《现代检测技术》课件第3章.ppt

1、3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类3.1.1传感器的定义及组成传感器的定义及组成传感器的国家标准定义为能感受（或响应）规定的传感器的国家标准定义为能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。置。传感器的通常定义为传感器的通常定义为“能把外界非电信息转换成能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置电信号输出的器件或装置”或或“能把非电量转换成电量能把非电量转换成电量的器件或装置的器件或装置”。传感器由敏感元件、转换元件和测量电路

2、三部分传感器由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图组成，如图3-1所示。所示。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类图图3-1 传感器组成框图传感器组成框图3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类我们所要测量的非电量并不是我们所持有的转我们所要测量的非电量并不是我们所持有的转换元件所能转换的那种非电量，这就需要在转换元换元件所能转换的那种非电量，这就需要在转换元件前面增加一个能把被测非电量转换为该转换元件件前面增加一个能把被测非电量转换为该转换元件能够接受和转换的非电量的装置或器件。这种能把能够接受和转换的非电量的装置或器件。这种能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏被

3、测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感元件。感元件。转换元件所转换得到的电量并不是后面的显示转换元件所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如，电阻式应变传感记录电路所能直接利用的。例如，电阻式应变传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不能被电压显示仪表所接受。能被电压显示仪表所接受。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类接在转换元件后面具有这种功能的电路，称之为测接在转换元件后面具有这种功能的电路，称之为测量电路或传感器接口电路。例如，电阻应变片接入电桥，量电路或传感器接口电路。例如，电阻应变片接入电桥，将电阻变

4、化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常将电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。用的测量电路。有些国家和有些学科领域，也将传感器称为变换器、有些国家和有些学科领域，也将传感器称为变换器、检测器或探测器。检测器或探测器。凡能输出标准信号的传感器称为变送器。也就是说，凡能输出标准信号的传感器称为变送器。也就是说，变送器是传感器配接能输出标准信号的接口电路后构成的变送器是传感器配接能输出标准信号的接口电路后构成的将非电量转换为标准信号的器件或装置。将非电量转换为标准信号的器件或装置。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类 国际电工委员会将国际电工委员会将420mA直流电

5、流信直流电流信号和号和15V直流电压信号确定为过程控制系直流电压信号确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。所以变送器通统电模拟信号的统一标准。所以变送器通常就是指将非电量转换为常就是指将非电量转换为420mA直流电直流电流信号的器件或装置。流信号的器件或装置。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类3.1.2传感器的分类传感器的分类按基本效应按基本效应 传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。化学型传感器是利用电化学

6、反应原理，把无机和有机化学物质的成化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。分、浓度等转换为电信号的传感器。生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学物质的传感器。物质的传感器。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类按构成原理按构成原理 按照构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感按照构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。器。物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水银温物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水

7、银温度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实现温度的测量。现温度的测量。结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距型结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距型电容式传感器是利用极板间距离的变化来实现测量的。电容式传感器是利用极板间距离的变化来实现测量的。按能量转换原理按能量转换原理 根据能量转换原理可分为有源传感器和无源传感器。有根据能量转换原理可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量（如电动势、电荷式传感源传感器将非电量转换为电能量（如电动势、电荷式传感器等）

8、，也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和器等），也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属于此类传放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属于此类传感器；感器；无源传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换无源传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，也称为能量控制型传感器。如电阻式、电为电参数的量，也称为能量控制型传感器。如电阻式、电感式及电容式传感器等感式及电容式传感器等。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类按输出信号的性质按输出信号的性质 根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和

9、数字式传感器。根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出连续变化的模拟信号，数字式传感器输出数即模拟式传感器输出连续变化的模拟信号，数字式传感器输出数字信号。字信号。按输入物理量按输入物理量 根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及流量传感器等。温度传感器及流量传感器等。按工作原理按工作原理 根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类按测量方式按测量方式 分为接触式传感器和非接触式

10、传感器。分为接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器和压电式传感器。器和压电式传感器。非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、红外线传感器、涡流传感器和超声波传感器等。器、红外线传感器、涡流传感器和超声波传感器等。3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性检测系统（传感器）特性主要是指输出与检测系统（传感器）特性主要是指输出与输入之间的关系。输入之间的关系。一个测量系统（仪表或装置），由于输入一个测量系统（仪表或装置），由于输入信号的这种不同性质，就有所谓静态特性和

11、动信号的这种不同性质，就有所谓静态特性和动态特性。态特性。3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.2.1传感器的静态特性传感器的静态特性一、静态测量和静态特性一、静态测量和静态特性 静态测量是指测量过程中被测量保持恒定不变（即静态测量是指测量过程中被测量保持恒定不变（即 系系统处于稳定状态）时的测量。统处于稳定状态）时的测量。静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定状态时静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定状态时的输入的输入输出关系。输出关系。输出信号输出信号 与输入信号之间的函数关系，一般用代数方程多与输入信号之间的函数关系，一般用代数方程多项式表示：项式表示：nnxaxaxaxaa

12、y332210(3-1)3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性式中，式中，输出量；输出量；输入量（被测量）；输入量（被测量）；零点输出（检测系统的零位零点输出（检测系统的零位值）；值）；理论灵敏度；理论灵敏度；、非线性项系数；非线性项系数；、标定系数，它决定静标定系数，它决定静态特性曲线的形状和位置。态特性曲线的形状和位置。yx0a1a2a3a0a1ana2a3ana3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性这种多项式代数方程可能有多种情况：这种多项式代数方程可能有多种情况：u 理想线性，在这种情况下，理想线性，在这种情况下，因此得，因此得到：到：因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器因为直

13、线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为的灵敏度为 u在坐标原点附近相当范围内输出在坐标原点附近相当范围内输出输入特性基本呈线性。在输入特性基本呈线性。在这种情况下，这种情况下，(3-1)中除线性项外只存在奇次非线性项，即：中除线性项外只存在奇次非线性项，即：对应的曲线为对应的曲线为 0320naaaaxay1常数kxya155331xaxaxay xyxy3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u输出输出输入特性曲线不对称，这时输入特性曲线不对称，这时(3-1)中，除线中，除线性项外非线性项只是偶次项，即：性项外非线性项只是偶次项，即：u普遍情况下的表达式是普遍情况下的表达式是(3-1)

14、所对应的特性。所对应的特性。由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，总存在着一定的误差。测量的变化，总存在着一定的误差。44221xaxaxay3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性二、静态特性的校准（标定）条件二、静态特性的校准（标定）条件静态标准条件。静态标准条件。检测系统检测系统(传感器传感器)的静态特性是在静态标准条件下进行的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度、振校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）；环境温动、冲击（除非这些参数本身就是被测

15、量）；环境温度一般为室温度一般为室温 ；相对湿度不大于；相对湿度不大于 85%；大气；大气压力为压力为 ()的情况。的情况。C520Pa32.799972.101324mmHg60760 3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u测量范围和量程测量范围和量程1、测量范围：（、测量范围：（、）检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）至最大被测输入量（上限）至最大被

16、测输入量（上限）之间的范围，即（之间的范围，即（、）2、量程：、量程：检测系统测量上限检测系统测量上限 和测量下限和测量下限 之代数差，即之代数差，即 例如：例如：-40100的温度检测系统，其量程为的温度检测系统，其量程为140；又如；又如10g20g的加速度检测系统，其量程为的加速度检测系统，其量程为10g。minxmaxxminxmaxxminxmaxxmaxxminmaxxxLminmaxxxL3.2.2检测系统检测系统(传感器传感器)的静态性能指标的静态性能指标3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u灵敏度灵敏度灵敏度是检测系统在稳态下的输出变化与输入变化比灵敏度是检测系统在稳态下

17、的输出变化与输入变化比值，用值，用K来表示，来表示，即即 由由n个串联环节组成的开环系统如图个串联环节组成的开环系统如图3-2所示。所示。输入量的变化量输出量的变化量dxdyK3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性图图3-2 串联环节组成的开环系统方框图串联环节组成的开环系统方框图若检测系统是由灵敏度不同的若检测系统是由灵敏度不同的 多个相互独立的环节串联而成时，该检测系多个相互独立的环节串联而成时，该检测系统的总灵敏度为各组成环节的灵敏度的乘积。统的总灵敏度为各组成环节的灵敏度的乘积。nKKKKK 321(3-2)3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.2 传感器的基本特性传感器的基本

18、特性u分辨力与分辨率分辨力与分辨率1、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量量 。2、分辨率：全量程中最大的、分辨率：全量程中最大的 即即 与满量程与满量程L之比的之比的百分数。百分数。3、阙值：即零位附近的分辨力、阙值：即零位附近的分辨力，也就是指能使传感器输出端，也就是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。产生可测变化量的最小被测输入量值。分辨率与分辨力都是用来表示仪表或装置能够检测被测量分辨率与分辨力都是用来表示仪表或装置能够检测被测量的最小量值的性能指标。的最小量值的性能指标。前者是以最大量程的百分数来表示，是一个

19、无量纲的比率前者是以最大量程的百分数来表示，是一个无量纲的比率的量。的量。后者是以最小量程的单位值来表示，是一个有量纲的量值。后者是以最小量程的单位值来表示，是一个有量纲的量值。minxminxminmaxx3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u线性度线性度 对于实际的传感器测出的输出对于实际的传感器测出的输出输入校准（标定）曲线与其输入校准（标定）曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为该传感器的理论拟合直线之间的偏差就称为该传感器的“非线性非线性”，或，或称称“线性度线性度”，通常用相对误差表示其大小，即相对应的最，通常用相对误差表示其大小，即相对应的最大偏差大偏差 与满量程（与满量程（）

20、输出比值的百分数（）输出比值的百分数（%）来表示：）来表示：(3-3)式中，式中，为非线性误差（线性度）；为非线性误差（线性度）；为输出平均值与基准拟为输出平均值与基准拟合直线的最大偏差；合直线的最大偏差；为满量程输出的平均值。为满量程输出的平均值。LemaxLFSy%100maxFSLyLeLem3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 由此可见，非线性误差的大小是以由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理想直线作为基准直一定的拟合直线或理想直线作为基准直线算出来的，因此，基准直线不同所得线算出来的，因此，基准直线不同所得出的线性精度就不一样。一般并不要求出的线性精度就不一样。一般并

21、不要求拟合直线必须通过所有的检测点，而只拟合直线必须通过所有的检测点，而只要找到一条能反映校准数据的一般趋势要找到一条能反映校准数据的一般趋势同时又使误差绝对值为最小的直线就行。同时又使误差绝对值为最小的直线就行。3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性下面介绍几种不同线性度的定义和表达方法。下面介绍几种不同线性度的定义和表达方法。端基线性度端基线性度把检测系统校准数据的零点输出把检测系统校准数据的零点输出平均值和满量程输平均值连成直线，作为检测平均值和满量程输平均值连成直线，作为检测系统特性的拟合直线，其方程式为：系统特性的拟合直线，其方程式为：式中，式中，y为输出量；为输出量；x为输入量；

22、为输入量；b为为y轴上的轴上的截距；截距；k为直线的斜率。为直线的斜率。如图如图3-3所示为一检测系统的输出所示为一检测系统的输出输入实测输入实测曲线，根据端基法作拟合直线曲线，根据端基法作拟合直线kxby3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性图图3-3 端基线性度的拟合直线端基线性度的拟合直线3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性其方程式其方程式0Ub SSFpUUk0ppUUUUSSF00所以所以3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性式中，式中，p为被测压力；为被测压力；ps 为传感器的测量压力为传感器的测量压力范围；范围；U为传感器的输出量；为传感器的输出量；U0为零点输出平均为零

23、点输出平均值；值；为满量程输出平均值。为满量程输出平均值。这种拟合方法简单直观，应用比较广泛，但因这种拟合方法简单直观，应用比较广泛，但因没有考虑所有校准数据的分布，拟合精度很低，尤没有考虑所有校准数据的分布，拟合精度很低，尤其当传感器有比较明显的非线性时，拟合精度更差其当传感器有比较明显的非线性时，拟合精度更差。3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 平均选点线性度平均选点线性度为了寻找较理想的为了寻找较理想的拟合直线，可将测量得到的拟合直线，可将测量得到的n个检测点分个检测点分成数目相等的两组：前半部成数目相等的两组：前半部n/2个检测点个检测点为一组；后半部为一组；后半部n/2个检测点

24、为另一组。个检测点为另一组。两组检测点各自两组检测点各自:具有具有“点系中心点系中心”。检测点都分布在各自的点系中心周围，检测点都分布在各自的点系中心周围，通过这两个通过这两个“点系中心点系中心”的直线就是所的直线就是所要的拟合直线。要的拟合直线。3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性图图3-4 平均选点的拟合直线平均选点的拟合直线3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性前半部前半部 个检测点的点系中心个检测点的点系中心A的坐标为：的坐标为：后半部后半部 个检测点的点系中心个检测点的点系中心B的坐标为：的坐标为：2112niixnx2112niiynynniixnx2122nniiyny21

25、222n2n3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性最小二乘法线性度最小二乘法线性度 拟合直线方程通式为拟合直线方程通式为y=b+kx。假定实际校。假定实际校准点有准点有 个个n，第，第i个数据经过传感器后对应的输个数据经过传感器后对应的输出值是出值是 yi，第，第i个校准数据在拟合直线上相应的个校准数据在拟合直线上相应的输出值为输出值为kxi-b，则第，则第i个校准数据与拟合直线个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为：上相应值之间的残差为：bkxyiii3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u迟滞迟滞 迟滞特性表明了检测系统在正迟滞特性表明了检测系统在正(输入量由小输入量由小增大增大)反

26、（输入量自大减小）行程中输出输入曲反（输入量自大减小）行程中输出输入曲线不重合（特性不一致）的程度。迟滞误差一线不重合（特性不一致）的程度。迟滞误差一般以全量程中最大的迟滞般以全量程中最大的迟滞 与满量程输出值与满量程输出值 之比的百分数表示之比的百分数表示,HemaxH即即 (3-4)FSy%100maxFSHyHe3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性图图3-5 迟滞迟滞u稳定性与漂移稳定性与漂移 稳定性：在一定工作条件下，保持输入信稳定性：在一定工作条件下，保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的变化而出号不变时，输出信号随时间或温度的变化而出现缓慢变化的程度。现缓慢变化的程度。时漂

27、：在输入信号不变的情况下，检测系时漂：在输入信号不变的情况下，检测系统的输出随着时间变化的现象。统的输出随着时间变化的现象。温漂：随着环境温度变化的现象（通常包温漂：随着环境温度变化的现象（通常包括零位温漂、灵敏度温漂）。括零位温漂、灵敏度温漂）。3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u重复性重复性 重复性是指检测系统在输入量按同一方向重复性是指检测系统在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。特性曲线一致，重复性就好，误差也的程度。特性曲线一致，重复性就好，误差也小。小。重复性误差重复性误差 按下式计算重复性误差：按下式计算重复性误差：%10032FSZy(3-5)3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.2.3检测系统（传感器）的动态特性检测系统（传感器）的动态特性测量过程中被测量随时间变化时的测量称为动态测量。测量过程中被测量随时间变化时的测量称为动态测量。3.2.4传感器工作要求传感器工作要求 主要要求：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；主要要求：高精度、低成本；高灵敏度；稳定性好；工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、工作可靠；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、使用维护方便、功耗低等。使用维护方便、功耗低等。