第一章传感器和基本特性.ppt

第一章 传感器及基本特性 1、传感器的组成 弹性敏感元件（弹簧管） 弹性敏感元件（弹簧管） 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α 弹簧管放大图 其他各种弹性敏感元件 压力传感器的外形及内部结构 被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量 在右图中， 电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-----电阻的变化（ΔR） 360度圆盘形电位器 右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。 测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。 在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo 。 分压比电路的计算公式如下： 直滑电位器式传感器的输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比： 2、传感器分类 传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有： １）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。 2）按测量原理分类：主要基于电磁原理和固体物理学原理，如基于变电阻原理，相应的有电位器式、应变式传感器；基于变磁阻的原理，相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器；根据半导体的有关理论，相应的有半导体力敏、热敏、光敏等固态传感器。 本教材采用第二种分类法。 二、传感器基本特性 传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。 静态量：指稳定状态的信号或者变化极其缓慢的信号（准静态）。 动态量：通常指周期信号、瞬变信号或者随机信号 1、传感器的静态特性 2、传感器的动态特性 1、静态特性 静态特性：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。通常包括：线性度、灵敏度、精确度（精度）、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性等。 传感器在静态情况下输出—输入的关系，通常用下列代数式来表示 ： Y=a0+a1x+a2x2+……+anxn 静态特性的线性化： 静态校准曲线：传感器的静态特性是在静态标准条件下测定的。在标准的工作条件下，利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行循环往复的测量，即可得到输出—输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被测量值（正行程和反行程）对应输出平均值的连线，即为传感器的静态校准曲线。 灵敏度 ： 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K 来表示： 作图法求灵敏度过程 分辨力：指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。 线性度： 作图法求线性度演示 （ 1—拟合曲线 2—实际特性曲线 ） 常用的拟合直线的方法： 理论拟合 过零旋转拟合 端点拟合 常用的拟合直线的方法：理论拟合、过零旋转拟合、端点拟合，下图为各种直线拟合方法： 设拟合直线方程： 即得到k和b的表达式 迟滞 是指在相同工作条件下进行全测量范围的校准时，在同一次校准中对应同一输入量正行程和反行程之间的最大偏差。数值的表示为最大偏差或者最大偏差的一半与满量程输出值的百分比： 重复性 是指在同一工作条件下，输入量按同一方向连续变动多次所得特性曲线的不一致性。 △Rmax—同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的极差。 可靠性 ：可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。 “老化”试验：在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境? 低温环境? 高温环境……反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低 。 老化 试验台 二 传感器的动态特性 动态特性：传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 1、动态特性的一般数学模型 对于一个线性系统，动态输出与动态输入之间的关心可以用常系数线性微分方程来表示： 用算子D来表示d/dt时，可以写成 利用拉氏变换得到 传感器分为零阶传感器、一阶传感器和二阶传感器。 （1）零阶传感器的数学模型