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传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第

发布日期:2021-06-02 02:43

  第1章基础知识1概述 测量可分为电参数测量和非电参数测量。电参数 测量包括电压、电流、阻抗等,这些参数的测量 可以用万用表、RLC测量仪等电子测量仪器来完成。 非电量参数包括机械量(如位移、力、应力应变 等)、运动量(如速度、加速度等)、物位量 (如液体的高度、物料的高度等)、流量(如体 积流量、质量流量等)等的测量。在实际生产中, 特别是自动化生产过程中,主要是采集非电量信 息进行测量并实现控制。而非电量的测量一般是 要用电测量的方法完成,那么就要将非电量转换 成电量,这就是本书第一部分要介绍的传感器技 1.1概述传感器能够把自然界的各种物理量、化学量等转换成电信 号,再经过电子电路变换后进行采集和处理,从而实现非电量 的检测,这个过程可以与人的感官作用相对应。人们用视觉、 听觉、味觉、嗅觉和触觉等感官感受外界的信息,如通过视觉 (眼睛)可知物体的大小、形状等,通过听觉(耳朵)可以听 到声音,通过嗅觉(鼻子)可以闻到气味,通过触觉(皮肤) 可以感觉到物体的冷热等。人的眼睛相当于光敏传感器,如 CCD、光敏电阻等;人耳相当于压力传感器,如电容式和压电 式传感器等;人的皮肤相当于压力传感器和温、湿度传感器, 如应变传感器、热电阻传感器等;人的鼻子相当于气敏传感器, 如气体传感器等;人的舌头相当于味觉传感器,如离子传感器。 其关系如图1‐1所示。 图1‐1人与传感器的关系 在图1‐1中,大脑神经系统相当于计算机,它将信息汇总 后进行处理,这是本书的第二部分——检测技术篇要介绍的内 容。人体相关部分相当于自动化控制系统的执行机构,不在本 书的介绍范围之内。 对传感器的学习主要包括传感器的工作原理、特性参数、 测量电路和典型应用等方面的知识,这些传感器包括电阻式、 电感式、电容式、应变式、压电式、磁电式、热电式、光电式、 辐射式等。 1.1.1 传感器的定义和组成 1.传感器的定义 传感器(Sensor)也称变换器(Transducer),是将非电量(物理量、化学 量等)等按一定规律转换成便于测量、传输和控制的电量或另一种非电量的 元器件或装置(本书只介绍转换为电量的部分,转换为非电量的部分不在本 书的介绍范围之内)。它是利用物理、化学学科的某些效应(如压电效应、 热电效应)、守恒原理(如动量、电荷量)、物理定律(如欧姆定律、胡克 定律)及材料特性按一定工艺实现的。 2.传感器的组成 传感器是由敏感元件(Sensitive Component)、转换元件、信号调理与转 换电路组成的。敏感元件是能直接感受(或响应)被测信息(通常为非电量 )的元件;转换元件则是能将敏感元件感受(或响应)的信息转换为电信号 的部分;信号调理和转换电路是将来自转换元件的微弱信号转换成便于测量 和传输的较大信号。传感器的典型组成如图1-2所示。 图1‐2传感器的组成 各部分的作用如下所述。 敏感元件。敏感元件直接与被测对象接触,将被测量(非电量)预先变 换为另一种非电量。如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件,作用 是将压力转换成弹性膜片的变形。 转换元件。转换元件又称为变换元件,是将敏感元件的输出量转换成电 信号的部分。一般情况下,不直接感受被测量(特殊情况例外)。如应变 式压力传感器中的应变片就是转换元件,作用是将弹性膜片的变形转换成 电阻值的变化。 值得注意的是,并不是所有的传感器都必须含有敏感元件和转换元件。如 果敏感元件直接输出电信号,它就同时兼为转换元件。敏感元件和转换元 件合二为一的传感器很多,如压电传感器、热电偶、热电阻、光电器件等。 信号调理与转换电路。信号调理与转换电路也称为二次 仪表,将转换元件输出的电信号放大,转变成易于处理、显 示和记录的信号。信号调理电路的类型视传感器的类型而定, 通常采用的有电桥电路、放大器电路、变阻器电路和振荡器 电路等。 电源。电源的作用是为传感器提供能源。需要外部接电 源的称为无源传感器,不需要外部接电源的称为有源传感器。 如电阻、电感和电容式传感器就是无源传感器,工作时需要 外部供电电源,而压电式传感器、热电偶是有源传感器,工 作时不需要外部电源供电。 实际上,传感器的组成方式因被测量(对象)、转换原理、 使用环境及性能指标要求等具体情况的不同而有较大差异。 1.1.2传感器的地位和作用 以减少劳动力和减轻劳动强度,提高产品质量和提高产 品的一致性为动力,对自动化提出了更多的需求和更高的要 求。自动化是现代工业生产过程、交通、军事等领域不可缺 少的部分。随着产品质量和控制精度的提高,对自动化的依 赖越来越强,为了实现这些领域的控制,就需要获取信息, 那么传感器就是获取信息的必由之路,可以说传感器是实现 自动控制的源。如果没有传感器,就无法获取控制信息,就 无法输出控制信号,也就无法实现自动控制。图1‐3所示是 自动控制的一个循环。 图1‐3传感器的地位与作用 传感器技术不仅对科学技术的发展起到基础和 支柱的作用,而且对产品的质量和产品的一致性起 着决定性的作用,因而被世界各国列为科学攻关的 关键技术之一。可以说“没有传感器就没有现代化 的科学技术,没有传感器也就没有人类高质量的生 活以及生活所必须的合格产品”。传感器技术的发 展推动了自动化技术的发展,自动化技术的发展也 要求新的传感器技术出现,传感器技术是一个国家 科学技术和国民经济发展水平的标志之一。 1.1.3传感器的分类 一般来说,测量同一种被测参数,可以采用的传感器有多种。反过来, 同一个传感器也可以用来测量多种被测参数。因此,传感器的分类方法有很 多种。 1.根据传感器是否需要提供外部电源分类(可以将传感器分为有源传感器和 无源传感器) 有源传感器也称为能量转换型传感器,其特点在于它无需提供外部电源 就能工作,敏感元件本身能将非电量直接转换成电信号。它无能量放大作用, 只是从一种能量转换成了另一种能量,所以要求从被测对象获取的能量越大 越好。例如,超声波传感器就是压/电转换、压电式传感器也是压/电转换、 热电偶是热/电转换、光电池是光/电转换等。 与有源传感器相反,无源传感器的敏感元件本身不产生能量,而是随被 测量而改变本身的电特性,因此必须采用外加激励源对其进行激励,才能输 出电量信号。大部分传感器,如热电阻是热/电阻转换、压敏电阻是压/电 阻转换、湿敏电容式是湿/电容转换,压力电感式是压/电感转换,这些就属 于无源传感器。由于无源传感器需要为敏感元件提供激励源才能工作,所以 无源传感器通常需要比有源传感器更多的引线,传感器的灵敏度也会受到激 励信号的影响。 2.根据被测参数进行分类 通常以被测物理量命名,如测量温度的称为温度传感器、测量压力的 称为压力传感器、测量流量的称为流量传感器、测量位移的称为位移传感 器、测量速度的称为速度传感器等。如热电阻温度传感器、应变片式压力 传感器、电感式位移传感器、容积式流量计等。 3.根据输出信号的类型进行分类(可以将传感器分为模拟式传感器与数 字式传感器) 模拟式传感器是将被测量转换为模拟电信号直接输出,输出信号的幅 度表示被测对象的变化量。数字式传感器是将被测量转换为数字信号输出, 被测对象的变化量通常由输出信号的数字量大小表征。 数字式传感器是模拟式传感器与数字技术相结合的产物。随着集成电 路技术的发展,数字式传感器将会越来越多,如集成式温度传感器就是数 字式温度传感器。也可以通过数字芯片将模拟信号转换成数字信号,如可 以将V/F芯片与模拟式传感器相结合,就可以输出脉宽调制的数字信号。数 字信号具有抗干扰能力强、易于传输等特点。 4.根据传感器的工作原理进行分类 按传感器的工作原理进行分类,可以将传感器 分为电阻式传感器(被测对象的变化引起了电阻的 变化)、电感式传感器(被测对象的变化引起了电 感的变化)、电容式传感器(被测对象的变化引起 了电容的变化)、应变电阻式传感器(被测对象的 变化引起了敏感元件的应变,从而引起电阻的变 化)、压电式传感器(被测对象的变化引起了电荷 的变化)、热电式传感器(被测对象温度的变化引 起了输出电压的变化)等。 5.按传感器的基本效应分类(可以将传感器分为物理传感器、化学传感 物理传感器是把被测量的一种物理量转化成为便于处理的另一种物理量的元器件或装置,主要的物理传感器有光电式传感器、压电式传感 器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器等。例如,光电式传 感器,其主要的原理是光电效应,当光照射到物质上就发生电效应,如 光敏电阻就是光的变化引起了电阻的变化。按其构成可细分为物性型传 感器和结构型传感器。 物性型传感器是指依靠敏感元件材料本身物理特性的变化来实现信号 的转换,如利用材料在不同湿度下的特性变化制成的湿敏传感器,利用 材料在光照下改变其特性可以制成光敏传感器,利用材料在磁场作用下 改变其特性可以制成磁敏传感器等。 结构型传感器是指依靠传感器元件的结构参数变化实现信号的转换, 主要通过机械结构的几何尺寸或形状的变化,转换为相应的电阻、ca88,电感、 电容等物理量的变化,实现被测参数的测量。如变极距型电容式传感器 就是通过极板间距的变化实现位移、压力等物理量的测量;变气隙电感 式传感器就是利用衔铁的位置变化,实现位移、振动等物理量的测量。 化学传感器是将各种化学物质的特性(如气体、离子、 电解质浓度、空气湿度等)的变化定性或定量地转换成电信 号,如离子敏、气敏、湿敏和电化学传感器。 无论何种类型的传感器,它作为非电量测量与控制系统 的首要环节,应能达到快速、准确、可靠且经济地实现信息 获取和转换的基本要求。即传感器反应速度快,可靠高; 传感器的输出量与被测对象之间具有确定的关系;传感 器的精度适当,稳定性好,满足静态、动态特性的要求; 传感器的适应性强,对被测对象影响小,不易受干扰;传 感器工作范围或量程足够大,具有一定的过载能力;使用 经济,成本低,寿命长。 1.1.4传感器的发展方向 传感器技术是21世纪世界各国在高新技术领域争夺的一 个制高点。从20世纪80年代起,日本将传感器列为优先发展 的高新技术之首,美国和欧洲等西方国家也将此技术列为国 家高科技和国防技术的重点内容,同时我国也将传感器技术 列入国家高新技术发展的重点。有学者认为今后传感器的研 究和开发方向应是:环保传感器、医疗卫生和食品业检测器、 微机械传感器、汽车传感器、高精度传感器、新型敏感材料 传感器的发展趋势可概括为以下几个方面。1.传感器的小型化、集成化 由于航空航天和医疗器械的需要,以及减小传感器对被测 对象的影响,传感器必须向小型化方向发展,以便减小仪器的 体积和重量。同时为了减少转换、测量和处理环节,传感器也 应向集成化方向发展,进一步减小体积、增加功能、提高稳定 性和可靠性。 传感器的集成化分为3种情况:一是具有同样功能的传感 器集成在一起,从而使一个点的测量变成对一个面和空间的测 量;二是不同功能的传感器集成在一起,从而形成一个多功能 或具有补偿功能的传感器;三是将传感器与放大、运算及补偿 等环节一体化,组装成一个具有处理功能的器件。 集成传感器的优势是传统传感器无法达到的,它不仅仅是 一个个传感器的简单叠加,而是将辅助电路中的元件与传感元 件同时集成在一块芯片上,使之具有校准、补偿、自诊断和网 络通信功能,它可降低成本、减小体积、增强抗干扰性能。 2.传感器的智能化 智能化传感器就是传统传感器与微处理器、测量电路、补 偿电路等集成在一起或组装在一起的成果,是一种带“电脑” 的传感器,它不仅具有传统传感器的感知功能,而且还具有判 断和信息处理功能。与传统传感器相比具有以下特点。 具有修正、补偿功能:可在正常工作中通过软件对传感器的 非线性、温度漂移、响应时间等进行修正和补偿。 具有自诊断功能:传感器上电后,其内部程序就对传感器进 行自检,如果某一部分出现了问题,能够指示传感器某一点出 现了故障或某一部分出现了故障。 多传感器融合和多参数测量功能。 具有数据处理功能:通过设定的算法自动处理数据和存储数 具有通信功能:传感器获取的数据,可以通过总线将测量结果传输给信息处理中心,信息处理中心也可以将算法或阈值等 传输给传感器,从而实现了信息的传输与反馈。 可设置报警功能:通过它的通信功能,可以通过总线设置报 警的上限值和下限值。 3.传感器的网络化 将多个传感器通过通信协议连接在一起就组成了一个传感 器网。特别是传感器与无线技术、网络技术相结合,出现了一 个新网络——传感器网或物联网,引起了广泛的关注。 基于Zigbee技术的无线协议为基础, 得到了迅猛发展,它具有极低的功耗、组网方式灵活、低成本 等优点,在军事侦察、环境检测、医疗健康、科学研究等众多 领域具有广泛的应用前景。 4.生物传感器 生物传感器是利用生物特异性识别过程来实现检测的传感 器件,生物传感器中的生物敏感元件包括生物体、组织、细胞、 细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸等,而生物传感器就是利用 这些从微观到宏观多个层次相关物质的特异识别能力来实现的 器件。传统上光学检测是生物传感器的主流,然而近年来随着 界面科学(如分子自组装技术)与纳米科学(如扫描探针显微 镜)的发展,电化学纳米生物传感器获得了前所未有的发展机 遇,并引起了极大的关注。 1.2传感器的基本特性 在生产过程中,要求对各种各样的参数进行检测和控制, 这就要求传感器不仅能感受到非电量的变化,并且不失真地变 换成另一种非电量或电量输出,这些取决于传感器的基本特性, 即传感器的输入-输出特性,它是由传感器的内部结构参数和 性能参数相互作用在外部的表现。不同类型的传感器有不同的 内部结构和性能参数,这些内部参数决定了它们具有不同的外 部特性。 传感器的输入(被测量)一般有两种形式:静态信号: 输入信号不随时间变化或变化极其缓慢;动态信号:输入信 号随时间变化而变化。由于输入信号的不同,传感器所呈现出 来的输入—输出特性也不同,因此存在静态和动态两种特性。 具有良好的静态和动态特性的传感器可以降低或抵消测量过程 中的误差。 下面介绍传感器的静态和动态的特性及传感器的标定方法。 1.2.1传感器的静态特性 传感器的静态特性(StaticCharacteristics)就是传感器在稳 态信号作用下,它的输入与输出的关系。静态特性主要包括线 性度、灵敏度、分辨率、迟滞性、重复性、漂移。 1.线性度 线性度(Linearity)是指传感器的输入与输出成线性关系 的程度。理想情况下,传感器的输入输出特性应是线)表示。 为常数如果传感器的输入与输出成严格的线性比例关 系,这是非常理想的情况。而实际情况是,传感器 的静态输入与输出一般是一条曲线)表示。 为输入量;为常数 式(1‐2)中除了1次方项外,还出现了2次方项、3次方项等高次方项,2次方以上项的出现,使得输出与 输入不是式(1‐1)的线性比例关系了,而是一个非线 性关系。为了计算方便,常用一条拟合直线近似地代 表实际的特性曲线,线性度(非线性误差)就是这个 近似程度的一个性能指标。 将非线性曲线拟合(CurveFitting)成直线的方法 有多种,下面介绍几种方法。 (1)两点法 将零输入时的输出点和满量程时的输出点相连的 直线所示。也就是零输入时传 感器的输出为 min ,最大输入max 时输出为max maxmax 这两点连成直线,作为传感器的近似特性曲线。此方法十分简单,但一般来说非线零输入—满量程输出拟合 (2)最小二乘法拟合 将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论 直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合 直线)切线/割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合 如果传感器的非线性项的方次不高,在输入量变 化范围不大的条件下,可以用切线或割线拟合、过零 旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的 一段,这就是传感器非线性化特性的线几种非线)分段拟合 由于计算机速度的提高,要求测量的精度提高,可 以采用上面介绍的某一种方法,进行分段线分段线性化拟合输入—输出曲线与理想直线的偏离程度称为非 线性误差(Non‐LinearityError)。非线性误差有绝对 误差(AbsoluteError)和相对误差(RelativeError) 两种表示方式。传感器的输出值与其线性拟合值的 偏差称为绝对误差,绝对误差 用下式表示:out linear 为传感器的输出值;linear 在传感器的输出范围内的最大值max 称为传感器的最大绝对误差。传感器的绝对误差与传感器的满量程比 称为传感器的相对误差,它表示为 FS 100% 为传感器的绝对误差;FS 为传感器的满量程输出值。实际传感器的输入与输出基本上都是非线性关系, 理想的线性关系一般是不存在的,通常利用测量数据, 选择合适的拟合方法,通过计算获得拟合直线.灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下,在输入量 变化 与输入量的变化 的比值称为灵敏度,它是输出—输入特性曲线的斜率。灵敏度 若传感器的输出与输入之间是非线性关系,那么灵敏度在不同的输入时是不同的。常用 表示在某一工作点处的灵敏度,它随输入量的变化而变化, 如图1‐7所示。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如, 热电偶温度传感器,在某一时刻温度变化了1时,其 输出电压变化了5mV,那么其灵敏度应表示为5mV/。 提高传感器的灵敏度,可得到较高的测量精度,但灵 敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。 3.分辨率 分辨率(Resolution)是指传感器可感受到的被测量的 最小变化的能力。也就是说,如果输入量从某一非零 值缓慢地变化,当输入的变化值未超过某一数值时, 传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的 变化是分辨不出来的,只有当输入的变化值超过某一 数值时,传感器的输出才会发生变化,使传感器的输 出发生变化的这个数值就是传感器的分辨率。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不 相同,因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化 的输入量中的最大变化值作为衡量分辨率的指标。 例如,应变式压力传感器,在100.0kg时输出的电压 值为35mV,在100.2kg时输出的电压值仍为35mV, 但在100.3kg时输出的电压值为36mV,则其分辨率为 0.3kg。 分辨率与测量仪表也是有关的,如上面的应变 式压力传感器,若采用精度更高的电压表来测量。 同样在100.0kg时输出的电压值为35.0mV,100.1kg时 输出的电压值为35.1mV,那么其分辨率为0.1kg。 相同测量条件下,对应于同一大小的输入信号, 传感器在正向(输入量增大)行程和反向(输入量减 小)行程期间,输入—输出特性曲线不重合的程度称 为迟滞性,如图1‐8所示。对应于同一输入 ,正向行程时传感器输出 叫滞环误差,这种现象称为迟滞现象。迟滞常用最大滞环误差 max 与满量程输出FS 之百分比表示,即max FS 100% 迟滞特性反映了传感器正、反行程期间输入输出特性曲线不重合的程度。 迟滞现象产生的原因:传感器机械部分存在不可 避免的摩擦、间隙、松动、积尘及辅助电路老化、漂 移等,引起能量的吸收和消耗。 之间的差值 图1‐8传感器的迟滞曲线.重复性 传感器在输入量按同一方向(增加或减小)作 全量程多次测量时,所得输入—输出特性曲线的一致 程度称为重复性,如图1‐9所示。如果传感器多次按 相同输入条件下测量的输出特性曲线越重合,误差越 小,则其重复性越好,重复性误差反映的是测量数据 的离散程度。实际特性曲线不重复的原因与迟滞产生 的原因相同。重复性是检测系统最基本的技术指标, 是其他各项指标的前提和保证。 图1‐9输入—输出的重复性 6.漂移 漂移是传感器在输入量不变的情况下,由于外 界的干扰(例如温度、噪声等),传感器的输出量 发生了变化。常用的有零点漂移和温度漂移,一般 可通过串联或并联可调电阻来消除。 (1)零点漂移 零点漂移简称为零漂,是指传感器在无输入时, 其输出值偏移零值的现象。主要由于传感器自身结 构参数老化等引起的。 (2)温度漂移 温度漂移简称为温漂,指在工作过程中输入量 没有发生变化,而只是环境温度发生了变化,使传 感器的输出量发生了变化。 1.2.2传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器在动态激励(输入)时的 响应(输出)特性,即其输出随时变输入的响应特性。对于理 想的传感器来说,输出与输入具有相同的时间函数。但实际情 况是,传感器的输出信号一般不会与输入信号具有完全相同的 时间函数,输出与输入间的误差就是所谓的动态误差。一个动 态性能好的传感器,不仅可以精确反映传感器输入信号的幅值 大小,而且还能反映输入信号的相位变化。 传感器的动态特性可以用基于时域的瞬态响应法和基于频 域的频率响应法来分析。时域分析:通常用阶跃函数、脉冲函 数和斜坡函数作为激励信号,分析传感器的动态特性;频域分 析:一般用正弦函数作为激励信号来分析传感器的动态特性。 但为了方便比较和评价,常采用阶跃信号和正弦信号作为激励 信号来分析传感器的动态特性。 1.瞬态响应法 在时域中,对传感器的响应和过渡过程进行分 析称为时域分析法,这时传感器对所加激励信号的 响应称为瞬态响应。当给传感器输入一个单位阶跃 信号时,其输出特性称为阶跃响应或瞬态响应特性。 瞬态响应特性曲线所示。传感器的瞬态响 应,通常用下面几个参数对其描述。 图1‐10传感器的时域动态特性 时间常数:阶跃响应曲线%所需的时间。越小,响应速度越快, 响应曲线很快接近稳态值,即动态误差 越小。 上升时间 :阶跃响应由稳态值的10%上升到90%所需时间。 延滞时间:阶跃响应达到稳态值50%所需要的时间。 峰值时间:这是二阶传感器具有的参数,是指输出响应曲线到第一个峰值时所需的时 响应时间:表示传感器建立起一个足够精确的稳态响应所需时间,也称为过渡过程时间, 这个值与所要求的稳定精度有关,这个 参数一阶传感器不具备。 最大超调量:这也是二阶传感器具有的参数,最大超调量就是响应曲线偏离稳态值的最 大值,通常用百分数表示。 2.频率响应法传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应 特性,常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态 特性。对传感器动态特性的理论研究,通常是先建立 传感器的数学模型,通过拉氏变换推导出传递函数。 其数学模型和传递函数通常很复杂,在工程实践中, 大部分传感器可简化为单自由度一阶或二阶系统。 对于一个单自由度的传感器,输入信号为 若要测量传感器的动态响应,可采用图1‐11系统进行测量。 图1‐11传感器动态响应的构成 sin( 如图1‐12所示。46 图1‐12传感器动态响应幅频特性图 图1‐12中,0~ 时,输出信号的幅值B与输入信号的幅值A成线性关系。在输入信号的频率 的最大值max 时,就能保证输出信号的幅值与输入信号的幅值相同,实现了在信号幅值方面的不失真测量。 时,传感器的响应因跟不上输入信号的变化,而使输出迅速衰减。 3.数学模型 从系统角度来说,一个传感器就是一个系统。根 据系统工程理论,一个系统总可以用一个数学方程或 模型来描述,即用某个方程式或模型表征传感器的输 入-输出间的关系和特性,这就是传感器的数学模型, 从而指导传感器的设计、制造、校正和应用。理论上, 需要从传感器的静态输入-输出关系和动态输入-输 出关系两个方面来建立数学模型。但在实际当中,能 准确地建立一个传感器的数学模型是非常困难的。在 工程上总是先采用一些近似方法建立起传感器的基本 模型,然后经过反复实验确定最终的近似数学模型。 在工程实践中,大多数检测系统近似于线性时不 变系统,因此可以用线性时不变理论来描述传感器的 动态特性。从数学上可以用常系数线性微分方程(线 性定常系统)表示传感器输出量 之间的关系: 4.传递函数假如上式中的输入和输出及它们的各阶 导数的初始值为0,即时为0,对上式进行拉普拉斯 变换,则有 5.频率响应特性将上式的S换成,就可以得到传感器的频率 响应特性 幅频特性为相频特性为 传感器的种类和形式虽然很多,但它们一般可以简化为一阶或二阶系统,下面分析它们的动态特 (1)一阶传感器的频率响应一阶系统的微分方程为 这时传感器的传递函数、频率特性、幅频特性、相频特性分别为 下图为一阶传感器的频率响应特性曲线)二阶传感器的频率响应 二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器。 很多传感器,如振动传感器、压力传感器等属于二阶 传感器,其微分方程为 arctan 下图为二阶传感器的频率响应特性曲线传感器的标定 任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严 格的性能测试。使用一段时间或经过修理后,也必须对主要技 术指标进行校准,以确保传感器的各项性能指标达到要求。 传感器的标定是利用标准仪器对其进行技术鉴定和标度, 它是通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系,并确 定出不同条件下的误差或测量精度。在标定时,输入的激励信 号可以是静态的也可以是动态的,因此传感器的标定有静态和 动态标定两种。 标定系统框图如图1‐15所示。图中标准仪器能产生已知的 输入量(激励),并将之传递给待标定传感器;待标定传感器 的输出信号由输出测量环节测量并显示出来。一般来说,标定 精度越高,标定就复杂。如果标准仪器不能输出已知的输入量, 就需要增加标准传感器与之比对。 图1‐15标定系统框图 1.静态标定 传感器的静态标定是在输入信号不随时间变化的 条件下来确定传感器的静态特性指标,如线性度、 灵敏度、迟滞性、重复性等。静态标定是指没有加 速度、没有振动、没有冲击(如果它们本身是被测 量除外)及环境温度一般为室温(205),相 对湿度不大于85%,大气压力为1017kPa。 对传感器进行标定,是根据试验数据确定传感 器的各项性能指标的,实际上也是确定传感器的测 量精度,对传感器进行静态特性标定,首先是创造 一个静态标准条件,其次是选择与被标定传感器的 精度要求相适应一定等级的标定用的标准仪器,然 后才能开始对传感器进行静态特性标定。 标定过程步骤如下。 将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点。 根据传感器量程分点情况,由小到大逐点输入标准 值,并记录下相对应的输出值。 将输入值由大到小逐点减少下来,同时记录下与各 输入值相对应的输出值。 按、所述过程,对传感器进行正、反行程往复 循环多次测试,将得到的输出—输入测试数据用表格 列出或画成曲线。 对测试数据进行必要的处理,根据处理结果就可以 确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等静 态持性指标。 2.动态标定 动态标定主要是对传感器的动态响应指标进行标 定,主要是时间常数、固有频率和阻尼比。有时根据 需要也对非测量因素的灵敏度、温度响应、环境影响 等进行标定。对传感器进行动态标定时,需有一标准 信号源对它激励,常用的标准信号源有两类:一类是 周期函数,如正弦波等;另一类是瞬变函数,如阶跃 函数等。用标准信号激励后得到传感器的输出信号, 经分析计算、数据处理,便可得到其频率特性,即幅 频特性、阻尼和动态灵敏度等。 (1)阶跃信号响应法 一阶传感器时间常数τ的确定。输入是幅值为 A的阶跃函数时,由一阶传感器的微分方程可得 由上式可知,只要测得一系列的y(t)‐t的对应值,就可以通过上式得到时间常数。 二阶传感器阻尼比和固有频率的确定。二阶 传感器一般设计成=0.7~0.8的欠阻尼系统来测得 传感器阶跃响应的输出曲线,从而获得曲线振荡频率 、稳态值、最大超调量与其发生的时间, 并可推导出和 (2)正弦信号响应法通过测量传感器正弦稳态响应的幅值和相角, 就可以得到稳态正弦输入输出的幅值比和相位差。 逐渐改变输入正弦信号的频率,重复前述过程,即 可得到幅频和相频特性曲线。 一阶传感器时间常数τ的确定。将一阶传感器的频 率特性曲线绘成波特图,则其对数幅频曲线dB 处,所测取的角频率,由此可确定一阶传感器 的时间常数τ。 二阶传感器阻尼比和固有频率的确定。二阶传感器的幅频特性曲线,在欠阻尼的情况下,从曲线 上可以测得大体确定和 1.3传感器的基本测量电路在检测系统中,传感器测量电路的作用是将传感器输出的 微弱信号转换成易于测量的电压、电流等电信号。由于传感器 工作原理和特性上的局限性及环境等因素的影响,通常传感器 输出的信号往往都很微弱,且其输出阻抗较高,很容易被噪声 或其他测量仪器所干扰,所以传感器输出的信号一般是不能直 接测量或利用的,因而需要进一步的进行调理,满足测量仪器 所需要的信号。根据需要测量电路还要完成阻抗匹配、微分、 积分、线性化补偿等信号处理工作。 应当指出测量电路的种类和构成是由传感器的类型决定的, 不同的传感器所要求配用的测量电路一般具有自己的特色。常 用的有交、直流电桥、特殊放大电路及变送器等。本节将介绍 这几种测量电路的基本原理和应用技术,以便在后续介绍具体 传感器时直接使用。 1.3.1直流电桥 电桥电路是将电阻、电感、电容等参数的变化转换为电压 或电流输出的一种测量电路。其输出可直接用于指示仪,也可 以送入放大器进行放大。许多传感器是把某种物理量的变化转 换成电阻的变化。由于电桥电路简单可靠,且具有很高的精度 和灵敏度,所以应用非常广泛。 直流电桥主要的优点是所需的高稳定度直流电源较易获 得;电桥输出是直流量,可以用直流仪表测量,精度较高;对 传感器至测量仪表的连接导线要求较低;电桥的预调平衡电路 简单,仅需对纯电阻加以调整即可。但是零漂、温漂和地电位 的影响较大。直流电桥是传感器最重要的测量电路,在电阻式 传感器、应变电阻式传感器中被广泛使用。 1.电桥的平衡条件 图1‐16所示是直流电桥的基本形式。、、、 称为电桥的桥臂电阻,E为电桥的激励源(直流电压 源)。电桥节点c、d为输出端,在接入输入阻抗较大 的仪表或放大器时,可视为开路,输出电压为, 可表示为 cada 图1‐16直流测量电桥由上式可知,欲使输出电压为零,即,此时电 桥达到平衡,必须满足下式 上式是直流电桥的平衡条件。适当选择各桥臂的电阻值,可使电桥在测量前满足平衡条件。为了使计算简 单,减小由于温漂、零点漂移等引起的影响,通常选 取4个桥臂的电阻相等,即 电桥的4个桥臂电阻相等的电桥称为全等臂电桥。若等臂电桥的桥臂电阻发生了的变化(通常称 这样的电桥为单臂电桥),此时电桥就失去了平衡, 根据前面的式得到输出电压为: 在实际的传感器测量电路中,引起传感器的电阻变化比其原始阻值要小得多,即上,因此式 分母中的项可以忽略,则上式变为 若电桥的两个臂的电阻发生了变化,通常是对称臂的电阻发生了变化,如图1‐17所示,这个电桥 称为双臂电桥。 图1‐17双臂桥两个臂的电阻发生了相同方向的变化 若是等臂电桥,且两个桥臂的变化量为 时,此时电桥的输出电压为