第二章传感器概述.ppt

* 第2章 传感器概述 2.1 传感器的组成和分类 1. 定义： 能感受规定被测量,并转换成可用输出信号的器件. 研究对象 2个功能 在不同领域，传感器名称不一样： 电子领域：敏感元件；超声波领域：换能器； 其他：变送器，探头。 2. 组成 (1)敏感元件：感受被测量并输出中间量； (2)转换元件：把中间量转化为电信号； (3)信号调理转换电路和辅助的电源。 某些传感器不存在转换元件 (2) 按工作原理分：如应变式、电容式、压电式、磁电式等。 工程应用时的分类方法 学习时的分类方法 3. 分类方法： (1) 按被测量分：如温度、压力、位移、速度传感器等； 2.2 传感器的基本特性 研究方法：输入输出法 传感器的基本特性：由y与x的关系式 y= f (x)描述 分类：根据输入x是否变化，可以分为 静态特性 (x不变)和动态特性(x变化) 。 2.2.1 传感器的静态特性 静态特性：输入为常量，系统稳定时的基本特性。 实际为缓变量 启动时存在暂态响应 此时y只与x有关，与t无关 特性函数 说明： ①实际中，ai的值并不是由f(x)得到，而是通过实验得到; ②a0 —零点输出； ai (i≠0)—非线性项系数； ③a2=a3=…=an=0,则 y=a0+a1x →是1直线 ,故叫线性传感器 反之叫非线性传感器。 1. 灵敏度 严格定义： 定义： 说明： ①S越大，传感器越灵敏。 ②线性传感器：S是一常数； 非线性传感器： S随x变化而变化。 2. 线性度 (1)拟合直线：用来近似代替实际特性曲线的直线 ①拟合的优点：标度刻度和处理数据方便。 ②拟合的条件：非线性项次数不高(n不高) 或 x变化范围小 (a)理论拟合： 直接令输入输出函数的a2=a3=…=an=0，得 y=a0+a1x →y=f(x)在x=0处的切线 ③拟合方法： (b)过零旋转拟合：将一直线绕曲线与y轴的交点旋转，并使 ⊿L1=⊿L2 (c)端点连线拟合 (d)端点平移拟合：将端点连线拟合平移，并满足 ⊿L1=⊿L2= ⊿L3 四种拟合的误差比较： (a) (c)最大，(b)居中，(d)最小 (e)最小二乘法拟合(补充) 设拟合直线：y=kx+b 实际特性曲线的n个点：(x1，y1)、 (x2，y2) ，…， (xn，yn)。 最小二乘法拟合就是拟合直线与实际曲线所有点的差值平方和最小。 第i个点(xi，yi)两线的差值：⊿i=yi - (kxi+b) 所有点(n个点)差值平方和: ⊿=∑⊿i2=∑[yi - (kxi+b)]2 差值平方和最小: 解出 总体上误差最小 (2)线性度(非线性误差) →系统误差 全量程范围内，实际特性曲线与拟合直线的最大偏差与满量程之比。 线性度值越高，原曲线的线性程度就越差。 3. 迟滞 (1)迟滞 输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化时，静态特性曲线不重合的现象。 (2)迟滞误差→系统误差 全量程范围内，正反行程输出的最大差值与满量程之比。 γH越大，误差越大。 4. 重复性 (1) 重复性 输入量按同一方向作多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 正行程各曲线的最大差值为Rmax1，反行程的最大差值为Rmax2。 (2)重复性误差→随机误差 5. 漂移 (1)什么是漂移？ x 不变，y 却随 t 变化而变化的现象。 (2) 漂移的危害 (3) 漂移的产生原因 ①自身因素 ②外界因素(温度、湿度) (4) 温度漂移 ①分类 零点漂移：输入为0时，温度变化引起的输出变化。 灵敏度漂移：温度变化→灵敏度变化→输出变化 ②温度漂移误差 温度每变化1℃时输出的变化量 yt、y20——传感器在环境温度t℃ 和20℃时的输出。 2.2.2 传感器的动态特性 动态特性：x变化，y不仅与x有关，还与t有关。→ y=f(x,t) 静态特性：x不变，y只与x有关，与t无关。→ y=f(x) 如何得到动态特性的表达式y=f(x,t)呢？下面举例说明。 补充例：加速度传感器如图，传感器读数为m相对于外壳的位移y(零点即平衡位置)。用传感器测量小车加速度a，试确定传感器的特性函数(y与a的关系)。 解：设小车相对于地的位移