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1、第2章 传感器概述,2.1 传感器的组成和分类2.2 传感器的基本特性,2.1 传感器的组成和分类,传感器的作用 传感器的定义 传感器的组成 传感器的分类,人体系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,2.1 传感器的组成和分类,1、传感器的地位和作用,传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一。,工业生产,智能建筑,降低能耗,提高操作者工作效率,提高楼宇内部舒适程度,提供高效的设备管理手段,监控软件,缩短投资回收周
2、期,降低培训成本,航空航天宇宙飞船,飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器142个整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体,智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动显示、记录公路压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）,未来世界,Human with Sensors,传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每
3、一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,血压测定方法和输出的结果,广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准（GB7665-87）：对传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,2、传感器的定义,测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化 的器件就是传感器。,输入匹配,放大变换,被测信号,输出,检测器件,信号处理,广义传感器,传感器定义有以下含义它能完成
4、检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。按使用场合不同又称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,3、传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本
5、转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,物理、化学、生物信息,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,由敏感元件和转换元件组成的传感器,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,由一个敏感元件组成的最简单的传感器,质量块,压电片,4.传感器的分类,物理型：化学型：利用电化学反应原理 生物型：利用生物活性物质选择性,结构型：取决于几何尺寸和形状物性型：取决于材料性质,按传感器的工作原理,按被测量,温度、流量、
6、压力、湿度、浓度、力学量、磁学量、光学量、气体成分等,根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器按可变电参量：电阻型、电感型或电容型按传感器技术发展：聋哑传感器(Dumb Sensor)、智能传感器(Smart Sensor)、网络化传感器(Networked Sensor),其他分类,2.2 传感器的特性与主要性能指标,传感器的静态特性与主要性能指标 传感器的动态特性与动态指标,定义：传感器特性：指输入x（被测量）与输出y之间的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系动态特性：当输入量随时间较快地
7、变化时的关系,2.2 传感器的特性与主要性能指标,2.2.1 传感器的静态特性与主要性能指标,式中：a0输入量x为零时的输出量;a1,a2,an非线性项系数。,1测量范围和量程,传感器所能测量到的最小被测量（输入）xmin与最大被测量（输入）xmax之间的范围称为传感器的测量范围（measuring range）,表示为YFS或（xmin，xmax）。传感器测量范围的上限值与下限值之差xmaxxmin称为量程（span）。例如一温度传感器的测量范围是-30+120,那么该传感器的量程为150。,2灵敏度与灵敏度误差,可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处
8、处相同，灵敏度s是一常数，与输入量大小无关。,传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量 x之比即为其静态灵敏度(Sensitivity)，其表达式为,线性：S=y/x非线性：S=dy/dx,静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。,3线性度(Linearity)传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y输出量；x输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a2、a
9、3、an非线性项系数。,各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。,y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn,Lmax一最大非线性误差；yFS满量程输出。,在采用直线拟合线性化时，全量程范围实际曲线与其拟合曲线之间的最大偏差与满量程输出值之比，就称为非线性误差或线性度，用相对误差L表示：,一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。,非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。,理论拟合；过零旋转拟
10、合；端点连线拟合；端点连线平移拟合；最小二乘拟合,4迟滞,式中 Hmax正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。,传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。,迟滞差值：正反行程的差值。迟滞误差：传感器在全量程范围内最大迟滞差值Hmax与满量程输出值之比,5重复性(Repeatability),y,x,0,Rmax2,Rmax1,重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即,重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续
11、多次变动时所得特性曲线不一致的程度。,或用标准差计算，表示如下：,Rmax1正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差。,分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。,6分辨力与分辨率,分辨力（resolution）:指传感器能检测到的最小的输入增量的xmin的绝对值。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。分辨率反映了传感器检测输入微小变化的能力。影响传感器分辨力的因素很多，如机械运动部件的摩擦、电路中的储能元件和A/D的位数。在传感器的测量范围内，由于其输入/输
12、出之间呈非线性关系，所以在不同输入时分辨力不同，用max|xmin|表示传感器的分辨力。用满量程的百分数表示时称为分辨率。,被测量可能以各种形式随时间变化，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。其间的关系用动态特性方程描述。,、传感器的动态特性与动态指标,动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。,传感器动态特性方程就是指在动态测量时，传感器的输出量与输入被测量之间随时间变化的函数关系。它依赖于传感器本身的测量原理、结构，取决于系统内部机械的、电气的、磁性、光学的等各种参数，而且这个特性本身不因输入量、时间和环境条件的不同而变化。使用传感器时，根据动态特性及使用条件确定使用
13、方法，同时估计给定条件下传感器动态误差、响应速度(延迟时间)和动态灵敏度。,传感器动态特性可用下列微分方程描述,下面只研究零阶、一阶、二阶系统：,1零阶传感器动态特性指标,零阶传感器的输出通过下列类型的方程与其输入相联系 y(t)=kx(t)传感器的传输函数 G(s)=k传感器的频率特性 G(j)=k k：静态灵敏度或放大系数。零阶传感器是比例传感系统，传函恒定不变。因此，传感器的动态误差和延迟两者皆为零。上式的输入输出关系要求传感器不包含任何储能元件。例如，用来测量线性位移和旋转位移的电位器型传感器。,2一阶传感器动态特性指标,在一阶传感器中包含一个储能元件和另一些耗能元件。输入x(t)和输
14、出y(t)由一阶微分方程描述：,相应的传递函数为：,K静态灵敏度(静态增益)，K=1/a0时间常数，=a1/a0,对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号,一阶传感器的单位阶跃响应信号为 相应的响应曲线如图2-7所示。由图可见,传感器存在惯性,它的输出不能立即复现输入信号,而是从零开始,按指数规律上升,最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值,但实际上当t=4时其输出达到稳态值的98.2%,可以认为已达到稳态。越小,响应曲线越接近于输入阶跃曲线,因此,值是一阶传感器重要的性能参数。,二阶传感器包含两个储能元件和一些耗能元件。如，由质量、弹簧和阻尼器构成的加速度传感
15、器，可变电感、分布电容和匹配电阻构成的位移传感器，均为经典的二阶系统。传感器输入x(t)和输出y(t)由二阶微分方程相联系：,传递函数：,3二阶传感器动态特性指标,时间常数，；n固有频率,n=1/阻尼系数，；k静态灵敏度，k=b0/a0(常取为1),2.4,2.2,2.0,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,0.5,1,1.5,2,2.5,(a),(b),0,-30,-60,-90,-120,-150,-180,0.5,1,1.5,2,2.5,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=1,=0.8,=0.707,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=0.70
16、7,=0.8,=1,=0.8,=1,=0.707,=0.6,=0.4,=0.2,=0,二阶传感器幅频与相频特性（a）幅频特性（b）相频特性,当0时，在=1处A()趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着的增大，振荡现象逐渐不明显。当0.707时，不再出现振荡，这时A()将随着的增大而单调下降。,阻尼系数的影响,A(),二阶传感器的阶跃响应,单位阶跃响应通式,n传感器的固有频率；传感器的阻尼比,特征方程,根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：1）01(有/欠阻尼)：该特征方程具有共轭复数根,方程通解,根据t,ykA求出A3；根据初始条件,求出A1、A2，则,令x=A,其曲线如图,这是一衰减振荡过程,越
17、小,振荡频率越高,衰减越慢。,tw,0.02,1,t,tm,m,1的二阶传感器的过渡过程,(设允许相对误差y=0.02),2)=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即,发生时间,过冲量,稳定时间,tW=4/,4）1(过阻尼)：特征方程具有两个不同的实根,3)=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/,过渡函数为,上两式表明，当1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。,过渡函数为,杭州微图视觉科技有限公司赵工 机器视觉系统 工业相机 传感器 工业镜头,2.2 传感器的特性与主要性能指标,传感器的静态特性与主要性能指标 传感器的动态特性与动态指标
18、,定义：传感器特性：指输入x（被测量）与输出y之间的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系,2.2 传感器的特性与主要性能指标,2.2.1 传感器的静态特性与主要性能指标,式中：a0输入量x为零时的输出量;a1,a2,an非线性项系数。,1测量范围和量程,传感器所能测量到的最小被测量（输入）xmin与最大被测量（输入）xmax之间的范围称为传感器的测量范围（measuring range）,表示为YFS或（xmin，xmax）。传感器测量范围的上限值与下限值之差xmaxxmin称为量程（span）。例如一温度传感器的测量范围是-30+120,
19、那么该传感器的量程为150。,静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。,3线性度(Linearity)传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y输出量；x输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a2、a3、an非线性项系数。,各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。,y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn,Lmax一最大非线性误差；yFS满量程输出。,在采用直线拟合线性化时，全量程范围实际曲线与其拟合曲线之间的最大偏差与满量程输出值之比，就称为非线性误差或线性度，用相对误差L表示：,一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。,非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。,理论拟合；过零旋转拟合；端点连线拟合；端点连线平移拟合；最小二乘拟合,
