現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)傳感器特征

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)傳感器特征第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)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(hào)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(cè)量電路三部分組成，如圖3-1所示。第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1傳感器的定義及分類圖3-1傳感器組成框圖第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1傳感器的定義及分類我們所要測(cè)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(gè)能把被測(cè)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(cè)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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)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(cè)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(cè)器或探測(cè)器。凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)的接口電路后構(gòu)成的將非電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的器件或裝置。第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1傳感器的定義及分類

國際電工委員會(huì)將4~20mA直流電流信號(hào)和1~5V直流電壓信號(hào)確定為過程控制系統(tǒng)電模擬信號(hào)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(hào)的器件或裝置。第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jì)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(jī)和有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。生物型傳感器是利用生物活性物質(zhì)選擇性，識(shí)別和測(cè)定生物和化學(xué)物質(zhì)的傳感器。第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換，例如，水銀溫度計(jì)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(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)現(xiàn)測(cè)量的。第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月按能量轉(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(dòng)勢(shì)、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(cè)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(cè)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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1傳感器的定義及分類按輸出信號(hào)的性質(zhì)根據(jù)輸出信號(hào)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(hào)，數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號(hào)。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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1傳感器的定義及分類按測(cè)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(cè)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(cè)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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性檢測(cè)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(gè)測(cè)量系統(tǒng)（儀表或裝置），由于輸入信號(hào)的這種不同性質(zhì)，就有所謂靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)量和靜態(tài)特性靜態(tài)測(cè)量是指測(cè)量過程中被測(cè)量保持恒定不變（即

系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)）時(shí)的測(cè)量。靜態(tài)特性表示測(cè)量?jī)x表在被測(cè)物理量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入—輸出關(guān)系。輸出信號(hào)

與輸入信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系，一般用代數(shù)方程多項(xiàng)式表示：(3-1)第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性式中，

—輸出量；

—輸入量（被測(cè)量）；—零點(diǎn)輸出（檢測(cè)系統(tǒng)的零位值）；

—理論靈敏度；、

、…、

—非線性項(xiàng)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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性這種多項(xiàng)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?yàn)橹本€上任何點(diǎn)的斜率都相等，所以傳感器的靈敏度為

在坐標(biāo)原點(diǎn)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(xiàng)外只存在奇次非線性項(xiàng)，即：

對(duì)應(yīng)的曲線為第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性輸出—輸入特性曲線不對(duì)稱，這時(shí)(3-1)中，除線性項(xiàng)外非線性項(xiàng)只是偶次項(xiàng)，即：

普遍情況下的表達(dá)式是(3-1)所對(duì)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(cè)量的變化，總存在著一定的誤差。第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)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(jìn)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(dòng)、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)量）；環(huán)境溫度一般為室溫

；相對(duì)濕度不大于

85%；大氣壓力為

()

的情況。第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性測(cè)量范圍和量程1、測(cè)量范圍：（

、

）――檢測(cè)系統(tǒng)所能測(cè)量到的最小被測(cè)輸入量（下限）――檢測(cè)系統(tǒng)所能測(cè)量到的最大被測(cè)輸入量（上限）測(cè)量范圍是指檢測(cè)系統(tǒng)所能測(cè)量到的最小被測(cè)輸入量（下限）

至最大被測(cè)輸入量（上限）

之間的范圍，即（

、

）2、量程：

檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量上限

和測(cè)量下限

之代數(shù)差，即

例如：-40~100℃的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其量程為140℃；又如10g~20g的加速度檢測(cè)系統(tǒng)，其量程為10g。3.2.2檢測(cè)系統(tǒng)(傳感器)的靜態(tài)性能指標(biāo)第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性靈敏度靈敏度是檢測(cè)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(gè)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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月若檢測(cè)系統(tǒng)是由靈敏度不同的

多個(gè)相互獨(dú)立的環(huán)節(jié)串聯(lián)而成時(shí)，該檢測(cè)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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)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(cè)變化量的最小被測(cè)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(cè)被測(cè)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(gè)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(gè)有量綱的量值。第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性線性度

對(duì)于實(shí)際的傳感器測(cè)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(duì)誤差表示其大小，即相對(duì)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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)點(diǎn)，而只要找到一條能反映校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的一般趨勢(shì)同時(shí)又使誤差絕對(duì)值為最小的直線就行。第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dá)方法。端基線性度—把檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值和滿量程輸平均值連成直線，作為檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的輸出—輸入實(shí)測(cè)曲線，根據(jù)端基法作擬合直線第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性其方程式所以第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性式中，

p為被測(cè)壓力；ps為傳感器的測(cè)量壓力范圍；

U為傳感器的輸出量；U0為零點(diǎn)輸出平均值；為滿量程輸出平均值。這種擬合方法簡(jiǎn)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(shí)，擬合精度更差。第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性平均選點(diǎn)線性度—為了尋找較理想的擬合直線，可將測(cè)量得到的n個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分成數(shù)目相等的兩組：前半部n/2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)為一組；后半部n/2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)為另一組。兩組檢測(cè)點(diǎn)各自:具有“點(diǎn)系中心”。檢測(cè)點(diǎn)都分布在各自的點(diǎn)系中心周圍，通過這兩個(gè)“點(diǎn)系中心”的直線就是所要的擬合直線。第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性圖3-4平均選點(diǎn)的擬合直線第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性前半部

個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)系中心A的坐標(biāo)為：

后半部

個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)系中心B的坐標(biāo)為：

第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)際校準(zhǔn)點(diǎn)有

個(gè)n，第i個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器后對(duì)應(yīng)的輸出值是

yi，第i個(gè)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(gè)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，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2傳感器的基本特性遲滯

遲滯特性表明了檢測(cè)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