《傳感器的選擇》課件.ppt

1、1,第2講 傳感器的選用依據(jù)及性能的改善方法,2,傳感器選用有哪些注意事項,？,傳感器,信號調(diào)理,信號處理、顯示,3,1）測試的對象、目的和要求 測量的對象； 目的； 被測量的選擇； 測量范圍；輸入信號的最大值； 頻帶寬度；測試精度要求； 測量所需要的時間等。 2）傳感器的特性 靜、動態(tài)特性指標； 輸出量的類型； 校正周期； 過載信號保護； 配套儀器等。,4,3）測試條件 包括傳感器的設(shè)置場所； 環(huán)境 (溫度、濕度、振動等)； 測量時間； 與其它設(shè)備的連接距離； 所需功率等。 4）與購買和維護有關(guān)的事項 性價比； 零配件的儲備； 售后服務(wù)與維修制度、保修時間； 交貨日期等。,5,選擇傳感器時要

2、考慮的事項很多，但無需滿足所有的事項要求，應根據(jù)實際使用的目的、指標、環(huán)境等，有不同的側(cè)重點。 例如，長時間連續(xù)使用的傳感器就必須重視經(jīng)得起時間考驗等長期穩(wěn)定性問題； 而對機械加工或化學分析等時間比較短的工序過程則需要靈敏度和動態(tài)特性較好的傳感器。 為了提高測量精度，應注意以平常使用時的顯示值要在滿刻度的50左右來選擇測定范圍或刻度范圍。 選擇傳感器的響應速度，目的是適應輸入信號的頻帶寬度。 合理選擇設(shè)置場所，注意安裝方法，了解傳感器的外形尺寸、重量等。,6,選用傳感器需要注意的幾點注意事項中，比較重要的一點就是必須對所選傳感器的性能特點有足夠的了解。 如果僅僅是簡單的應用，則可以通過對傳感器

3、的性能指標的了解來選擇傳感器； 若應用要求較高，環(huán)境復雜，則還需要從傳感器的原理等方面對傳感器的性能進行考察，如從傳感器的工作原理出發(fā)，分析被測物體中可能會產(chǎn)生的負載效應等問題，以確定選擇哪一種傳感器最合適。,7,傳感器的選用有何依據(jù)？,8,傳感器的性能及評價指標,9,產(chǎn)品型號：CLBSB板環(huán)式拉壓力傳感器品 牌： 天力產(chǎn) 地： 安徽 主要技術(shù)指標 測量范圍：0-1000Kg 輸出靈敏度：1.5-2.0V/V 非線性： 0.0級 ；0.05級 ；0.1級 遲滯： 0.0級 ；0.05級 ；0.1級 重復性：0.0級 ；0.05級 ；0.1級 綜合精度：0.03級；0.1級 零點溫度系數(shù)： 0.

4、05%F.S 靈敏度溫度系數(shù)：0.05%F.S 零點不平衡輸出：1%F.S 輸入阻抗： 68530 ；輸出阻抗： 6505 激勵電壓： 10V(或12V） ； 工作溫度： -20-+80,10,一、傳感器的靜態(tài)模型,1. 代數(shù)方程,x 輸入量 ； y 輸出量 ； a0 零位輸出 ； a1 傳感器的靈敏度：K、S ； a2 an 非線性項待定常數(shù)。,條件：不考慮傳感器滯后、蠕變情況下,11,2. 特性曲線 描述傳感器輸入-出關(guān)系曲線,12,二、傳感器的靜態(tài)特性指標,Hmax 正反行程輸出 的最大差值 yF.S 滿量程輸出量,線性度、滯后、重復性、靈敏度、分辨力、閾值、 穩(wěn)定性、漂移、精度（靜態(tài)誤

5、差）,13,2. 線性度（非線性）,傳感器的實際輸入-輸出曲線（校準曲線）與 擬合直線（工作曲線）之間的吻合（偏離）程度。,Lmax 校準曲線與擬合 直線間的最大差值 yF.S 滿量程輸出值,選定擬合直線的過程，就是傳感器的線性化過程。,14,擬合直線的選定原則：保證盡量小的非線性誤差 計算與使用方便,選定擬合直線的方法：,15,（4）最小二乘法：與校準曲線的殘差平方和最小,例1-6： 用最小二乘法求擬合直線。,分別對k和b求一階導數(shù)，并令其=0， 可求出b和k,設(shè)擬合直線,殘差,16,（5）硬件線性化方法,原理：以非線性矯正非線性 “以畸制畸”,方法一：兩只非線性傳感器 差動方式 非線性誤差

6、大小相等，極性相反,* 方法二：利用線性元件和非線性元件的串、并聯(lián),17,* （6）軟件線性化方法,1、計算法,條件：傳感器輸出與被測量間有確定的數(shù)學表達式,方法：軟件編寫計算程序 曲線擬合,2、查表法,條件：傳感器輸出與被測量間無法用函數(shù)擬合,18,3、插值法,原理：將查表法與計算法結(jié)合,方法：線性插值、拋物線插值、拉格朗日插值、 牛頓插值、埃米特插值,19,3. 重復性,傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次(三次以上)測試時，所得特性曲線間一致程度的指標。,20,重復性誤差為隨機誤差，指標定值的分散性，可用引用誤差表示：,R同一激勵量對應多次循環(huán)的同向行程 響應量的極差

7、。,可根據(jù)標準偏差來計算R ：,子樣標準偏差； n標定循環(huán)次數(shù),K置信因子，K=2時，置信度為95%； K=3時，置信度為99.73%。,21,標準偏差按貝塞爾公式計算， 即：,、,、,正、反行程各標定點響應量的標準偏差,正、反行程各標定點的響應量的平均值,22,j標定點序號，j1、2、3、m； i標定的循環(huán)次數(shù)，i1、2、3、n；,yjiD、yjiI正、反行程各標定點輸出值,再取jD 、jI的均方值為子樣的標準偏差， 則,23,4. 靈敏度,5. 分辨力（率）,分辨力：規(guī)定測量范圍內(nèi)能檢測出的輸入量的最小變化量,分辨率：分辨力/滿量程輸入值,24,6. 穩(wěn)定性,7. 漂移,8. 閾值,產(chǎn)生可

8、測輸出變化量時的最小輸入量值,長期穩(wěn)定性,標定的有效期,外界干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化。,25,9. 靜態(tài)誤差（精度）,（3）將非線性、滯后視為系統(tǒng)誤差，重復性視 為隨機誤差,26,三 傳感器的動態(tài)數(shù)學模型及 動態(tài)特性指標,27,28,一、動態(tài)模型,1. 微分方程,條件：線性定常系統(tǒng),29,30,例 分析加速度傳感器的動態(tài)特性。,加速度-慣性力-位移-伸縮變形-反作用力-位移與加速度 二階環(huán)節(jié)的傳感器 通解與特解 暫態(tài)/穩(wěn)態(tài) 傳遞函數(shù),31,2. 傳遞函數(shù),定義：初始條件為零時，輸出量（響應函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（激勵函數(shù)）拉普拉斯變換之比。,拉氏變換：,32,簡寫為：,兩邊取

9、拉氏變換：,輸出量拉氏變換,輸入量拉氏變換,傳遞函數(shù)：,33,特點：,（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與 x(t) 無關(guān)。,（2）X(s)、Y(s)、H(s) 知二求一,（3）相同的傳遞函數(shù)可以表征不同物理系統(tǒng),（4）通過實驗求傳遞函數(shù),34,（5）多環(huán)節(jié)串并聯(lián)的傳感器系統(tǒng),35,二、動態(tài)特性指標,輸入標準信號,階躍響應法（時域）,頻率響應法（頻域）,動態(tài)誤差,？動態(tài)特性/動態(tài)誤差/輸入標準信號,36,1. 階躍響應,單位階躍信號,37,二階傳感器系統(tǒng)階躍響應,38,例 熱電偶傳感器測溫過程中的動態(tài)誤差分析。,39,2. 頻率響應,頻率響應特性：輸入頻率變化、幅值相等的正弦信號， 輸出信號幅值與

10、輸入頻率的關(guān)系：幅頻特性 輸出信號相位與輸入頻率的關(guān)系：相頻特性,40,相頻特性,頻率響應函數(shù),指數(shù)形式：,幅頻特性,其中，,動態(tài)靈敏度、增益,正弦/傳感器，穩(wěn)定狀態(tài)下，輸入與輸出復數(shù)比,41,對數(shù)幅頻特性曲線,通頻帶,其中，0dB水平線是理想的零階系統(tǒng)的幅頻特性,42,3. 一階系統(tǒng)的動態(tài)響應分析,一階系統(tǒng)微分方程,（1）頻率響應特性分析,拉氏變換,傳遞函數(shù),43,頻率響應函數(shù),幅頻特性：,相頻特性：,討論：,越小，頻率響應特性越好。,線性,44,越小，階躍響應特性越好。,45,例 分析溫度傳感器模型，給出輸入量（T0）與輸出量（T）間的微分方程，并推導其幅頻特性、相頻特性及階躍相應特性。

11、已知：傳感器敏感部分質(zhì)量為m，比熱為c，表面積 為s，傳熱系數(shù)為h（W/m2. K）,46,頻率響應特性分析,幅頻特性,相頻特性,階躍響應特性,47,四改善傳感器性能的技術(shù)途徑,48,、結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇,確保主要指標，放寬次要指標，以求高性價比,思路：,49,三個技術(shù)環(huán)節(jié)： （1）兩個完全相同的傳感器 （2）接受輸入量：大小相等，方向相反 （3）輸出相減,方法：,傳感器1：,非線性改善，輸出靈敏度提高一倍。,完全相同傳感器2，輸入量反號：,50,例 變面積式差動電容傳感器。,輸出：,靈敏度：,輸出靈敏度提高一倍，消除了零位輸出項 l。,51,例 超聲波流速計。,傳播時間內(nèi)計脈沖,52

12、,、平均技術(shù),消除了聲速變化的影響,53,1）. 誤差平均效應,54,2）. 數(shù)據(jù)平均處理,方法：將相同條件下的測量重復n次，或n次采樣，然后 將數(shù)據(jù)進行平均處理，隨機誤差減小 倍。,、穩(wěn)定性處理,造成傳感器性能不穩(wěn)定原因：材料、元器件性能變化,55,、屏蔽、隔離和干擾抑制,56,1）、屏蔽,57,水下測試問題注意事項,58,2）微差法,原理：被測量和已知標準量差別減小到一定程度后， 使儀表誤差的影響大大減小。,被測量,不連續(xù)可變,59,3）閉環(huán)技術(shù),每個環(huán)節(jié)的相對誤差對系統(tǒng)總誤差的影響是等權(quán)的。,標準量相對誤差,指示儀表相對誤差,相對微量,測量誤差,60,比較平衡方式：力、力矩平衡、電壓（流）平衡、熱平衡,A靜態(tài)傳遞函數(shù),反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù),61,（2）動態(tài)特性好,62,、補償與校正,例 傳感器溫度誤差補償。,63,（1）將傳感器和信號處理電路制作在同一芯片上,（2）將多個相同或不同的敏感元件集成在同一芯 片上，實現(xiàn)多參數(shù)測量。,特點：成本低、體積小、性能改善、 可靠性高、接口靈活,64,絕緣螺栓,絕緣 墊圈,引線,石英壓 電片,慣性 質(zhì)量,超小型阻 抗變換器 電纜插座,內(nèi)部裝有超小型阻抗變換 器的壓電式加速度傳感器,65,66,67,、標定與校準的概念,活塞式壓力