智能传感器系统-刘君华第2章

第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2.1传感器系统的基本特性2.2几种传感器工作原理2.3提高传感器性能的技术途径第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2.1传感器系统的基本特性图2-1传感器系统第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础对传感器系统的基本特性研究，第一，用作为一个测量系统。这时必须已知传感器系统的基本特性，才能测量输出信号y(t)。这样可通过基本特性和输出来推断导致该输出的系统的输入信号x(t)。这就是未知被测物理。第二，用于传感器系统本身的研究、设计与建立。这时必须观测系统的输入x(t)及与其相应的输出y(t)，才能推断建立系统的特性。如果系统特性不满足要求，则应修改相应的内部参数，直至合格为止。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2.1.1静态特性又称“刻度特性”、“标定曲线”或“校准曲线”。它表示当输入系统的被测物理量x(t)为不随时间变化的恒定信号，即x(t)=常量时，系统的输入与输出之间呈现的关系。通常，静态特性可由如下的多项式来表示：nnssxsxssy2210式中：s0,s1,s2,…,sn——y——x——输入量。(2-1)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础一、静态特性的基本参数1.零位(零点)当输入量为零即x=0时,传感器系统(以下简称系统)输出量y不为零的数值，由(2-1)式可得零位值为00sy如图2-2所示。零位值应从测量结果中设法消除。(2-2)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础图2-2静态特性第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2.量程Y(FS)量程又称“满度值”，它表征系统能够承受最大输入量xFS的能力。其数值是系统示值范围上、下限之差的模。当输入量在量程范围以内时，系统正常工作并保证预定的性能。注意，对于输出标准化的传感器系统，我们把它称为“变送器”，零位值y0=s0=4mA上限值yFS=20mA量程Y(FS)=16mA第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础3.灵敏度表征系统对输入量变化反应的能力。其数值由系统输出变化量Δy与引起该变化的输入变化量Δx的比值S来表示)()(输入量的变化量输出量的变化量xyS输入量与输出量也可以采用相对变化量形式，如Δy/y,Δx/x,与之相对应的灵敏度也可有多种表达形式，如xyySxxyS或(2-3)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础图2-3实际的多输入系统第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础如果采用一个压力传感器系统测量气缸内工作气体的压力，但是实际工作气体压力变化ΔxP的过程必然伴随着温度的变化ΔxT，传感器系统的供电电压在测量期间也不可能绝对恒定，而有变化ΔxV，这时的传感器系统至少是一个三输入(ΔxP,ΔxV,ΔxT)—单输出Δy系统。如果每个输入量的变化都能引起输出量的变化，则该系统存在“交叉灵敏度”:PPxySTTxySVVxyS第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础对于一个存在交叉灵敏度的传感器系统，一定是一个低精度、性能不稳定的系统。经典的传感器系统没有能力从输出改变量Δy来精确推断某一个输入量的变化值，如ΔxP，因为这时可能ΔxP=0，根本没改变；输出改变量Δy的产生可能是温度变化ΔxT或电压变化ΔxV引起的。对于经典传感器系统，通常都存在着对工作环境温度、供电电压的交叉灵敏度。人们一直都在为减小交叉灵敏度而努力，如采用稳压源、恒流源供电，采用各种温度补偿措施降低温度的交叉灵敏度。智能传感器系统依靠强大的软件功能在降低交叉灵敏度方面有重大突破。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础4.分辨率又称“灵敏度阈”或“分辨力”，它表征系统有效辨别输入量最小变化量的能力。具有A/D转换器的传感器系统，其分辨率为一个量化值q对应的输入变化量。这就要求传感器系统设置合理的放大倍数。采取有效消除干扰、抑制噪声的措施，把噪声电平压制在半个量化值(q/2)以下，信号电平大于q/2，即具有足够的信噪比。智能传感器系统与经典传感器相比，不仅有硬件而且还可以有强大的软件抵抗干扰、抑制噪声的能力，因而可以获得更高的分辨率。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础二、静态特性的性能指标1.迟滞图2-4滞环第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础迟滞亦称“滞后量”或“滞环”，它表征系统在全量程范围内，输入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两个静态特性不一致的程度，如图2-4所示。其值可用相对误差δH的百分数来表示%100)(||FSYHmH式中：ΔHm表示同一输入量对应正、反行程输出量的最大差值。(2-4)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2.重复性图2-5重复性第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础表示系统输入量按同一方向作全量程、连续多次变动时，静态特性不一致的程度，如图2-5所示。其数值用相对误差δR的百分数表示%100)(||FSYRR式中：ΔR表示同一输入量对应多次循环的同向行程输出量的绝对误差。重复性数值的大小反映标定值的分散程度，是一种偶然误差。故可按随机误差处理法则来确定ΔR。(2-5)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础3.线性度线性度又称“直线性”，它表示系统静态特性对选定拟合直线(y=b+kx)的接近程度。在数值上用非线性相对误差δL的百分数来表示%100)(||FSYLmL式中：ΔLm表示静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差。由于拟合直线确定的方法不同，相应的拟合偏差值与线性度的数值也就不同。目前常用的有：理论线性度、平均选点线性度、端基线性度、最小二乘法线性度等。其中尤以理论线性度与最小二乘法线性度应用最普遍。(2-6)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础1)设拟合直线方程通式为kxby则第j个标定点的标定值yj与拟合直线上相应值的偏差(图2-6)为jjjykxbL)(最小二乘法拟合直线的确定原则是均方差),()(121kbfLNjNj(2-7)(2-8)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础为最小值。令其一阶偏导为零0),(bkbf0),(kkbf可得两个方程，并解得两个未知量b,k的表达式如下：2112111211211112NjNjjjNjjNjjNjjjNjNjjjNjjjNjjNjjNjjxxNyxyxNkxxNyxxyxb(2-9)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础图2-6线性度第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2)图2-7最小二乘法线性度第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础4.精度系统误差的绝对值为)()(FSYFSYHL随机误差的绝对值为)(FSYR故系统的总精度A为RHLFSYFSYA)()(基本误差随机误差的绝对值系统误差的绝对值(2-10)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础传感器技术始终致力于改善静态特性的非线性(减小线性度δL的数值)、减小迟滞δR,提高重复性(减小重复性δR的数值)，以期获得较高的精度。静态特性是在标准试验条件下获得的(如规定的温度范围，大气压力和湿度等)，如果实际测试时的现场工作条件偏离了标准试验条件，那么除了基本误差之外还将产生附加误差。温度附加误差是最主要的附加误差。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础5.1)零位温度系数α0它表示零位值y0随温度漂移的速度，在数值上等于温度改变1℃，零位值的改变量Δy0与量程Y(FS)之比的百分数%100)(00FSYTyam式中：Δy0m——在温度变化ΔT℃范围内，零位值的最大改变量；ΔT——传感器系统工作温度的变化范围。(2-11)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础目前未经补偿的压阻式压力传感器的α0一般为10-3/℃，如果量程Y(FS)=100mV，当工作温度变化ΔT=60℃时，则零位值改变Δy0m=α0·ΔT·Y(FS)=6mV。这便是温度附加误差的绝对值。如果在满量程下使用时，温度附加误差的相对值为Δy0m/Y(FS)=α0·ΔT=6%；在三分之一量程下使用时，温度附加误差的相对值将达18%，因此提高零位值相对温度变化的稳定性，减小α0的数值是非常需要的。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2)灵敏度温度系数αS它表示灵敏度随温度漂移的速度，在数值上等于温度改变1℃时，灵敏度的相对改变量的百分数，即TTyTyTyTTSTSTSaS)()()()()()(112112式中：S(T2),S(T1),y(T2),y(T1)分别表示在相同输入量作用下系统在温度T2,T1之灵敏度及其相应的输出值。目前，未经补偿的压阻式压力传感器的αS一般为-(10-3/℃～5×10-4/℃)。因此由温度变化ΔT=T2-T1=60℃时，引起的温度附加误差的相对值有(6～3)%。可见提高灵敏度相对温度的稳定性，即减小αS的数值是非常需要的。(2-12a)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础在实际中，一个传感器的灵敏度温度系数通常也采用下式来决定：%100)(FSTYyamS式中：ΔT=T2-T1——Y(FS)——Δym——当温度变化ΔT时，在全量程范围中某一输入量对应输出值随温度漂移的最大值，这个最大温度漂移值通常发生在满量程输入时的工作点，但也可能发生在小于量程的其它工作点。(2-12b)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2.1.2动态特性大量被测物理量是随时间变化的动态信号，即x(t)是时间t的函数，不是常量。系统的动态特性反映测量动态信号的能力。理想的传感器系统，其输出量y(t)与输入量x(t)的时间函数表达式应该相同。但实际上，二者只能在一定频率范围内，在允许的动态误差条件下保持所谓的一致。本节将讨论系统动态特性、信号频率范围与动态误差的相互关系。动态特性用数学模型来描述,对于连续时间系统主要有三种形式：时域中的微分方程、复频域中的传递函数H(s)、频率域中的频率特性H(jω)。系统的动态特性由其系统本身的固有属性决定。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础一、微分方程1.一阶系统图2-8热电偶测温元件第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础当热电偶接点温度To低于被测介质温度Ti时，TiTo,则有热流q流入热偶结点。它与Ti和To的关系可表示如下：dtdTCRTTqooi式中：R——C——若令τ=RC上式可写为iooKTTdtdT(2-13)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础式中：τ=RC——时间常数，K——放大倍数，式中K=1。上式为一阶微分方程，Ti,To分别是系统的输入量、输出量。不仅是热电偶，其它类型的传感器系统也可能具有一阶微分方程形式所表征的动态特性，则广义的一阶微分方程为Kxydtdy式中：y——x——K——τ——时间常数，由系统的固有属性决定的常数。(2-14)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2.二阶系统图2-9m-k-b系统第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础这种系统可以是压力传感器的弹性敏感元件的等效结构。等效质量块m在受到作用力F后产生位移y和运动速度dy/dt，在运动过程中，质量块m所受的力有：作用力F弹性反作用力F(弹)=-ky阻尼力dtdybF)(阻直到位移量y足够大，大到使弹性反作用力与作用力相等，即F(弹)=F,达到平衡，质量块不再运动F(阻)=0。在未达到平衡状态的运动过程中，运动规律服从牛顿运动定律，其运动加速度由所受的合力决定22dtydm第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2231dtydmFii即22)()(dtydmFFF阻弹整理后得Fkydtdybdtydm22式中：m——k——b——阻尼系数。(2-15)第2章智能