传感器与现代检测技术.pptx
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1、0.1 测量系统概述0.2 传感器的基本知识绪论 测量系统与传感器概述0.1 测量系统概述测量的定义测量是以确定量值为目的的一系列操作。所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较,确定被测量对标准量的倍数。0.1 测量系统概述测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法,称为测量方法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法,对测量工作是十分重要的。直接测量、间接测量和组合测量等精度测量与非等精度测量偏差式测量、零位法测量与微差法测量静态测量与动态测量接触测量与非接触测量主动式测量与被动式测量0.1 测量系统概述测量方法直接测量测量过程简单而迅速;测量精度不高。0.1 测量系
2、统概述测量方法间接测量手续较多,费时长,一般用于不便于直接测量或缺乏直接测量手段的场合。0.1 测量系统概述测量方法静态测量0.1 测量系统概述测量方法动态测量0.1 测量系统概述测量方法接触式测量0.1 测量系统概述测量方法非接触式测量0.1 测量系统概述测量方法离线测量0.1 测量系统概述测量方法在线测量0.1 测量系统概述测量方法等精度与不等精度测量等精度测量用相同仪表和方法对同一对象进行多次测量不等精度测量用不同的仪表,或不同的方法,或在环境相差很大时对同一对象进行多次测量0.1 测量系统概述测量方法偏差式、零位式和微差式测量偏差式测量用仪表指示的偏差决定被测量的量值零位式测量在测量系
3、统平衡时,用已知的标准量决定被测量的量值微差式测量将被测量与已知的标准量相比较得到差值,再用偏差法测量该差值0.1 测量系统概述测量误差测量误差就是测量值与真实值之间的差值。它反映了测量质量的好坏。误差的表示方法误差的性质误差的消除或削弱0.1 测量系统概述测量误差表示方法绝对误差相对误差引用误差基本误差附加误差0.1 测量系统概述测量误差误差性质根据测量数据中的误差所呈现的规律,将误差分为三种。这种分类方法便于测量数据处理。系统误差随机误差粗大误差0.1 测量系统概述测量误差系统误差的消除消除系统误差的根源 在测量结果中进行修正 在测量系统中采用补偿措施 实时反馈修正 0.2 传感器的基本知
4、识传感器的定义能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。敏感元件检测器转换器 将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量信号输出的器件或装置。0.2 传感器的基本知识传感器技术的地位美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器技术直接相关。保持美国武器系统质量优势至关重要的关键技术中有8项为传感器技术。美国空军举出15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术中,传感器技术名列第二。早在上世纪80年代,日本就把传感器技术列为该国优先发展的十大技术之首。目前,我国也把传感器技术列为重点发展的技术之一。0.2 传感器的基本知识传感器发展的现状国际p种类
5、约2万种 p专业从事传感器生产的厂家有5000多家(其中,美、俄、欧各1000多家,日本800多家)国内p1986年开始列入国家重点攻关项目,投入了以机械、力敏、气敏、湿敏、生物敏为主的五大敏研究。p黑龙江、安徽、陕西三大产业基地p国产各种传感器3000多种 0.2 传感器的基本知识传感器的组成敏感元件转换元件信号转换和信号调理电路辅助电源输出量(电量)输入量0.2 传感器的基本知识传感器的组成(示例:电位器式压力传感器)0.2 传感器的基本知识传感器的组成(示例:电位器式压力传感器)0.2 传感器的基本知识传感器的组成(示例:弹簧管压力表)0.2 传感器的基本知识传感器的分类按被测参数分类(
6、温度、位移、压力、速度、)按工作原理分类(电阻、电容、压电、光电、)按输出信号分类(数字式和模拟式)按能量关系分类(有源和无源)按工作机理分类(结构型和物性型)0.2 传感器的基本知识传感器的发展方向新材料的开发和应用 新工艺和新技术的应用新效应的应用集成化多维化多功能化智能化第一章第一章 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器与现代检测技术传感器与现代检测技术 电子讲稿 1.1 静态特性1.2 动态特性第一章 传感器的一般特性1.1.1 线性度1.1.5 迟 滞1.1.2 灵敏度1.1.6 重复性1.1.3 精确度1.1.7 漂 移1.1.4 分辨力1.1.8 可靠性1.1 传感器的静态特性
7、1.1 传感器的静态特性线性度1.1.1 线性度传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。Ymax非线性误差(线性度)xyxmaxymax0ymin1.1 传感器的静态特性线性度1.1.1 线性度直线拟合方法端点连线端点平移线最小二乘直线过零最小二乘直线1.1 传感器的静态特性灵敏度1.1.2 灵敏度传感器的输出量增量与引起该增量的输入量增量的比值。相对灵敏度1.1 传感器的静态特性精确度1.1.3 精确度反应传感器测量的可靠程度的指标,简称精度。通常以误差的形式来反应。随机误差精密度系统误差正确度根据最大引用误差划分精度等级 1.1 传感器的静态特性分辨力1.1.4 分辨力又称分辨率,是反应
8、传感器能测量到输入量最小变化的能力。传感器的分辨力应小于允许误差的1/3、1/5或1/10 可以通过提高敏感单元的增益来提高分辨力 其大小应能保证在稳态测量时输出值波动很小 1.1 传感器的静态特性迟滞1.1.5 迟滞正、反行程期间,输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。1.1 传感器的静态特性重复性1.1.6 重复性传感器在同一工作条件下,输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。1.1 传感器的静态特性重复性1.1.6 重复性标准偏差的计算1.1 传感器的静态特性漂移1.1.7 漂移作用在传感器上的输入不变时,输出值随时间而变化的现象。漂移的同义词是传感器的不稳定
9、性。产生漂移的原因有两个方面:一是传感器的自身结构参数变化;二是外界工作环境参数的变化。最常见的漂移问题是温漂 传感器的漂移通常表现在两个方面:灵敏度漂移和零点漂移。1.1 传感器的静态特性可靠性1.1.8 可靠性反映传感器检测系统在规定的条件下、规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。1.2.1 动态特性概述1.2.2 瞬态响应特性1.2.3 频率响应特性1.2 传感器的动态特性1.2 传感器的动态特性概述1.2.1 动态特性概述传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。动态测温1.2.2.1 一阶传感器的单位阶跃响应1.2.2.2 二阶传感器的单位阶跃响应1.2.2.3
10、 瞬态响应的特性指标1.2.2 瞬态响应特性1.2.2 瞬态响应特性一阶1.2.2.1 一阶传感器的单位阶跃响应通式传递函数输出1.2.2 瞬态响应特性一阶1.2.2.1 一阶传感器的单位阶跃响应(续)响应信号1.2.2 瞬态响应特性二阶1.2.2.2 二阶传感器的单位阶跃响应通式传递函数输出1.2.2 瞬态响应特性二阶1.2.2.2 二阶传感器的单位阶跃响应(续)n的影响 的影响 1.2.2 瞬态响应特性指标1.2.2.3 瞬态响应的特性指标时间常数(仅对一阶)延时时间上升时间峰值时间稳定时间(建立时间)超调量1.2.3.1 一阶传感器的频率响应1.2.3.2 二阶传感器的频率响应1.2.3
11、.3 频率响应的特性指标1.2.3 频率响应特性1.2.3 频率响应特性一阶1.2.3.1 一阶传感器的频率响应表达式幅频特性相频特性1.2.3 频率响应特性一阶1.2.3.1 一阶传感器的频率响应(续)减小时间常数可改善一阶传感器的频率特性一阶传感器系统是一个低通环节 时间常数 也决定了传感器适应的工作频率范围1.2.3 频率响应特性二阶1.2.3.2 二阶传感器的频率响应表达式幅频特性相频特性1.2.3 频率响应特性二阶1.2.3.2 二阶传感器的频率响应(续)二阶传感器是一个振荡环节 二阶传感器系统是一个低通环节 最佳阻尼比为0.65左右固有频率的影响1.2.3 频率响应特性指标1.2.
12、3.3 频率响应的特性指标频带时间常数固有频率第二章第二章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器与现代检测技术传感器与现代检测技术 电子讲稿 2.1 工作原理2.2 测量电路2.3 误差补偿2.4 应用简介第二章 电阻应变式传感器2.1.1 应变效应2.1.2 弹性敏感元件 2.1.3 应变式传感器2.1 电阻应变式传感器的工作原理2.1.1 应变效应金属丝的应变分析初始电阻2.1.1 应变效应金属丝受拉后的电阻变化电阻变化量电阻的相对变化量2.1.1 应变效应轴向应变与径向应变轴向应变电阻的相对变化量径向应变2.1.1 应变效应金属材料的灵敏度系数2.1.1 应变效应半导体的灵敏度系数半导
13、体受到应力作用后电阻率发生明显变化的现象称为压阻效应。2.1.2 弹性敏感元件弹性圆柱2.1.2 弹性敏感元件等截面悬臂梁 2.1.2 弹性敏感元件等强度悬臂梁 2.1.2 弹性敏感元件弹性圆环 A(B)处2.1.2 弹性敏感元件周边固支圆形平膜片(应力)距圆心r 处的应力2.1.2 弹性敏感元件周边固支圆形平膜片(应变)距圆心r 处的应变2.1.2 弹性敏感元件周边固支圆形平膜片(应变分布图)2.1.2 弹性敏感元件周边固支圆形平膜片(固有频率)2.1.2 弹性敏感元件弹性薄壁圆筒2.1.2 弹性敏感元件扭转圆柱2.1.3 应变式传感器简介金属应变片丝式敏感栅由直径为1550m的金属细丝绕制
14、而成。它制作简单、性能稳定、成本低。但横向效应的影响相对比较大。薄膜敏感栅在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅。它的主要优点是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范围广。箔式敏感栅利用特殊工艺制成很薄的金属箔栅,其厚度一般在310m。其优点是散热条件好,允许通过的电流较大,可制成各种所需的形状,便于批量生产。实验证明,K在较大范围内均为常数,且略小于试件材料的灵敏度系数。2.1.3 应变式传感器简介金属应变片的灵敏度应变片标定的K,是在=0.285的试件受一维应力作用,并且应变片敏感栅的长度方向与应力方向一致时测定的。半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体
15、材料的压阻效应。2.1.3 应变式传感器简介半导体应变片突出优点是灵敏度高,比金属丝式高5080倍,尺寸小,横向效应小,动态响应好。主要缺点是温度系数大,应变时非线性比较严重。工艺一致性好,灵敏度高,漂移、迟滞、蠕变非常小,动态响应快等优点。而且还可以将误差补偿、信号调理等电路集成在一块硅片上。2.1.3 应变式传感器简介压阻式固态压力传感器2.2.1 直流电桥2.2.2 交流电桥 2.2.3 电阻应变仪2.2 电阻应变式传感器的测量电路平衡条件 2.2.1 直流电桥组成结构及平衡条件2.2.1 直流电桥不平衡时的输出电压2.2.1 直流电桥灵敏度电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,但供电电压的
16、提高受到应变片允许功耗的限制,一般取为36V。当k=1时KU有最大值U/4。平衡条件 2.2.2 交流电桥组成结构及平衡条件2.2.2 交流电桥不平衡时的输出电压设Z2=Z1,Z4=Z3,并略去分母中的Z1/Z12.2.3 电阻应变仪电阻应变仪高增益的放大器 阻抗变换p静态电阻应变仪p静动态电阻应变仪(100Hz以下)p动态电阻应变仪(可达1kHz)p超动态电阻应变仪(10kHz以上)2.3.1 横向效应2.3.2 单臂电桥非线性误差 2.3.3 温度误差2.3 电阻应变式传感器的误差补偿2.3.1 横向效应产生原因与补偿措施采用箔式应变片。可使圆弧部分截面积大很多,以减小这部分的电阻值,使其
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