智能传感器系统刘君华第2章.ppt
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1、第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.1 传感器系统的基本特性传感器系统的基本特性 2.2 几种传感器工作原理几种传感器工作原理 2.3 提高传感器性能的技术途径提高传感器性能的技术途径 第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.1 传感器系统的基本特性传感器系统的基本特性 图图2-1 传感器系统传感器系统 第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 对传感器系统的基本特性研究,主要用于两个方面:第一,用作为一个测量系统。这时必须已知传感器系统的基本特性,才能测量输出信号y(t)。这样可通过基本特性和输出来推断导致该输出的系统的输入信号x(t
2、)。这就是未知被测物理量的测量过程。第二,用于传感器系统本身的研究、设计与建立。这时必须观测系统的输入x(t)及与其相应的输出y(t),才能推断建立系统的特性。如果系统特性不满足要求,则应修改相应的内部参数,直至合格为止。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.1.1 静态特性静态特性静态特性又称“刻度特性”、“标定曲线”或“校准曲线”。它表示当输入系统的被测物理量x(t)为不随时间变化的恒定信号,即x(t)=常量时,系统的输入与输出之间呈现的关系。通常,静态特性可由如下的多项式来表示:式中:式中:s0,s1,s2,sn常量;常量;y输出量;输出量;x输入量。输入量。(2-1)第2章智能
3、传感器系统中的经典传感技术基础 一、一、静态特性的基本参数静态特性的基本参数 1.零位零位(零点零点)当输入量为零即x=0时,传感器系统(以下简称系统)输出量y不为零的数值,由(2-1)式可得零位值为如图2-2所示。零位值应从测量结果中设法消除。(2-2)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 图2-2静态特性第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.量程量程Y(FS)量程又称“满度值”,它表征系统能够承受最大输入量xFS的能力。其数值是系统示值范围上、下限之差的模。当输入量在量程范围以内时,系统正常工作并保证预定的性能。注意,对于输出标准化的传感器系统,我们把它称为“变送器”,它有如下
4、的严格的规范值:零位值y0=s0=4mA上限值yFS=20mA量程Y(FS)=16mA第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 3.灵敏度灵敏度灵敏度表征系统对输入量变化反应的能力。其数值由系统输出变化量y与引起该变化的输入变化量x的比值S来表示输入量与输出量也可以采用相对变化量形式,如y/y,x/x,与之相对应的灵敏度也可有多种表达形式,如(2-3)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 图2-3实际的多输入系统第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 如果采用一个压力传感器系统测量气缸内工作气体的压力,但是实际工作气体压力变化xP的过程必然伴随着温度的变化xT,传感器系统的供电电压在测量
5、期间也不可能绝对恒定,而有变化xV,这时的传感器系统至少是一个三输入(xP,xV,xT)单输出y系统。如果每个输入量的变化都能引起输出量的变化,则该系统存在“交叉灵敏度”:第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 对于一个存在交叉灵敏度的传感器系统,一定是一个低精度、性能不稳定的系统。经典的传感器系统没有能力从输出改变量y来精确推断某一个输入量的变化值,如xP,因为这时可能xP=0,根本没改变;输出改变量y的产生可能是温度变化xT或电压变化xV引起的。对于经典传感器系统,通常都存在着对工作环境温度、供电电压的交叉灵敏度。人们一直都在为减小交叉灵敏度而努力,如采用稳压源、恒流源供电,采用各种温度
6、补偿措施降低温度的交叉灵敏度。智能传感器系统依靠强大的软件功能在降低交叉灵敏度方面有重大突破。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 4.分辨率分辨率分辨率又称“灵敏度阈”或“分辨力”,它表征系统有效辨别输入量最小变化量的能力。具有A/D转换器的传感器系统,其分辨率为一个量化值q对应的输入变化量。这就要求传感器系统设置合理的放大倍数。采取有效消除干扰、抑制噪声的措施,把噪声电平压制在半个量化值(q/2)以下,信号电平大于q/2,即具有足够的信噪比。智能传感器系统与经典传感器相比,不仅有硬件而且还可以有强大的软件抵抗干扰、抑制噪声的能力,因而可以获得更高的分辨率。第2章智能传感器系统中的经典传
7、感技术基础 二、二、静态特性的性能指标静态特性的性能指标 1.迟滞迟滞 图2-4滞环第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 迟滞亦称“滞后量”或“滞环”,它表征系统在全量程范围内,输入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两个静态特性不一致的程度,如图2-4所示。其值可用相对误差H的百分数来表示式中:Hm表示同一输入量对应正、反行程输出量的最大差值。(2-4)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.重复性重复性 图2-5重复性第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 表示系统输入量按同一方向作全量程、连续多次变动时,静态特性不一致的程度,如图2-5所示。其数值用相对误差R的百分数表示
8、式中:R表示同一输入量对应多次循环的同向行程输出量的绝对误差。重复性数值的大小反映标定值的分散程度,是一种偶然误差。故可按随机误差处理法则来确定R。(2-5)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 3.线性度线性度线性度又称“直线性”,它表示系统静态特性对选定拟合直线(y=b+kx)的接近程度。在数值上用非线性相对误差L的百分数来表示式中:Lm表示静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差。由于拟合直线确定的方法不同,相应的拟合偏差值与线性度的数值也就不同。目前常用的有:理论线性度、平均选点线性度、端基线性度、最小二乘法线性度等。其中尤以理论线性度与最小二乘法线性度应用最普遍。(2-6)第2章智能
9、传感器系统中的经典传感技术基础 1)最小二乘法线性度拟合直线的确定设拟合直线方程通式为则第j个标定点的标定值yj与拟合直线上相应值的偏差(图2-6)为最小二乘法拟合直线的确定原则是均方差(2-7)(2-8)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 为最小值。令其一阶偏导为零可得两个方程,并解得两个未知量b,k的表达式如下:(2-9)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 图2-6线性度第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2)理论线性度拟合直线方程的确定图2-7最小二乘法线性度第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 4.精度精度 系统误差的绝对值为随机误差的绝对值为故系统的总精度A为(
10、2-10)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 传感器技术始终致力于改善静态特性的非线性(减小线性度L的数值)、减小迟滞R,提高重复性(减小重复性R的数值),以期获得较高的精度。静态特性是在标准试验条件下获得的(如规定的温度范围,大气压力和湿度等),如果实际测试时的现场工作条件偏离了标准试验条件,那么除了基本误差之外还将产生附加误差。温度附加误差是最主要的附加误差。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 5.温度系数与其温度附加误差温度系数与其温度附加误差1)零位温度系数0它表示零位值y0随温度漂移的速度,在数值上等于温度改变1,零位值的改变量y0与量程Y(FS)之比的百分数式中:y0m
11、在温度变化T范围内,零位值的最大改变量;T传感器系统工作温度的变化范围。(2-11)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 目前未经补偿的压阻式压力传感器的0一般为10-3/,如果量程Y(FS)=100mV,当工作温度变化T=60时,则零位值改变y0m=0TY(FS)=6mV。这便是温度附加误差的绝对值。如 果 在 满 量 程 下 使 用 时,温 度 附 加 误 差 的 相 对 值 为y0m/Y(FS)=0T=6%;在三分之一量程下使用时,温度附加误差的相对值将达18%,因此提高零位值相对温度变化的稳定性,减小0的数值是非常需要的。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2)灵敏度温度系数
12、S及其温度附加误差它表示灵敏度随温度漂移的速度,在数值上等于温度改变1时,灵敏度的相对改变量的百分数,即式中:S(T2),S(T1),y(T2),y(T1)分别表示在相同输入量作用下系统在温度T2,T1之灵敏度及其相应的输出值。目前,未经补偿的压阻式压力传感器的S一般为-(10-3/510-4/)。因此由温度变化T=T2-T1=60时,引起的温度附加误差的相对值有(63)%。可见提高灵敏度相对温度的稳定性,即减小S的数值是非常需要的。(2-12a)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 在实际中,一个传感器的灵敏度温度系数通常也采用下式来决定:式中:T=T2-T1温度变化范围;Y(FS)量程
13、;ym当温度变化T时,在全量程范围中某一输入量对应输出值随温度漂移的最大值,这个最大温度漂移值通常发生在满量程输入时的工作点,但也可能发生在小于量程的其它工作点。(2-12b)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.1.2 动态特性动态特性 大量被测物理量是随时间变化的动态信号,即x(t)是时间t的函数,不是常量。系统的动态特性反映测量动态信号的能力。理想的传感器系统,其输出量y(t)与输入量x(t)的时间函数表达式应该相同。但实际上,二者只能在一定频率范围内,在允许的动态误差条件下保持所谓的一致。本节将讨论系统动态特性、信号频率范围与动态误差的相互关系。动态特性用数学模型来描述,对于连
14、续时间系统主要有三种形式:时域中的微分方程、复频域中的传递函数H(s)、频率域中的频率特性H(j)。系统的动态特性由其系统本身的固有属性决定。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 一、一、微分方程微分方程 1.一阶系统一阶系统 图2-8热电偶测温元件第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 当热电偶接点温度To低于被测介质温度Ti时,TiTo,则有热流q流入热偶结点。它与Ti和To的关系可表示如下:式中:R介质的热阻;C热偶的比热。若令=RC上式可写为(2-13)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 式中:=RC时间常数,具有时间量纲;K放大倍数,式中K=1。上式为一阶微分方程,Ti,
15、To分别是系统的输入量、输出量。不仅是热电偶,其它类型的传感器系统也可能具有一阶微分方程形式所表征的动态特性,则广义的一阶微分方程为式中:y系统的输出量;x系统的输入量;K放大倍数;时间常数,由系统的固有属性决定的常数。(2-14)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.二阶系统二阶系统图2-9m-k-b系统第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 这种系统可以是压力传感器的弹性敏感元件的等效结构。等效质量块m在受到作用力F后产生位移y和运动速度dy/dt,在运动过程中,质量块m所受的力有:作用力 F弹性反作用力F(弹)=-ky阻尼力直到位移量y足够大,大到使弹性反作用力与作用力相等,即
16、F(弹)=F,达到平衡,质量块不再运动F(阻)=0。在未达到平衡状态的运动过程中,运动规律服从牛顿运动定律,其运动加速度 由所受的合力决定第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 即整理后得式中:m运动部分的等效质量;k弹簧刚度系数;b阻尼系数。(2-15)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 质量弹簧阻尼(m-k-b)力学结构的动态特性由二阶微分方程描述。二阶微分方程可写成如下的标准形式:式中:n系统无阻尼固有角频率;阻尼比;K直流放大倍数/静态灵敏度。(2-16)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 n、K分别表示如下:n、,K均是由系统本身固有属性决定的常数。y,x分别为系统的输
17、出量、输入量。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 二、二、传递函数传递函数 图2-10系统的输入与输出(a)时域;(b)复频域;(c)频域在初始值为零即t0时,x(t)=0,y(t)=0,输出信号y(t)的拉氏变换Y(s)与输入信号x(t)的拉氏变换X(s)之比为系统的传递函数,记为H(s)其中:s=j+是复数。(2-17)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 1.一阶系统的传递函数一阶系统的传递函数 根据x(t),y(t)以及它们各阶时间导数在t=0时的初始值均为零,可得于是一阶系统的传递函数为(2-18)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.二阶系统的传递函数二阶系统的传
18、递函数 在零初始条件下可得于是二阶系统的传递函数为(2-19)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 三、三、频率特性频率特性在初始条件为零的条件下,输出信号y(t)的傅氏变换Y(j)与输入信号x(t)的傅氏变换X(j)之比为系统的频率特性,记为H(j)或H()拉普拉斯变换:(2-20)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 傅里叶变换:一阶系统的频率特性:二阶系统的频率特性:(2-21)(2-22)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 输出和输入的傅里叶变换Y()、X()以及频率特性H()都是频率的函数,一般都是复数,故可用指数来表示:式中:A()频率特性H()的模|H()|;()频
19、率特性H()的幅角。以为横轴,A()为纵轴的A()-曲线,称为幅频特性曲线;若以模的分贝数L=20lgA()为纵轴,则L-曲线称为对数幅频特性曲线,或叫波德图。以为横轴,()为纵轴的()-曲线,称为相频特性曲线。(2-23)(2-24)(2-25)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 1.一阶系统的幅频与相频特性表达式一阶系统的幅频与相频特性表达式一阶系统幅频特性:一阶系统对数幅频特性:一阶系统相频特性:(2-26)(2-27)(2-28)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.二阶系统的幅频与相频特性表达式二阶系统的幅频与相频特性表达式 二阶系统幅频特性:二阶系统对数幅频特性:二阶
20、系统相频特性:(2-29)(2-30)(2-31)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 图2-11一阶系统(K=1)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 图2-12二阶系统(K=1)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 四、四、动态误差动态误差在直流放大倍数K=1的情况下,系统作为信号的测量和传递时,其输出正弦信号y(t)=y0sin(t+)的幅值y0,应该与输入正弦信号x(t)=x0sint的幅值x0相等,否则就存在动态幅值误差。其定义式为式中:|H(0)|表示=0时幅频特性的模,也即直流放大倍数。(2-32)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 一阶系统:二阶系统:(2-3
21、3)(2-34)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础(2-33),(2-34)式建立了特征参数或n,表征的系统动态特性与信号频率以及动态幅值误差的关系。由(2-33)式知,信号频率越高,其动态幅值误差越大,当=1/(转折频率)时,=-29.3%。为了保证一定幅值误差及相位差的要求,一阶系统的转折频率=1/要足够大,时间常数要足够小。同样道理,二阶系统的固有频率n要足够大。传感技术始终在为改善系统的动态性能,提高,减小和增大n的数值而不懈努力。由热偶时间常数=RC可知,热偶接点体积减小则比热c的数值可以减小,从而可使时间常数的值减小。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 由可知,当等效质
22、量块的质量m减小时,该m-k-b结构力学系统的固有角频率n将会提高。采用微机械加工技术实现微米级尺寸后将大幅度改善系统的动态性能,使n大大增加。例如,传统的应变计式压力传感器的固有频率fn(=n/2)只有几十kHz,而集成化的压阻式压力传感器可达1MHz以上。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.2 几种传感器工作原理几种传感器工作原理 2.2.1 结构型传感器结构型传感器 经典的结构型传感器由两部分构成:第一部分是可以等效为质量弹簧阻尼机械系统的弹性敏感元件,它的作用是将被测信号x(t)转换为中间变量,如应力应变;第二部分是变换器,它的作用是将中间变量转换为有用输出信号y(t),如电
23、参量的变化,如图2-13所示。这样,把输出为R电阻变化的变换器称为电阻型变换器;把输出为C电容变化的变换器称为电容变换器。配以不同的m-k-b机械力学系统就可构成对压力、力、振动量测量的传感器。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 图2-13结构型传感器的组成第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 一、一、基于压阻效应的电阻变换器基于压阻效应的电阻变换器 1.压阻效应压阻效应 压阻效应是指半导体材料受到应力作用时,其电阻率发生明显变化的现象。电阻率的相对变化d/与应力成正比:式中:E表示材料的压阻系数(硅约为(4080)10-11m2/N)。(2-35)第2章智能传感器系统中的经典传感技
24、术基础 一根细长圆柱形电阻丝,若长为l、半径为r、截面积S=r2、电阻率为,则其电阻值R为当该电阻丝受到拉力F作用时,长度增加dl,半径缩小dr,电阻率增大d,引起的电阻值变化dR可对(2-34)式进行全微分求得用相对变化量表示(2-36)(2-37)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 因为由“材料力学”知,对特定的材料,在纵向伸长的同时,横截面积缩小、横向线度的相对缩小与纵向线度的相对伸长之间具有固定的比,即式中:表示泊松比,也称泊松系数。(2-38)(2-39)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 又,根据虎克定律,应力、应变=l/l和弹性模量E之间的关系为式中:G表示应变计因子
25、,或材料的灵敏度系数。(2-40)第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 对金属材料,因无压阻效应,故=0,泊松比=0.5,故G=1+2=2。电阻的变化主要由电阻丝几何尺寸的变化产生。半导体材料的压阻系数很大,故G主要由EE决定。半导体电阻条电阻的改变主要决定于压阻效应引起的电阻率的变化。第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2.基于压阻效应的变换器基于压阻效应的变换器半导体硅材料的优良的压阻特性和优良的弹性性能相结合,是构成半导体压阻式传感器的基础。在集成传感器中,电阻变换器与硅弹性敏感元件是一体化的,它就是采用半导体扩散工艺或者是离子注入工艺在硅弹性敏感元件(如硅膜片)上制作出P型硅
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