1、會計學(xué)1 新型檢測基礎(chǔ)知識新型檢測基礎(chǔ)知識 本次課主要內(nèi)容 課程介紹:設(shè)課目的、檢測技術(shù)與傳感器、 課程內(nèi)容及安排、課程參考書 4 傳感器的特性指標(biāo) 2 傳感器的分類及基本要求 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 1 信號檢測在現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)中的地位 靜態(tài)特性指標(biāo) 傳感器靜態(tài)特性的多項式及特性曲線表示 線性度及常用的直線擬合方法 其它靜態(tài)特性指標(biāo)：遲滯、重復(fù)性、靈敏度、分辨 率(力)與閾值、穩(wěn)定性、漂移、靜態(tài)誤差和精度. 動態(tài)特性指標(biāo) 常用傳感器的數(shù)學(xué)模型 動態(tài)特性指標(biāo)：上升時間、時間常數(shù)、響應(yīng)時間、 超調(diào)量衰減率、穩(wěn)態(tài)誤差. 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 第1頁/共51頁 工業(yè)自動化專業(yè)方向的本科生開設(shè)

2、的過程參數(shù)檢測技術(shù) 課,是針對生產(chǎn)過程中的五大參數(shù).自動化方向的研究生,進(jìn)行的 研究的課題范圍很廣,不局限于五大參數(shù). 1.設(shè)課目的 過程參數(shù)新型檢測技術(shù) 課程介紹 本科過程參數(shù)檢測技術(shù)課,在有限的學(xué)時內(nèi),只能介紹成 熟的、典型的、常用的檢測技術(shù),對新型先進(jìn)的檢測技術(shù)介紹很少. 闊寬對參數(shù)檢測的視野,提供其它參數(shù)檢測的有關(guān)知識； 跟蹤檢測技術(shù)的發(fā)展,了解新型檢測技術(shù)的原理、方法； 有關(guān)新型檢測技術(shù)的科研介紹. 為研究生的課題研究及今后的工作,奠定相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)知識. 開設(shè)過程參數(shù)新型檢測技術(shù)課目的 第2頁/共51頁 過程參數(shù)新型檢測技術(shù) 課程介紹 2.檢測技術(shù)與傳感器 檢測技術(shù)作為信息科學(xué)的一

3、個重要分支,與計算機(jī) 技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等一起構(gòu)成了信息技術(shù) 的完整學(xué)科.在人類進(jìn)入信息時代的今天, 人們的一切 社會活動都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心, 傳感器作 為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段, 是信息科學(xué)最前端 的一個陣地,是實現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一. “沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)” 的觀點已為全 世界所公認(rèn). 以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感 官一樣, 源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種 信息,成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有利工具. 第3頁/共51頁 過程參數(shù)新型檢測技術(shù) 課程介紹 2.檢測技術(shù)與傳感器 對于測、控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,檢測技術(shù)-信息獲取技術(shù) 有人把控制

4、系統(tǒng)中的測量變送部分比喻成工業(yè)自動化的眼睛. 實現(xiàn)信息獲取的工具(儀表及自動化裝置)(電五官)-傳感器. 檢測技術(shù)是構(gòu)成傳感器的基礎(chǔ)理論及技術(shù),傳感器作為測、控 系統(tǒng)中對象信息的入口,在現(xiàn)代化事業(yè)中起著重要的作用. 檢測技術(shù)課是介紹傳感器的原理、檢測方法、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等. 先進(jìn)的計算機(jī)控制系統(tǒng),同樣需要信息輸入(即檢測部分),因 此,隨著計算機(jī)在各測、控領(lǐng)域的應(yīng)用,促進(jìn)著各領(lǐng)域傳感器 技術(shù)的發(fā)展. (90年代,國內(nèi)外出現(xiàn)了傳感器熱,國內(nèi)外大學(xué)各專業(yè)都開設(shè) 傳感器方面的課程,同時也出版了很多傳感器方面的書). 第4頁/共51頁 過程參數(shù)新型檢測技術(shù) 課程介紹 3.課程參考書 新型傳感器原理黃俊欽等

5、著 航空工業(yè)出版社 1991. 傳感器技術(shù)賈伯年等著 東南大學(xué)出版社 1992. 電子傳感器李標(biāo)榮著 國防工業(yè)出版社 1993. 新型傳感器基礎(chǔ)徐同舉著 機(jī)械工業(yè)出版社 1987. 半導(dǎo)體傳感器張維新著 1990. 現(xiàn)代傳感器技術(shù)金篆芷著 1995. 現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用賀安之著 1995. 現(xiàn)代傳感器技術(shù)魏永廣著 東北大學(xué)出版社 2001. 傳感器及應(yīng)用技術(shù)沈聿農(nóng)著 化學(xué)工業(yè)出版社 2002. 傳感器及其應(yīng)用欒桂東等著 西安電子科技大學(xué)出版社 2002. 傳感器第4版 唐文彥主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2006. 非電量電測技術(shù)第2版 嚴(yán)鐘豪、譚祖根主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2001. 新型傳感器原理

6、及應(yīng)用王元慶著 機(jī)械工業(yè)出版社 2009. 第5頁/共51頁 過程參數(shù)新型檢測技術(shù) 課程介紹 4.課程內(nèi)容及安排 課程內(nèi)容:考慮近幾年科研中涉及較多的幾個方面, 介紹氣敏、磁敏、濕敏傳感器,新型過程參數(shù)檢測 技術(shù)及光電、光纖等檢測技術(shù). 上課安排 考核方式：大作業(yè)形式 第6頁/共51頁 80年代為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多國家都把檢測技術(shù) (傳感器技術(shù))列為80年代的關(guān)鍵技術(shù)之一. 1 信號檢測在現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)中的地位 研究方向為 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 現(xiàn)代信息系統(tǒng)包括三個主要部分 -人的感官 -神經(jīng)系統(tǒng) -大腦 傳感器(電五官) 通信系統(tǒng) 計算機(jī)(電腦) 改進(jìn)傳統(tǒng)的傳感器 研究各種新

7、型傳感器 70年代微電子技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了通信系統(tǒng)和計算機(jī)的發(fā)展, 而傳感器技術(shù)卻沒有得到相應(yīng)的發(fā)展, 在80年代出現(xiàn)了信息處理 能力過剩、信息獲取能力不足的問題. 由于信息獲取能力的不足, 限制了計算機(jī)在一些領(lǐng)域的應(yīng)用,即限制了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展. 第7頁/共51頁 各國都在關(guān)注、投入傳感器的開發(fā)與研究. 出現(xiàn)了國際性的 “傳感器熱”.開發(fā)各種新型傳感器已成為當(dāng)前發(fā)展科學(xué)技術(shù)的 主要課題之一. 可看出：檢測技術(shù)在現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)中已成為關(guān)鍵技術(shù), 它決定著信息技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展. 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 日本把傳感器技術(shù)列入六大核心技術(shù)之一. (六大核心技術(shù):計算機(jī),半導(dǎo)體,通信,激光,超

8、導(dǎo)和傳感器技術(shù)) 美國認(rèn)為當(dāng)今是傳感器時代,在美國的“空軍2000年”報告中列 舉了關(guān)于有助于提高21世紀(jì)空軍能力的關(guān)鍵技術(shù)項目,其中第 二個 重點項目就是傳感器. 中國,為加快傳感器的發(fā)展,也把傳感器列入“八五”重點科技 攻關(guān)項目之一. 1 信號檢測在現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)中的地位 第8頁/共51頁 我們都是搞自動化的,檢測技術(shù)(信息獲取技術(shù)) 是我們研究、應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要部分,我們都知道 要研制一套滿足要求的自動化系統(tǒng),充分了解傳感器 的原理、性能及正確選擇和使用是非常重要的. 學(xué)習(xí)研究新型檢測技術(shù)的意義 隨著信息處理技術(shù)和計算機(jī)的發(fā)展,促使我們必須 研究、掌握新型傳感器技術(shù)原理和應(yīng)用, 才能

9、滿足現(xiàn) 代自動化系統(tǒng)的高水平要求. 1 信號檢測在現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)中的地位 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 第9頁/共51頁 利用物件的移動、伸縮等幾何尺寸與位置的變化來測量物理量, 然后再轉(zhuǎn)換成電參量.(如雙金屬片檢測溫度變化,利用彈性元件 形變檢測壓力變化等等) 1.按傳感器的構(gòu)成原理 及轉(zhuǎn)換形式分類 結(jié)構(gòu)型 物性型 信息型 智能型 2.傳感器的分類及要求 傳感器發(fā)展很快, 種類多,從不同角度 有幾種分類 結(jié)構(gòu)型 以轉(zhuǎn)換器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換. 結(jié)構(gòu)型傳感器為早期開發(fā)產(chǎn)品,隨著新材料、原理及新工藝的應(yīng)用, 在精度、可靠性、穩(wěn)定性、靈敏度等方向都有很大的提高. 目前此類 傳感器在工業(yè)

10、自動化、過程參數(shù)檢測等方向占有相當(dāng) 大的比重. 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 一、傳感器的分類 第10頁/共51頁 2.傳感器的分類及要求 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 物性型 以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換. 采用敏感材料的某種物理特性,轉(zhuǎn)換器件直接感受被測量(非電 量、電量、化學(xué)、生物量等),并將其轉(zhuǎn)換成電信號,不需要先通過 感受件結(jié)構(gòu)的改變來實現(xiàn)參數(shù)檢測. 這種傳感器是在半導(dǎo)體陶瓷 及有機(jī)高分子功能材料的不斷開發(fā)產(chǎn)生的. 物性型傳感器發(fā)展較晚,但由于有一系列獨特優(yōu)點(結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、重量輕、反應(yīng)靈敏、易于集成化、微型化等),目前引起 傳感器界與科技界的高度重視,雖然存在不少問題

11、有待解決,但 發(fā)展較快,前途不可限量. 1.按傳感器的構(gòu)成原理 及轉(zhuǎn)換形式分類 結(jié)構(gòu)型 物性型 信息型 智能型 一、傳感器的分類 傳感器發(fā)展很快, 種類多,從不同角度 有幾種分類 第11頁/共51頁 一、傳感器的分類 2.傳感器的分類及要求 傳感器發(fā)展很快, 種類多,從不同角度 有幾種分類 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 1.按傳感器的構(gòu)成原理 及轉(zhuǎn)換形式分類 結(jié)構(gòu)型 物性型 信息型 智能型 信息型 敏感器件與信息處理電路集成在一塊芯片上 構(gòu)成的傳感器. 信息型傳感器是隨著半導(dǎo)體集成工藝的發(fā)展而產(chǎn)生的. 第12頁/共51頁 一、傳感器的分類 2.傳感器的分類及要求 傳感器發(fā)展很快, 種類多,從不

12、同角度 有幾種分類 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 1.按傳感器的構(gòu)成原理 及轉(zhuǎn)換形式分類 結(jié)構(gòu)型 物性型 信息型 智能型 智能型 敏感器件、信號處理電路和微處理器集成在 一塊芯片上構(gòu)成的傳感器. 信息型和智能型是在電子傳感器作為一種獨立器件, 與微電子技術(shù)、微處理器技術(shù)結(jié)合, 使傳感器出現(xiàn)的 新的突破. 第13頁/共51頁 2.按敏感材料分類 半導(dǎo)體型： 功能陶瓷型： 功能高聚物型： 機(jī)器人傳感器、汽車傳感器、醫(yī)用(生物)傳感器、 環(huán)保傳感器、過程參數(shù)傳感器等等. 3.按測量對象分類 光敏、濕敏、氣敏、磁敏、溫度、壓力、振動等傳感器. 4.按應(yīng)用領(lǐng)域分類 主要是元素硅或-族、-族化合物. 第一

13、章 2.傳感器的分類及要求 主要是電子半導(dǎo)體瓷、壓電瓷、快離子導(dǎo)體瓷. 主要是各種高分子有機(jī)半導(dǎo)體、壓電體. 一、傳感器的分類 第14頁/共51頁 要求傳感器的靜、動態(tài)響應(yīng)及準(zhǔn)確度滿足要求, 并長期穩(wěn)定. 精度適當(dāng)、穩(wěn)定性高 要求傳感器的輸入、輸出特性為單值函數(shù)關(guān)系 (最好為線性),且靈敏度高,便于信號處理. 二、傳感器應(yīng)滿足的基本要求 第一章 2.傳感器的分類及要求 傳感器作為信息系統(tǒng) 的首要環(huán)節(jié),無論何種傳感器, 都必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠 同時又經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換. 其具體要求： 要求傳感器的工作范圍或量程足夠大,并具有 一定的過載能力. 容量足夠大 特性好、靈敏度高 第15頁/共51頁

14、 一般傳感器很難完全滿足以上要求,應(yīng)根據(jù)具體 使用情況(目的、使用環(huán)境、被測對象狀況、精度要求 和信號處理等)綜合考慮. 成本低、壽命長,易于使用、維護(hù)和校準(zhǔn). 要求可動部分的動作能量盡可能小,對被測對象 的狀態(tài)影響小.內(nèi)部噪聲小且又不受外界干擾影響, 使用安全. 便于測動態(tài)參數(shù),長期工作穩(wěn)定可靠. 第一章 2.傳感器的分類及要求 二、傳感器應(yīng)滿足的基本要求 響應(yīng)速度快、可靠性好 適用性和適應(yīng)性強 使用經(jīng)濟(jì)、方便 第16頁/共51頁 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 一、檢測技術(shù)是一門學(xué)科交叉型應(yīng)用技術(shù) 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 檢測技術(shù)(傳感器技術(shù))是一門學(xué)科交叉型和 知識密集型的應(yīng)用技術(shù). 它涉及

15、傳感技術(shù)、敏感材料、檢測對象機(jī)理、信號的傳輸、放大、處理和顯示技術(shù)等等. 對于傳感器的實際應(yīng)用,又有傳感器的標(biāo)定 技術(shù)(實驗方法確定傳感器各種特性指標(biāo))、抗干 擾技術(shù)(提高傳感器的信噪比, 減少量測誤差)、 接口技術(shù)(與微機(jī)構(gòu)成測控系統(tǒng))等“軟件”技術(shù). 第17頁/共51頁 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成 可用輸出信號的器件或裝置, 通常由敏感元件和 轉(zhuǎn)換元件組成 . 國標(biāo)GB7605-87傳感器定義 傳感器 將被測量轉(zhuǎn)換成便于傳輸和易于處理的 信號輸出的器件或裝置. 一、檢測技術(shù)是一門學(xué)科交叉型應(yīng)用技術(shù) 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 第18頁/共51頁 目前檢

16、測技術(shù)的發(fā)展主要取決于兩方面： 檢測器件(傳感器)的發(fā)展. 電子集成技術(shù)的發(fā)展、信號處理部分的研究與開發(fā). 目前電信號便于傳輸和易于處理,所以,一般傳感器 都是將被測參量轉(zhuǎn)換成電信號輸出. 一、檢測技術(shù)是一門學(xué)科交叉型應(yīng)用技術(shù) 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 隨著光電技術(shù)的發(fā)展,光信號為更便于快速、高效地 處理與傳輸.傳感器將隨之發(fā)展成為將被測參量轉(zhuǎn)換 成光信號的輸出. 新型檢測技術(shù)是隨著各相關(guān)學(xué)科發(fā)展而發(fā)展的一門技術(shù). 第19頁/共51頁 1.開發(fā)新型傳感器 二、檢測技術(shù)發(fā)展動向 目前的傳感器產(chǎn)品,無論從數(shù)量上、 質(zhì)量及功能上,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)社會各方面 的發(fā)展的需要.許多國

17、家都在積極研究、 開發(fā).尋求傳感器技術(shù)發(fā)展的新途徑. 傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢： 傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律, 為此人們在進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功 能材料,研制具有新原理的新型(物性型)傳感 器.這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化 傳感器的重要途徑. 第一章 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 第20頁/共51頁 二、檢測技術(shù)發(fā)展動向 具有技術(shù)優(yōu)勢的半導(dǎo)體材料仍占優(yōu)勢； 陶瓷敏感材料也具有較大的開發(fā)潛力； 高分子功能材料和薄膜材料也將大量應(yīng)用于傳感器； 光纖和超導(dǎo)材料的研究和開發(fā)在加強； 針對生物傳感器研究的各種酶和微生物敏感材料將被深入研究. 目前新材料的研究 第一章 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 1

18、.開發(fā)新型傳感器 目前的傳感器產(chǎn)品,無論從數(shù)量上、 質(zhì)量及功能上,都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)社會各方面 的發(fā)展的需要.許多國家都在積極研究、 開發(fā).尋求傳感器技術(shù)發(fā)展的新途徑. 傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢： 第21頁/共51頁 (1)將敏感元件、信號處理電路、轉(zhuǎn)換單元及電源等部分 集成在同一芯片上, 將單一的信號變換功能傳感器 擴(kuò)展為兼有放大、運算、補償?shù)榷喙δ軅鞲衅? 2.傳感器的集成和多功能 固態(tài)功能材料(半導(dǎo)體、電介質(zhì)、強磁體)的進(jìn)一步開發(fā)和 電子集成技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了傳感器從單一元件、單一功能 向集成化和多功能化發(fā)展. 集成化和多功能化有兩種： 二、檢測技術(shù)發(fā)展動向 第一章 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 典型例子

19、集成溫度傳感器AD590,感溫元件為半導(dǎo)體(PN結(jié)). PN結(jié)感溫集成電路的信號處理電流信號輸出(1A/T). 第22頁/共51頁 (2)將多個不同種類型的傳感器集成為一個傳感器,將單 一參數(shù)傳感器發(fā)展成為多參數(shù)檢測傳感器-多功能. 將多個同類型單一參數(shù)傳感器元件,集成為一個傳感器. 加上時序電路可將單參數(shù)檢測成為多參數(shù)檢測. 典型例子 半導(dǎo)體溫濕度傳感器、多功能氣體傳感器等. 目前有在一芯片上集成了差壓、靜壓、溫度三個傳感器, 使差壓傳感器有t、P 補償?shù)裙δ? 二、檢測技術(shù)發(fā)展動向 2.傳感器的集成和多功能 第一章 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 第23頁/共51頁 智能化傳感器是集敏感、轉(zhuǎn)換和微處

20、理器 為一體的傳感器. 智能化傳感器不僅具有信號檢測、轉(zhuǎn)換功能, 同時還具有記憶、判斷、自診斷、自校準(zhǔn)及 自適應(yīng)等功能. 3.傳感器的智能化 二、檢測技術(shù)發(fā)展動向 第一章 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 第24頁/共51頁 智能傳感器有兩種型式 3.傳感器的智能化 智能傳感器擴(kuò)大功能時只需改變軟件即可實現(xiàn). 二、檢測技術(shù)發(fā)展動向 第一章 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 將計算機(jī)與傳感器集成在同一芯片上構(gòu)成的 智能化傳感器. 芯片有機(jī)地組合稱之為混合智能傳感器.(有些傳感器將 兩者集成在同一芯片上技術(shù)難度很大,分別集成在不同芯片 上然后組合.同樣具有智能化特點.如洗衣機(jī)上采用的布質(zhì) 布量傳感器,模糊電飯鍋上采用的飯

21、量傳感器都屬此類). 將不在同一芯片上的傳感器和微處理器有機(jī) 地組合在一起. 第25頁/共51頁 4.研究生物感官 開發(fā)仿生傳感器 二、檢測技術(shù)發(fā)展動向 第一章 3 檢測技術(shù)發(fā)展動向 研究生物感官的機(jī)理, 開發(fā)仿生傳感器,也是目前 一種發(fā)展趨勢 研究狗的嗅覺和鳥的視覺. (狗嗅覺靈敏閾為人的106倍,鳥視力為人的8-50倍) 研究蝙蝠、飛蛾、海豚的聽覺,已開發(fā)出主動型 生物雷達(dá)-超聲波傳感器. 研究蛇的接近覺,已開發(fā)出分辨率達(dá)0.001的 紅外測溫傳感器. 針對一種海燕能從4910公里飛回巢穴,對這種歸巢 現(xiàn)象開發(fā)研究,希望得到一種新的方位傳感器. 目前世界傳感器市場總銷售額已大大超過50億美

22、元, 其增長速度每年約6%-7%,所以傳感器技術(shù)定會以更高 速度發(fā)展. 第26頁/共51頁 第一章 新型檢測技術(shù)基本知識 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 4 傳感器的特性指標(biāo) 傳感器的特性指標(biāo)是檢驗和 評價傳感器的依據(jù),了解傳感器的 特性指標(biāo),對正確選擇和使用 傳感器十分重要. 靜態(tài)特性-被測量達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系. 動態(tài)特性-傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性. 傳感器特性分為兩種 -線性特性 輸出與輸入為線性關(guān)系. 理想的 靜態(tài)特性 實際的 靜態(tài)特性 -非線性特性 輸出與輸入具有不同程度的非線性. 第27頁/共51頁 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) (1)理想的線性 (2)具有x奇次階

23、項非線性 (3)具有x偶次階項非線性 (4)具有x奇、偶次階項非線性 傳感器的靜態(tài)特性一般可用多項式表示: n nx axaxaaxfy 2 210 )( 0 0 a由式可知： ,靜態(tài)特性曲線過原點. 輸出量, 輸入量； 零點輸出； 傳感器靈敏度； 非線項系數(shù). yx 0 a 1 a n aa 2 傳感器的特性為線性和非線性項的迭加.四種典型特性： xay 1 5 5 3 31 xaxaxay 4 4 2 21 xaxaxay 4 4 3 3 2 21 xaxaxaxay y x y x y x y x 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 第28頁/共51頁 使用傳感器作為信息獲取,為標(biāo)定和信號處理方便,希望得

24、 到線性特性,因此要對傳感器的非線性關(guān)系進(jìn)行線性化處理. 一般是采用硬件電路和軟件進(jìn)行線性化處理. 如果傳感器的靜態(tài)特性的非線性項的方次不高時,則可在 輸入量變化不大的范圍內(nèi),采用直線擬合的方法進(jìn)行線性化. 1.線性度(linearity)(也稱非線性) 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 線性度、遲滯(滯后)、重復(fù)性、靈敏度、分辨力、 閾值、穩(wěn)定性、漂移、靜態(tài)誤差及精度. 傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo) 第29頁/共51頁 1.線性度(linearity)(也稱非線性) %100 max SF L L y maxL SF y 用非線性最大偏差與滿量程輸出 的百分比表示： (FS滿量程

25、Full Scale的簡寫) 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 表征傳感器的實際靜態(tài)特性曲線與所選定的 擬合直線之間的吻合程度指標(biāo). 線性度 L 應(yīng)指出：選定的擬合直線不同,所得的非線性誤差不同, 即對同一傳感器在相同條件下做實驗,得出的 非線性誤差可能不同.因此,不能籠統(tǒng)地說線性 度如何,必須同時說明依據(jù)的基準(zhǔn)直線. 第30頁/共51頁 y x max L 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 以傳感器的理論特性直線為擬合 直線.擬合直線為傳感器的理論特性, 與實際測試值無關(guān). 這種方法簡單、方便,但通常 很大 . max L 采用直線擬合的方法對傳感器進(jìn)行線性化,采

26、用怎樣的 擬合直線,主要考慮盡可能使非線性誤差為最小. 目前常用方法有4種. (1)理論(擬合)直線法 1.線性度(linearity)(也稱非線性) 第31頁/共51頁 把傳感器校準(zhǔn)曲線的兩端點間的 連線作為擬合直線. kxby 直線方程： b-截距, K-斜率. y x max L 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) (2)端點線法(端基法) 1.線性度(linearity)(也稱非線性) 該方法簡單,但 也很大,適合于 非線性較小的情況. max L 第32頁/共51頁 將傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點間的 連線的平移線作為擬合直線, 使最 大正負(fù)偏差相等. 與端點線法相比,非線性誤差

27、 減小一半,提高精度. (3)最佳直線法(端點平移線法) y x max L 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 1.線性度(linearity)(也稱非線性) 第33頁/共51頁 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 按最小二乘原理求取擬合直線.該直線能保證傳感器 校準(zhǔn)曲線的各點(校準(zhǔn)數(shù)據(jù))與該直線的偏差平方和最小. 稱這樣的擬合直線為最小二乘直線. (4)最小二乘法 1.線性度(linearity)(也稱非線性) 設(shè)擬合直線方程為: 實際校準(zhǔn)點為n個,在n個 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中任何一個校準(zhǔn)數(shù)據(jù) 與擬合直線上相應(yīng)值之間 的偏差為： kxay 0 i y )( 0iii kxay

28、 n i i 1 2 n i i 1 2 根據(jù)最小二乘法原理,應(yīng)使 為最小,故可由分別對 和 求一階偏導(dǎo)數(shù),并令其為零,聯(lián)立求解即可求得 和 . k 0 a k 0 a 第34頁/共51頁 ni xxxx 21 ni yyyy 21 nnii yxyxyxyx 2211 22 2 2 1 2 ni xxxx 式中： )( 0iii kxay 0) 1)(2 0)(2 0 2 0 0 2 akxy a xakxy k iii iiii 22 )( ii iiii xxn yxyxn k 22 2 0 )( ii iiiii xxn yxxyx a 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo)

29、kxay 0 1.線性度(linearity)(也稱非線性) 該法是一種常用的方法,計算機(jī)編程計算很方便,擬合精度較高. 但校準(zhǔn)曲線相對擬合直線的最大偏差絕值并不一定最小. (4)最小二乘法 第35頁/共51頁 表征在同一工作條件下,輸入按 同一方向作全量程連續(xù)多次變動時, 特性曲線不一致的程度. 特性曲線越接近,重復(fù)性越好. 表征傳感器正、反行程特性曲線 不一致的程度指標(biāo). %100 max SF H y H e 用最大偏差與滿量程的百分比表示: 2.遲滯(滯后)(hysteresis) 3.重復(fù)性(repeatability) y x 0 SF y SF x y x 0 SF y SF x

30、 max H 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差, 應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差計算. 第36頁/共51頁 傳感器的重復(fù)性,用最大標(biāo)準(zhǔn)誤差與滿量程的百分比表示： %100 )32( SF R y e %7 .993 %4 .952 置信概率為 置信概率為 在誤差理論中可知標(biāo)準(zhǔn)誤差 用貝塞爾公式計算: 1 )( 1 2 n yy n i ii 測量次數(shù) 測量值的算術(shù)平均值 輸出值次測量值第 n y iy i i )( n n d W 計算公式: :有關(guān)由表查得與極差系數(shù) 極差 n，d W n n n n 2 23 34 45 56 67 78 89 91010 d dn n

31、 1.411.411.911.912.242.242.482.482.672.672.882.882.962.963.083.083.183.18 重復(fù)性好,不等于準(zhǔn)確性很高,可能特性曲線跟實際偏差很大. 在 次時,常采用極差法計算,較簡便. 極差法：極差即指某一校準(zhǔn)點重復(fù)數(shù)據(jù)的最大與最小值之差. 10n 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) )20(次n 第37頁/共51頁 表征傳感器在一定輸入變化下對應(yīng)于輸出變化的幅度. 用輸出變化量與對應(yīng)的輸入變化量的比值表示： 4.靈敏度(Sensitity) xyk/ 有源傳感器,應(yīng)說明在多大電源電壓(或電流)值下的靈敏度. (因k與供電電源有關(guān)) 第一章

32、4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 靈敏度為特性曲線的斜率 線性傳感器靈敏度k為一常數(shù)， 非線性傳感器k為變量,有時可用 擬合直線的斜率表示. y x 0 x y 第38頁/共51頁 分辨力:能檢測出被測輸入量的最小變化量(用絕對值表示) 分辨率:最小變化量與滿量程的百分比(用相對百分比表示) 指傳感器零點附近的分辨力.使傳感器輸出產(chǎn)生可觀測 變化的最小輸入值.即有些傳感器在零點附近有嚴(yán)重的非 線性,形成所謂的“死區(qū)”.將死區(qū)的大小作為閾值. (零點誤差) 5.分辨率(力)(resolution)與閾值(threshold) 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 指傳感器能檢測到

33、的最小輸入量.只有輸入超過某一 變量,輸出才有反應(yīng).(分辨率低的傳感器可使連續(xù)變化 的輸入量變?yōu)殡A梯式的輸出量.數(shù)字式傳感器的分辨率 一般指輸出數(shù)字顯示值的最后一位數(shù)字). 分辨率 閾值 第39頁/共51頁 指傳感器在零輸入狀態(tài)下,輸出值的變化. 表征傳感器在相當(dāng)長時間內(nèi)保持其性能的能力. 一般以室溫條件下,規(guī)定時間內(nèi)傳感器的輸出與標(biāo)定 時的輸出之差來表示.(用絕對誤差或相對誤差表示) 7.漂移(Zero drift)(零點漂移) 6.穩(wěn)定性(Stability)(長期穩(wěn)定性) 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 時間零點漂移(時漂) -在溫度不變條件下,規(guī)定時間內(nèi),傳感器 輸出隨

34、時間的緩慢變化.XX/年 (零點和靈敏度發(fā)生變化).一般有兩種： -溫度變化傳感器輸出隨溫度的化.XX/0C 溫度零點漂移(溫漂) 第40頁/共51頁 表征傳感器在量程范圍內(nèi)任一點輸出值與 理論值的偏離程度. 它是各種誤差(非線性誤差、遲滯誤差重、 復(fù)性誤差等)綜合體現(xiàn).用絕對誤差 表示. S e 評價 傳感器靜態(tài)性能的 綜合性指標(biāo) 一、靜態(tài)特性指標(biāo) 8.靜態(tài)誤差和精度(Sensitity) 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 靜態(tài)誤差 傳感器的靜態(tài)誤差是用高精確儀器 (或工作基準(zhǔn))來標(biāo)定:( ) 高精度儀器作為標(biāo)準(zhǔn)時, 必須定期在 高一級標(biāo)準(zhǔn)站校準(zhǔn). 0 yyeS 第41頁/共51頁 用傳感器在規(guī)

35、定條件下,最大絕對誤差 相對于滿量程的百分比表示. 一、靜態(tài)特性指標(biāo) %100 max SF S y e 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 8.靜態(tài)誤差和精度(Sensitity) 精度 精度等級 精度去掉百分號和正、負(fù)號. 精度等級代表的誤差是指傳感器在 測量范圍內(nèi)的最大誤差. 第42頁/共51頁 傳感器的動態(tài)特性,通常用描述傳感器的輸入、輸出 關(guān)系的微分方程來表示.常用傳感器的數(shù)學(xué)模型可以用 零階、一 階、二階常微分方程來描述. 傳感器的動態(tài)特性是指輸出對輸入變化的響應(yīng)特性. 二階傳感器的數(shù)學(xué)模型： 零階傳感器的數(shù)學(xué)模型： kxx a b y 0 0 k-為靜態(tài)靈敏度 一階傳感器的數(shù)學(xué)模型：

36、xbya dt dy a 001 xbya dt dy a dt yd a 001 2 2 2 )(/ 20 無阻尼固有頻率aa n 臨界阻尼 過阻尼 欠阻尼 阻尼比 1 1 1 2/ 201 aaa 稱： 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 二、動態(tài)特性指標(biāo) 第43頁/共51頁 單位階躍信號： 01 00 )( t t tu 0 t X(t) y(t) t 0 yc 0.9yc 0.1yc tr 1 A 2 A 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 二、動態(tài)特性指標(biāo) 工程上采用階躍函數(shù)輸入信號, 來對傳感器動態(tài)特性進(jìn)行分析, 確定評定動態(tài)特性的指標(biāo). 在單位階躍信號輸入時, 得到傳感器動態(tài)特性曲線 (微分方程的解)衡量動態(tài) 特性指標(biāo). 第44頁/共51頁 第一章 4 傳感器的特性指標(biāo) 二、動態(tài)特性指標(biāo) 傳感器輸出由穩(wěn)態(tài)值的 10%上升到90%所需的時間. 傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值 的63%所需的時間. 輸入加入開始到輸出上升 到穩(wěn)態(tài)值附近的給定的百分 比(如5%)所需的時間,或 明確為百分之幾的響應(yīng)時間. 0 t X(t) y(t) t 0 yc 0.9yc 0.1yc t