分辨率是相对数值%。阈值为系统输入零点附近的分辨力。 7、稳定性：①时间稳定性②温度稳定性③抗干扰稳定性。(可用相对误差表示，也可用绝对误差表示)8、精确度：精密度与准确度的总和，测量误差的相对值表示100%FSAAY，其中A为传感器的精确度，ΔA为测量范围内允许的最大绝对误差， YFS为满量程输出。精密度：在同一测量条件下重复对被测量测量所得测量结果的分散程度，越小越精密。准确度：测量结果偏离真值大小的程度。 9、静态测量不确定度(静态误差)：是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值可能偏离程度。 求取方法：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标准偏差，即211()1niiyn。iy为各测试点残差，n为测试点数。取2或者3为传感器静态误差。警惕啊误差也可用相对误差来表示，即=(3/)100%FSy。静态误差是一项综合性指标，它基本上包括了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等。 10、误差表达 绝对误差：测量结果与被测参量真值之间的差值的绝对值。|X‐Q| 相对误差：测量的绝对误差与被测量真值的比值。/Q×100% 引用误差：测量的绝对误差与仪表的满量程之比。m/yFS×100%   1.2传感器动特性 动态特性定义: 指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性一般是采用正弦函数得到频率响应特性。通常认为可以用线性时不变系统理论来描述传感器的动态持性。线性时不变系统重要性质—叠加性和频率保持性：也就是说，各个输入所引起的输出是互不影响的。 常用数学模型：①常系数线性微分方程②传递函数(初始条件为零，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比)。110110Y()()X()mmmmnnnnbsbsbsWssasasa 所有系数都是实数，m≤n 零阶传感器：零阶系统是个特例，n=0，无时间滞后，00byxkxa，例如，电位器式传感器。一阶传感器：00()()()idytaaytbxtdt可改写成0100()()()badytytxtadta一阶系统，n=1，010()bWsasa，例如液体温度传感器。00011100Y()()X()11bbaskWsasasassa，00bka为静态灵敏度，10aa为时间常数。二阶传感器：02210()bWsasasa，例如，如电动式测振传感器等。202122210Y()()X()2ooobksWssasasass，02/oaa为无阻尼固有频率，1022aaa为阻尼比，00/kba为静态灵敏度。一阶传感器的阶跃响应：11()()()1YsXsWsss，()(1)tytke。单位阶跃的响应信号是指数函数，输出曲线成指数变化逐渐达到稳定。时间常数τ越小越好，是反映一阶传感器的重要参数。二阶传感器的阶跃响应：2221()()()2oooYsWsXssss，2()1sin()1oteytt，①ξ=0,零阻尼,等幅振荡，产生自激永远达不到稳定；②ξ1,欠阻尼,衰减振荡,达到稳定时间随ξ下降加长；③ξ=1,临界阻尼，响应时间最短；④ξ1,过阻尼，稳定时间较长。一阶传感器的频率响应：221()sin()()sin()1yttAt，幅频特性：221()1A，相频特性：()arctan()。二阶传感器的频率响应：幅频特性：2221()1()(2)ooA，相频特性：122()tan1()oo1.3传感器的标定传感器的标定有静态标定和动态标定两种。动态特性实验确定法：①阶跃信号响应法②正弦信号响应法③随机信号响应法④脉冲信号响应法。第2章电阻式传感器基本原理：将被测的非电量转换成电阻值的变化，通过测量电阻值变化达到测量非电量的目的。电阻式传感器可以测量力、压力、扭矩、位移、应变、加速度、温度等非电量参数。一般来说，电阻式传感器结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的还适合动态测量。按照工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式等。电阻式传感器的敏感元件有应变片、半导体膜片和电位器。电阻应变式传感器(一般有弹性元件和电阻应变片构成)。2.0电位器式传感器1、电位器式传感器的种类电位器是一个机电传感元件，它作为传感器可以将机械位移或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。电位器式传感器的种类：①线绕电位器；②合成膜电位器；③金属膜电位器；④导电塑料电位器；⑤导电玻璃釉电位器；⑥光电电位器2、线绕电位器式传感器工作原理及结构下图中：Vi—电位器输入电压；V0—电位器输出电压R—电位器总电阻；L—电位器总行程；x—电刷行程；r—电刷行程x处对应电阻；b—骨架宽度；h—骨架高度；t—线绕节距；RL—负载电阻。3、线性线绕电位器电输出特性视在分辨力为iVVn；n为电位器线圈总匝数。②负载误差RL＝，0iiVVVrxRL。在RL≠02iLLLLVrRrRVIrRRRrRr。由负载电阻为有限值产生相对误差'002'01100%1100%1LLLVVrrrVRRR若令负载系数m＝R/RL，行程比X＝r/R=x/L，则有11100%1(1)LrmXX，求导得12X，RL取极大值，即12xL。结论：可见相对负载误差在x=1/2L处有极值（负载误差最大）。2.1电阻应变片的工作原理当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。长为L、截面积为S、电阻率为的金属或半导体丝，电阻为lRS。/ll为电阻丝轴向应变，用表示(单位为1-6=10/mmmm)。电阻丝纵向伸长和横向收缩关系用泊松比μ表示，0/(12)RlkRl，K0为金属电阻的灵敏系数，其受两个因素影响：一个是(1+2μ)，它是由材料的几何尺寸变化引起的；另一个是/()，它表示材料的电阻率随应变而变化(压阻效应)。对金属材料而言，以第一项为主，第二项可忽略不计，012k，通常金属丝的02k。对半导体而言，主要以第二项为主，第一项可忽略不计。故半导体的灵敏系数要比金属大得多。图中l称为应变片的基长，b称为应变片的基宽；lb称为应变片的使用面积。应变片优点：①测量灵敏度和精度高。②尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。既可用于静态测量，又可用于动态测量。③测量范围大。既可测量弹性形变