傳感器的選擇76413課件

第2講傳感器的選用依據(jù)

及性能的改善方法1１傳感器選用有哪些注意事項(xiàng)？傳感器信號(hào)調(diào)理信號(hào)處理、顯示21）測(cè)試的對(duì)象、目的和要求測(cè)量的對(duì)象；目的；被測(cè)量的選擇；測(cè)量范圍；輸入信號(hào)的最大值；頻帶寬度；測(cè)試精度要求；測(cè)量所需要的時(shí)間等。2）傳感器的特性靜、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)；輸出量的類(lèi)型；校正周期；過(guò)載信號(hào)保護(hù)；配套儀器等。3選擇傳感器時(shí)要考慮的事項(xiàng)很多，但無(wú)需滿足所有的事項(xiàng)要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的目的、指標(biāo)、環(huán)境等，有不同的側(cè)重點(diǎn)。例如，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用的傳感器．就必須重視經(jīng)得起時(shí)間考驗(yàn)等長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題；而對(duì)機(jī)械加工或化學(xué)分析等時(shí)間比較短的工序過(guò)程．則需要靈敏度和動(dòng)態(tài)特性較好的傳感器。為了提高測(cè)量精度，應(yīng)注意以平常使用時(shí)的顯示值要在滿刻度的50％左右來(lái)選擇測(cè)定范圍或刻度范圍。選擇傳感器的響應(yīng)速度，目的是適應(yīng)輸入信號(hào)的頻帶寬度。合理選擇設(shè)置場(chǎng)所，注意安裝方法，了解傳感器的外形尺寸、重量等。5選用傳感器需要注意的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)中，比較重要的一點(diǎn)就是必須對(duì)所選傳感器的性能特點(diǎn)有足夠的了解。如果僅僅是簡(jiǎn)單的應(yīng)用，則可以通過(guò)對(duì)傳感器的性能指標(biāo)的了解來(lái)選擇傳感器；若應(yīng)用要求較高，環(huán)境復(fù)雜，則還需要從傳感器的原理等方面對(duì)傳感器的性能進(jìn)行考察，如從傳感器的工作原理出發(fā)，分析被測(cè)物體中可能會(huì)產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)等問(wèn)題，以確定選擇哪一種傳感器最合適。6２傳感器的選用有何依據(jù)？7產(chǎn)品型號(hào)：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(biāo)

測(cè)量范圍：0--1000Kg輸出靈敏度：1.5--2.0V/V非線性：0.0２級(jí)；0.05級(jí)；0.1級(jí)遲滯：0.0２級(jí)；0.05級(jí)；0.1級(jí)重復(fù)性：0.0２級(jí)；0.05級(jí)；0.1級(jí)

綜合精度：0.03級(jí)；0.1級(jí)

零點(diǎn)溫度系數(shù)：

<0.05%F.S

靈敏度溫度系數(shù)：<0.05%F.S

零點(diǎn)不平衡輸出：<1%F.S

輸入阻抗：

685±30Ω；

輸出阻抗：

650±5Ω

激勵(lì)電壓：

10V(或12V）；工作溫度：-20---+80℃9一、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(xiàng)待定常數(shù)。靜態(tài)條件代數(shù)方程特性曲線條件：不考慮傳感器滯后、蠕變情況下102.特性曲線描述傳感器輸入-出關(guān)系曲線112.線性度（非線性）傳感器的實(shí)際輸入-輸出曲線（校準(zhǔn)曲線）與擬合直線（工作曲線）之間的吻合（偏離）程度?！鱈max——校準(zhǔn)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(guò)程，就是傳感器的線性化過(guò)程。13擬合直線的選定原則：保證盡量小的非線性誤差計(jì)算與使用方便選定擬合直線的方法：14（4）最小二乘法：與校準(zhǔn)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(duì)k和b求一階導(dǎo)數(shù)，并令其=0，可求出b和k設(shè)擬合直線殘差15*（6）軟件線性化方法1、計(jì)算法條件：傳感器輸出與被測(cè)量間有確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式方法：軟件編寫(xiě)計(jì)算程序曲線擬合2、查表法條件：傳感器輸出與被測(cè)量間無(wú)法用函數(shù)擬合173、插值法原理：將查表法與計(jì)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183.重復(fù)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(cè)試時(shí)，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。19標(biāo)準(zhǔn)偏差σ按貝塞爾公式計(jì)算，即：、

、

——正、反行程各標(biāo)定點(diǎn)響應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差

——正、反行程各標(biāo)定點(diǎn)的響應(yīng)量的平均值

21j——標(biāo)定點(diǎn)序號(hào)，j＝1、2、3、…、m；i——標(biāo)定的循環(huán)次數(shù)，i＝1、2、3、…、n；

yjiD、yjiI——正、反行程各標(biāo)定點(diǎn)輸出值再取σjD

、σjI的均方值為子樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，

則224.靈敏度5.分辨力（率）與電源電壓有關(guān)：位移傳感器：1V,1mm,100mV靈敏度：100(mV/mm·V)分辨力：規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)能檢測(cè)出的輸入量的最小變化量分辨率：分辨力/滿量程輸入值非線性傳感器線性傳感器=常數(shù)239.靜態(tài)誤差（精度）（1）將非線性、滯后、重復(fù)性、代數(shù)法綜合偏大（2）將全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)相對(duì)于擬合直線求標(biāo)準(zhǔn)偏差偏?。?）將非線性、滯后視為系統(tǒng)誤差，重復(fù)性視為隨機(jī)誤差25三傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)2627一階環(huán)節(jié)一階傳感器二階環(huán)節(jié)二階傳感器零階環(huán)節(jié)零階傳感器比例環(huán)節(jié)、無(wú)慣性環(huán)節(jié)29例分析加速度傳感器的動(dòng)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)302.傳遞函數(shù)定義：初始條件為零時(shí)，輸出量（響應(yīng)函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（激勵(lì)函數(shù)）拉普拉斯變換之比。拉氏變換：31簡(jiǎn)寫(xiě)為：兩邊取拉氏變換：輸出量拉氏變換輸入量拉氏變換傳遞函數(shù)：32特點(diǎn)：（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與x(t)無(wú)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)H(s)X(s)Y(s)（4）通過(guò)實(shí)驗(yàn)求傳遞函數(shù)33（5）多環(huán)節(jié)串并聯(lián)的傳感器系統(tǒng)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)n個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)n個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)34二、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)階躍響應(yīng)法（時(shí)域）階躍函數(shù)正弦函數(shù)指數(shù)函數(shù)沖擊函數(shù)頻率響應(yīng)法（頻域）動(dòng)態(tài)誤差輸出穩(wěn)定后與理想輸出量的誤差輸入量躍變，輸出量在過(guò)渡狀態(tài)的誤差？動(dòng)態(tài)特性/動(dòng)態(tài)誤差/輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)35時(shí)間常數(shù)一階傳感器系統(tǒng)階躍響應(yīng)1.階躍響應(yīng)單位階躍信號(hào)36二階傳感器系統(tǒng)階躍響應(yīng)上升時(shí)間Tr響應(yīng)時(shí)間Ts超調(diào)量a1峰值時(shí)間Tp延滯時(shí)間Td衰減率穩(wěn)態(tài)誤差37例熱電偶傳感器測(cè)溫過(guò)程中的動(dòng)態(tài)誤差分析。環(huán)境溫度T0被測(cè)液體溫度TT>T0382.頻率響應(yīng)輸入信號(hào)輸出信號(hào)頻率響應(yīng)特性：輸入頻率變化、幅值相等的正弦信號(hào)，輸出信號(hào)幅值與輸入頻率的關(guān)系：幅頻特性輸出信號(hào)相位與輸入頻率的關(guān)系：相頻特性

39相頻特性頻率響應(yīng)函數(shù)指數(shù)形式：幅頻特性其中，動(dòng)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(fù)數(shù)比40對(duì)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413.一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析一階系統(tǒng)微分方程（1）頻率響應(yīng)特性分析時(shí)間常數(shù)靜態(tài)靈敏度拉氏變換傳遞函數(shù)42頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論：越小，頻率響應(yīng)特性越好。線性43越小，階躍響應(yīng)特性越好。（2）階躍響應(yīng)特性分析一階系統(tǒng)微分方程穩(wěn)態(tài)響應(yīng)暫態(tài)響應(yīng)階躍函數(shù)44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(dǎo)其幅頻特性、相頻特性及階躍相應(yīng)特性。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）45頻率響應(yīng)特性分析幅頻特性相頻特性階躍響應(yīng)特性46四改善傳感器性能的技術(shù)途徑47１、結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇確保主要指標(biāo)，放寬次要指標(biāo)，以求高性價(jià)比２、差動(dòng)技術(shù)目的：改善非線性研究生產(chǎn)部門(mén)：系列產(chǎn)品用戶：合理選擇思路：48三個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)：

（1）兩個(gè)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(hào)：二者輸出相減：49例變面積式差動(dòng)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(xiàng)l。50例超聲波流速計(jì)。介質(zhì)性質(zhì)溫度傳播速度c可逆性超聲波發(fā)生器電能機(jī)械能超聲波接收器機(jī)械能電能發(fā)射超聲波:接收超聲波:超聲波換能器：壓電式超聲波傳感器：聲-電轉(zhuǎn)換傳播時(shí)間內(nèi)計(jì)脈沖51３、平均技術(shù)目的：減小隨機(jī)誤差誤差平均效應(yīng)數(shù)據(jù)平均處理消除了聲速變化的影響521）.誤差平均效應(yīng)n個(gè)完全相同的電容傳感器并聯(lián)容柵傳感器中的誤差平均效應(yīng)532）.數(shù)據(jù)平均處理方法：將相同條件下的測(cè)量重復(fù)n次，或n次采樣，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，隨機(jī)誤差減小倍。４、穩(wěn)定性處理造成傳感器性能不穩(wěn)定原因：材料、元器件性能變化穩(wěn)定性處理方法：電氣元件：老化、篩選材料結(jié)構(gòu)材料：時(shí)效處理、冰冷處理永磁材料：時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化交流穩(wěn)磁處理54５、屏蔽、隔離和干擾抑制思路傳感器：減小對(duì)影響因素的靈敏度外界影響因素：降低對(duì)傳感器的實(shí)際作用功率551）、屏蔽563）電路措施（1）去耦濾波器2）隔離隔熱、隔振、密封信號(hào)地線電源地線信號(hào)源地線屏蔽保護(hù)接地線地線將測(cè)量系統(tǒng)的各種地線連接在一起，并且只在一點(diǎn)接地。（2）“單點(diǎn)”接地目的：消除公共阻抗耦合的干擾水下測(cè)試問(wèn)題注意事項(xiàng)57６、零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)目的：消除或削弱系統(tǒng)誤差1）零示法原理：被測(cè)量和已知標(biāo)準(zhǔn)量對(duì)儀表的作用相互平衡舉例：機(jī)械天平優(yōu)點(diǎn)：消除儀器不準(zhǔn)造成的誤差2）微差法原理：被測(cè)量和已知標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量相近標(biāo)準(zhǔn)量微差，儀表讀出不連續(xù)可變583）閉環(huán)技術(shù)K1K2Kn開(kāi)環(huán)系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差對(duì)系統(tǒng)總誤差的影響是等權(quán)的。標(biāo)準(zhǔn)量相對(duì)誤差指示儀表相對(duì)誤差相對(duì)微量測(cè)量誤差59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)60閉環(huán)靜態(tài)傳遞函數(shù)閉環(huán)時(shí)間常數(shù)特點(diǎn)：（1）精度高、穩(wěn)定性好（2）動(dòng)態(tài)特性好61７、補(bǔ)償與校正例傳感器溫度誤差補(bǔ)償。補(bǔ)償與校正方法硬件：電子線路軟件：?jiǎn)纹瑱C(jī)62８、集成化與智能化1）集成化（1）將傳感器和信號(hào)處理電路制作在同一芯片上（2）將多個(gè)相同或不同的敏感元件集成在同一芯片上，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量。特點(diǎn)：成本低、體積小、性能改善、可靠性高、接口靈活63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64（1）傳感器的智能化傳感器接口微處理器（2）智能化傳感器傳感器處理電路接口電路微處理器大規(guī)模集成智能傳感器2）智能化傳感器與微機(jī)結(jié)合傳感器的智能化智能化傳感器65五傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)66１、標(biāo)定與校準(zhǔn)的概念壓電式壓力傳感器電荷信號(hào)壓力信號(hào)活塞式壓力計(jì)：已知標(biāo)準(zhǔn)力精度已知檢測(cè)設(shè)備測(cè)量校準(zhǔn)：傳感器在使用中或存儲(chǔ)后進(jìn)行的性能復(fù)測(cè)——再次的標(biāo)定標(biāo)定：利用標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)度的過(guò)程輸入-輸出關(guān)系修正67２、標(biāo)定的基本方法標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備輸出量已知非電量待標(biāo)定傳感器輸入量

標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出2

待標(biāo)定傳感器輸入量發(fā)生器輸出1輸入標(biāo)準(zhǔn)量：由標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)得到實(shí)質(zhì)：待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較68３、標(biāo)定系統(tǒng)的組成（1）被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器（2）被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)（3）待標(biāo)定傳感器配接的信號(hào)檢測(cè)設(shè)備活塞式壓力計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器產(chǎn)生測(cè)力機(jī)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)力標(biāo)準(zhǔn)力傳感器產(chǎn)生恒溫源測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)產(chǎn)生69為保證精度和可靠性，使用中注意問(wèn)題：（1）標(biāo)定等級(jí)：只能用上一級(jí)精度的標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定下一級(jí)精度的傳感器