传感器检测技术

第一章检测技术的基本概念本章学习测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基本特性等，他们是检测与转换技术的理论基础。第一节检测技术的基本概念及方法静态测量对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。最高、最低温度计动态测量地震测量振动波形便携式仪表可以显示波形的便携式仪表直接测量电子卡尺间接测量对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。接触式测量非接触式测量例：雷达测速车载电子警察离线测量产品质量检验在线测量在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。第二节测量误差及分类绝对误差：Δ=Ax－Ａ0某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？(1-1)相对误差及精度等级几个重要公式：100%1-2xxAmm100%1-3Amm1001-4SA仪表的准确度等级和基本误差例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为2.5%。例：某指针式万用表的面板如图所示，问：用它来测量直流、交流（~）电压时，可能产生的满度相对误差分别为多少？例：用指针式万用表的10V量程测量一只1.5V干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？1、某压力表准确度为2.5级，量程为0-1.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差。2）可能出现的最大绝对误差为多少KPa？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差?mxm例题：2、现有准确度为0.5级的0-300°C的和准确度为1.0级的0-100°C的两个温度计，要测量80°C的温度，试问采用哪一个温度计好？误差产生的因素：1.粗大误差明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。2.系统误差：系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。3.随机误差在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。随机误差的正态分布规律长度相对测量值次数统计随机事例的几个例子彩票摇奖第三节传感器的定义、组成和分类方法第2章传感器概述根据中华人民共和国国家标准（GB7665-1987），传感器的定义是：指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。狭义上说：传感器就是将被测非电量转换成便于处理和传输的电信号的器件或装置。有时也会被称为换能器、变换器、探测器、测量头或一次仪表等。1、传感器定义传感器由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：敏感元件辅助电源转换元件被测非电量有用非电量有用电量转换电路电量第2章传感器概述2、传感器的组成三、传感器的组成举例：测量压力的电位器式压力传感器1-弹簧管2-电位器传感器组成框图弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。弹性敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α弹簧管放大图当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。其他各种弹性敏感元件在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。压力传感器的外形及内部结构被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-----电阻的变化（ΔR）360度圆盘形电位器右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。接地测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。分压比电路的计算公式如下：直滑电位器式传感器的输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比：oixUUL对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：oi360UU压力作用膜片形变（应变）应变片电阻改变敏感元件转换元件压力传感器示例四、传感器分类传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：１）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。本教材采用第二种分类法。作业：1、某压力表准确度为2.5级，量程为0-1.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差。2）可能出现的最大绝对误差为多少KPa？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差?mxm第三节传感器的基本特性传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。快变信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；慢变信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。第2章传感器概述2.3传感器静态特性当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。一般情况下，输入与输出特性不完全符合要求的线性关系或某种特定的函数关系。静态特性可以用函数式表示为YfX静态特性包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性等第2章传感器概述（1）线性度传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：12012nnYaaxaxax其中：X—输入量，Y—输出量；a0—x=0时的输出值a1—理想灵敏度a2,a3…..an——非线性项系数第2章传感器概述传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差表示：max100%FSLLYmaxLLFSY——最大非线性绝对误差——满量程输出——线性度YXYiXiLmaxY=kx+b第2章传感器概述maxLLFSY各种直线拟合方法第2章传感器概述（2）灵敏度在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值•对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S=ΔY/ΔX•对非线性传感器灵敏度为一变量：S=dy/dx第2章传感器概述（3）迟滞传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。第2章传感器概述迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：max/100%FSHHY例：一电子秤增加砝码10g——50g——100g——200g电桥输出0.5mv---2mv---4mv---10mv减砝码输出1mv---5mv---8mv---10mvmax21HYY为正、反行程输出值间的最大差值产生原因：由于传感器敏感元件材料的物理改制和机械另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。第2章传感器概述maxH（4）重复性传感器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。属于随机误差可用标准偏差表示：第2章传感器概述（5）稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力。闪烁探测器8小时长期稳定性测量散点图第2章传感器概述稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比表示。例：某仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV，则表示为1.2mV/(8h)环境影响量指由外界坏境变化而引起的示值变化量。由两个因素构成，一个是零漂、二是灵敏度漂移。表示环境影响量时，必须同时写出示值偏差及造成这一偏差的影响因素。例：表示电源电压变化5%时，将引起示值变化0.1uA.%)5/(1.0UA例：某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数字面板表，它的量程为0-10m（从面板表上可以看到，事实上只能显示9.99m,属于3位表），非线性训差为1.5%，使用环境温度为0-30度，温漂为0.001m/度，请确定该产品是否能满足满度相对误差不大于2.0%的要求。（6）分辨力和分辨率分辨力——传感器能够检测信号的最小变化量，是有量纲的数。对数字仪表而言，一般可以认为最后一位表示的数值就是它的分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对误差。分辨率——将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率。常以百分比或几分之一表示。第2章传感器概述2.4传感器动态特性当输入量随时间变化时,如:加速度、振动等，讨论传感器的动态特性。这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。用时域法表示成：YtfXtYjfXj用频域法表示为：第2章传感器概述动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性：除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差；传感器输出对时间变化的输入量的响应既反映了传感器的动态特性。一般用传感器对于标准动态输入信号的响应来衡量传感器的动态特性。标准动信号为正弦信号、阶跃信号和单位脉冲信号。第2章传感器概述例：动态测温•设环境温度为T0,水槽中水的温度为T,而且T＞T0传感器突然插入被测介质中；•用热电偶测温,理想情况测试曲线T是阶跃变化的；•实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程水温T℃热电偶环境温度To℃T＞To第2章传感器概述（1）传递函数传感器系统输入激励X（t)输出响应Y（t)当输入量随时间变化时，略去影响小的因素，假设传感器输入、输出在线性范围变化，它们的关系可用高阶常系数线性微分方程表示：1010nmnmnmdydydxdxaaaybxdtdxdtdtbb式中：Y—输出；X—输入；ai、bi为常数第2章传感器概述0t0y时第2章传感器概述拉氏变换的性质：1、线性组合定理L[af1(t)bf2(t)]=aL[f1(t)]bL[f2(t)]2、微分定理)0()()(ddftfstftLL0)()]([)(dtetytyLsYst0)()]([)(dtetxtxLsXst对微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数110()()nnnnysasasa110)mmmmsbsbx(s)(b传感器的传递函数：110110()()mmmmnnnnsbsbysHSasasabx(s)第2章传感器概述传递函数的特点是：（1）H（S）与输入无关，不因x(t)而异，只反应系统的特性。（2）H（S）只反应系统的响应特性，而与具体的物理结构无关。（3）S的幂次n表示系统的阶次，如n=1或n=2，分别称为一阶系统或二阶系统。（2）一阶系统的动态响应（惯性系统）一阶系统传递函数00bka10aa静态灵敏度时间常数传递函数可简化为：1()1HSs0001100()()11bbaYskHSaasasSa