第2章传感器的基础知识

第2章传感器的基础知识（2学时）本章主要内容:2.1传感器的基本概念1传感器的定义2传感器的组成3传感器的分类2.2传感器的基本特性一．静态特性：二.动态特性三．传感器的互换性2.3传感器的标定和校准一.基本概念二.传感器的标定工作分类三.静态标定四．动态标定五.标定过程步骤2.1传感器的基础知识1.传感器的定义传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。所以传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等。传感器的输出量通常是电信号，它便于传输、转换、处理、显示等。电信号有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式通常由传感器的原理确定。如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。2.传感器的基本组成传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换，因此传感器通常由敏感元件和转换元件构成。基本部分敏感元件转换元件信号调节与转换电路辅助电源被测量输出图1.2传感器的组成弱信号3.传感器的分类一般情况下，对某一物理量的测量可以使用不同的传感器，而同一传感器又往往可以测量不同的多种物理量。所以，传感器从不同的角度有许多分类方法。目前一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等；另一种是按传感器的工作原理分类。①按检测对象：温度、压力、位移等。②按传感器原理或反应效应：光电、压电、热阻等。③按传感器材料分类：半导体，有机、无机材料，生物材料。④按应用领域：化工、纺织、电力、交通等。⑤按输出信号形式：模拟和数字。2.2传感器的基本特性在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。一．静态特性：是指传感器的输入为不随时间变化的恒定信号或缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的静态特性可以用代数方程和其特性指标来描述。1.数学描述：如果不考虑迟滞及蠕变效应，其静态特性可用下列代数方程来表示：蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。nnxaxaxaay2210式中传感器的输出量传感器的输入量yxnaaa,,,10决定特性曲线的形状和位置的系数，一般通过传感器的校准试验数据经曲线拟合求得，可正可负。理想线性情况下：xay1传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取的。所谓校准试验，就是在规定的试验条件下，利用一定等级的校准设备，给传感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量，如此进行反复测试，得到输出-输入数据一般用表列出或曲线画出。2.特性指标：主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、漂移、稳定性、阈值等。(1)线性度：反应传感器输出量与输入量之间数量关系的线性程度，指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Δmax与满量程输出值FSY之比。线性度也称为非线性误差，用γ表示即：%100maxFSYyYFSx理想特性曲线实际特性曲线o(2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，其定义为输出量的增量Δy与引起该增量的相应输入量增量Δx之比。用S表示灵敏度，即xyS，它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏，如下图所示。对线性传感器：S是一个常数，对非线性传感器，S是个变量dxdyS，表示某一工作点的灵敏度。(3)迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图所示。oxyyxyxyxyx(a)(b)o图3.4迟滞特性yxHmaxYFSoyx0(a)理想线性yx0(b)只有偶次非线性项yx0(c)只有奇次非线性项yx0(d)实际特性曲线图3.1线性度对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。迟滞误差:传感器在全量程范围内最大的迟滞差值maxH与满量程输出值FSY之比，用H表示，即%100maxFSHYH产生迟滞现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的。例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。(4)重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图所示。重复性误差：属于随机误差，常用标准差σ计算，也可用正反行程中最大重复差值maxR计算。即：%10032FSRY（1）或%100maxFSRYR（2）公式（1）中分别求出全部校准数据与其相应行程的标准偏差，然后计算。前的系数取2时，误差完全依正态分布，置信率95%；取3时置信率99.73%(5)分辨力：用来表示传感器或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力，通常以最小量程的单位值表示。当被测量变化值小于分辨力时，传感器无反应。图3.5重复性yxoYFSmax2Rmax1R(6)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20℃)时的输出值的变化量与温度变化量之比(ξ)来表示，即tyyt20式中Δt——工作环境温度t与偏离标准环境温度20t之差，即20ttt；ty——传感器在环境温度t时的输出；20y——传感器在环境温度20t时的输出。(7)稳定性:传感器在相当长的时间内仍保持其性能的能力，在室温条件下，经过规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。(8)阈值：传感器产生可测输出变化量时的最小被测输入量值。二.动态特性动态特性是指传感器的输入为随时间变化的信号时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的动态特性可通过动态数学模型和动态特性指标来描述。在实际检测中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要能精确测量被测量的大小，而且能显示被测量随时间变化的规律。评价一个传感器的优劣，须从静态和动态两方面的特性来衡量。1.动态数学模型的描述：由于被测量是随时间变化的动态信号，用线性常系数微分方程来描述传感器输出量ty与输入量tx的动态关系：xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111（2-1）式中mnbbbaaa,,,,,10,10与传感器的结构特性有关的常系数，对于常见的传感器，其动态模型通常可用零阶、一阶、二阶的常微分方程来描述，分别称为零阶系统、一阶系统、二阶系统。⑴零阶系统：当式（2-1）中除了,10,aa外，其他系数均为零，则xbya00，即txkty，00abk传感器静态灵敏度或放大系数，系统为零阶系统。⑵一阶系统：当式（2-1）中除了0,10,,baa外，其他系数均为零，则xbyadtdya001即为tkxtydttdy，系统为一阶系统或惯性系统。时间常数，k静态灵敏度。不带套管热电偶测温系统可看作一介系统。⑶二阶系统：二阶系统的微分方程：xbyadtdyadtyda001222，改写为：tkxtydttdydttydannn222222阻尼比，k静态灵敏度，n系统的固有频率。二阶系统分为两种情况：二阶惯性系统（特征方程为两个负实根）和二阶振荡系统（特征方程为一对带实部的共轭复根）。如带有套管热电偶、RLC振荡电路均可看作二阶系统。用微分方程作为传感器的数学模型的优点是：通过求解微分方程容易分清暂态分量和稳态分量。求解微分方程很麻烦，通常用传递函数来研究传感器的动态特性。2.动态特性的主要指标：研究传感器的动态特性有时需要从时域对传感器的响应和过度过程进行分析，在进行时域分析时常用的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号。时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。⑴单位阶跃响应性能指标二阶传感器：二阶传感器的单位阶跃响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率n。同值不同，衰减快慢就不衰减的振荡过程振荡的衰减过程临界阻尼，也是一个不过程过阻尼，不振荡的衰减无阻尼，等幅振荡,)1,0(110n由传感器结构参数决定，它即为等幅振荡的频率，n越高，传感器的响应越快。如图1所示为衰减振荡的二阶传感器输出的单位阶跃响应曲线，单位阶跃响应的性能指标主要有：图1二阶传感器的单位阶跃响应曲线峰值时间pt——振荡峰值所对应的时间；最大超调量P——响应曲线偏离稳态值的最大值；上升时间rt—响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间；延迟时间dt——响应曲线上升到稳态值的50%所需的时间；调节时间st——响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。误差带通常规定为稳态值的±5%或±2%；稳态误差SSe——系统响应曲线的稳态值与希望值之差。一阶传感器如图2所示为一阶传感器输出的单位阶跃响应曲线，单位阶跃响应的性能指标主要有：时间常数τ——一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间；延迟时间dt——传感器输出达到稳态值的50%所需的时间；上升时间rt——传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。图2一阶传感器的单位阶跃响应曲线图1，2一、二阶传感器时域动态响应特性⑵频域频率特性性能指标一阶传感器频率特性如图3.9所示，主要指标：时间常数、截止频率。截止频率：幅值下降到，它反映传感器的响应速度，截止频率越高，传感器的响应速度越快。对一阶传感器，其截止频率为1。二阶传感器频率特性如图3.11所示，主要指标有：通频带、工作频带、时间常数、固有频率、相位误差、跟随角。通频带（707.0）：传感器在对数幅频特性曲线上衰减3dB时所对应的频率范围。图3.9一阶传感器的频率特性(a)幅频特性(b)相频特性21.00.70.50.40.30.20.10.10.20.51.02510A()0.50.20.11.025100o－20o－40o－60o－80o()w图3.11二阶传感器的频率特性10750.10.20.51.025104321.00.70.50.30.20.070.050.030.020.10.01＝0.10.20.40.60.81.0nA()(a)0°－40°－80°－120°－160°()0.10.20.510521.0n(b)＝0.10.20.40.60.81.0幅频特性相频特性工作频带90.095.0：当传感器的幅值误差为±5%或±10%时其增益保持在一定值内的频率范围。固有频率n：相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值。跟随角707.0：当707.0时，对应于相频特性上的相角。时间常数：表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越宽三．传感器的互换性指被同样的传感器替换时，不需要对其尺寸及参数进行调整，仍能保证误差不超过规定的范围。2.3传感器的标定和校准一.基本概念1.标定：是利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度。2.校准：是指对传感器在使用中和储存后进行的性能再次测试。标定的基本方法是利用标准仪器产生已知的非电量并输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的