1、檢測與控制電路基礎第3章 傳感器與測試系統(tǒng)第一講：傳感器基本概念、數據處理的常用方法第二講：自動測量系統(tǒng)的設計、新方法第二講：電阻抗傳感器的檢測電路1.1 信號的形式0 本章安排傳感器定義：是指將感受到的物理量、化學量等信息，按照一定規(guī)律，轉換成便于測量和傳輸的信號的裝置。由于電信號易于傳輸和處理，所以一般概念上的傳感器是指將非電量轉換成電信號輸出的元件或裝置。換能器：將一類信號變換成另一類信號的任何裝置都可稱為換能器。從這一意義上講，換能器可以說是傳感器的另一種定義形式。不過，傳感器的含義側重于擴展人們獲取那些感官所不能察覺的物理量信息的能力，而換能器則意味著輸入量與輸出量不一樣。1.1 信

2、號的形式1 傳感器定義與分類敏感元件：能夠靈敏地感受被測量并做出響應（未必是電信號）的元件。 （與傳感器的區(qū)別？）變送器：能輸出標準信號的傳感器。轉換器：針對輸出為非標準信號的傳感器，必須和特定的儀器或裝置配套，才能實現檢測或調節(jié)功能微傳感器：基于MEMS技術的新型傳感器，其敏感元件的尺寸為0. 1-100 m。靈巧傳感器：把敏感元件、信號處理電路、處理單元和通信單元等集成在一起的傳感器。 1.1 信號的形式（1） 傳感器的常見名詞1.1 信號的形式1.1 信號的形式（2） 智能傳感器智能傳感器的結構 智能傳感器的功能1）自補償功能 2）自校準功能 3）自診斷功能 4）數據處理功能 5）雙向通

3、信功能 6）信息存儲和記憶功能 8）除了檢測物理量、化學量的變化，智能傳感器還具有 信號調理（如濾波、放大、A/D轉換等）、數據處理和 數據顯示等能力。7）數字量輸出功能：輸出數字信號，可方便的同計算機 或接口總線相連。1.1 信號的形式2 傳感器與測控系統(tǒng)1.1 信號的形式3 傳感器分類1.有源傳感器與無源傳感器2.數字傳感器與模擬傳感器3. 零階、一階、二階、高階傳感器4. 最常用的分類方法：按被測對象分按轉換機理分1.1 信號的形式（1） 傳感器基本特性理想傳感器： 靈敏度高 穩(wěn)定性好 實時性高3.1.4 傳感器的基本特性造成傳感器測量系統(tǒng)誤差的原因：1.介入誤差：如加速度傳感器、溫度傳

4、感器。2.應用誤差：源自使用者或測量系統(tǒng)3.特性參數誤差：傳感器本身，如閾值、分辨率4.動態(tài)誤差：滯后造成的5.環(huán)境誤差：環(huán)境，如溫度、振動、電源傳感器的基本特性傳感器的基本特性是指傳感器的輸入-輸出特性，一般分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩大類（1）靜態(tài)特性是當被測對象處于靜態(tài)，即輸入為不隨時間變化的恒定信號時，傳感器輸入與輸出之間呈現的關系。（2）動態(tài)特性是指當輸入量隨時間變化時的輸入輸出關系。傳感器的靜態(tài)特性式中：y 輸出量； x 輸入量； a0 零點輸出； a1 理論靈敏度； a2、a3，an 非線性項系數傳感器的靜態(tài)特性量程 分辨力閾值 靈敏度重復性 遲滯線性度 精度穩(wěn)定性 衡量傳感器靜態(tài)特

5、性的主要指標傳感器的靜態(tài)性能1.靈敏度傳感器的輸出增量與輸入增量之比實際線性傳感器存在：靈敏度誤差傳感器的靜態(tài)性能 2. 量程傳感器能夠檢測的輸入量的最大、最小值之差一般的傳感器產品所給出的精度都是針對滿量程的相對值，如0.1%FS滿量程(Full span)。因此實際應用時越接近滿量程，其測量準確度越高傳感器的靜態(tài)性能 3.線性度或非線性誤差傳感器特性曲線與其規(guī)定的擬合直線之間的最大偏差max與傳感器滿量程輸出yFS之比的百分數即為線性度或非線性誤差傳感器的靜態(tài)性能4.單調性隨著輸入參量的增加，傳感器的輸出是否為單調增加。具體而言，單調性好的傳感器，當輸入量從x增加到x時，其相應輸出f (x

6、+)永遠大于f(x)。對于非線性傳感器，基于MCU算法可非常容易進行非線性測量，把測量量程從很短的線性區(qū)大大擴展，但同時要考慮測量靈敏度與分辨率。這個取決于測量電路的分辨率單調性與測量的關系傳感器的靜態(tài)性能5.滯后（遲滯、回差）滯后指傳感器正行程特性曲線與反行程特性曲線不一致的程度。傳感器的滯后一般采用正、反行程特性曲線之最大差值與滿量程輸出值之比的百分數表示，即滯后的處理：敏感元件優(yōu)化傳感器的靜態(tài)性能 6.重復性重復性指傳感器輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得曲線不一致的程度。 具體計算方法是先分別測出正、反行程多次測量的各個測試點的最大偏差，再取2者中的最大值，按下式計算重復性比線

7、性度重要的多傳感器的靜態(tài)性能 7. 精度（1）絕對誤差表示：傳感器示值與被測量真值之間的最大偏差（2）最大引用誤差：絕對誤差相對于滿量程的百分比形式（FS)表示。（3）綜合考慮室溫下傳感器的線性度、滯后及重復性三方面的誤差，按下式計算出傳感器的精度：傳感器的靜態(tài)性能8.閾值與分辨率當輸入量變小到某一值，即觀察不到輸出量變化時，這時的輸入量稱為傳感器的閾值。分辨率是指可觀察到輸出量變化的輸入量的最小變化值。傳感器的靜態(tài)性能閾值與分辨率的關系傳感器的閾值往往與敏感機理或敏感元件的結構有關。有些傳感器的閾值比分辨率要大許多，尤其是一些具有s形特性曲線的傳感器，在實際應用中應盡可能避開。一般來說，閾值

8、大的傳感器，其滯后必然大，但分辨率不一定差。傳感器的閾值與分辨率指標是以輸入量的值來度量的。大部分傳感器的這一指標是由敏感元件本身特性決定的，如果本身傳感器閾值與分辨率有限，加大放大倍數雖然會帶來靈敏度的提高，卻不會影響傳感器的閾值與分辨率。傳感器的靜態(tài)性能9.穩(wěn)定性(1)時間零漂：傳感器的輸出零點隨時間發(fā)生漂移的情況；措施：可通過選擇高穩(wěn)定性器件、優(yōu)化電路參數等方法減小， (2)零點溫漂：傳感器的輸出零點隨溫度變化發(fā)生漂移的情況；措施：溫度補償，注意由于熱傳導的影響，溫度測量探頭與傳感器在空間位置上的距離很可能造成兩者溫度的不一致，影響實際補償的效果。 (3)靈敏度溫漂：傳感器的靈敏度隨溫度

9、、時間變化發(fā)生漂移的情況傳感器的動態(tài)性能 動態(tài)特性反映傳感器感知動態(tài)信號的能力。一般來說，傳感器輸出隨時間變化的規(guī)律應與輸入隨時間變化的規(guī)律相近，否則輸出量就不能反映輸入量。傳感器的動態(tài)性能典型環(huán)節(jié)的頻率特性零階傳感器系統(tǒng) K靜態(tài)靈敏度。 一階傳感器系統(tǒng) （a）力學系統(tǒng) （b）電學系統(tǒng)二階傳感器系統(tǒng)時域性能指標 通常在階躍信號作用下測定傳感器動態(tài)特性的時域指標。 （a）一階系統(tǒng)（b）二階系統(tǒng) 傳感器的時域性能指標主要有時間常數：輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時間；上升時間： 輸出值從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時間；響應時間： 輸出值達到穩(wěn)態(tài)值的95%或98%所需的時間。最大超調量：在二

10、階系統(tǒng)中，如果輸出量大于穩(wěn)態(tài)值， 則 有超調，最大超調量定義為：頻域性能指標 通常利用傳感器系統(tǒng)對單位幅度正弦信號的響應曲線測定動態(tài)性能的頻域指標。 傳感器的頻域性能指標包括通頻帶： 對數幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應 的頻率范圍；工作頻帶：幅值誤差為5%或10%時所對應的頻率范 圍；相位誤差：在工作頻帶范圍內相角應小于5或10。 （a）一階系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性（b）二階系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性3.1.4 傳感器的基本特性3.2 傳感器標定與數據處理步驟：1.確定表達傳感器的輸入輸出模型2.設計標定試驗3.數據處理4.模型分析及修正3.1.4 傳感器的基本特性3.2 傳感器標定與數據處理

11、標定兩種形式：1.絕對式標定，以技術標準為參考2.比較式標定3.1.4 傳感器的基本特性方法：最小二乘法直觀上：存在如下線性關系代價函數：3.2.1 每個標定點上只有一個測量值的情況3.1.4 傳感器的基本特性3.2.1 每個標定點上只有一個測量值的情況3.1.4 傳感器的基本特性3.2.1 每個標定點上只有一個測量值的情況注意：相關性分析相關系數R3.1.4 傳感器的基本特性3.2.1 每個標定點上只有一個測量值的情況1階擬合：6階擬合：3.1.4 傳感器的基本特性3.2.1 每個標定點上只有一個測量值的情況曲線擬合的階數選擇條件：1. 盡可能與傳感器敏感機理相聯(lián)系，避免采用高階多項式進行擬

12、合2. 在理論缺乏情況下，可以用多項式擬合，但階數小于取樣點數的一半3.一般情況下，標定點數盡可能分布在整個量程范圍實際的標定實驗往往需要進行多次，以考察傳感器在重復性、滯后等方面的性能。因此，得到的標定數據往往在同一個標定點上有多個測量值。在利用最小二乘法求取擬合曲線時，將這些測量值同時考慮進去，無疑可提高擬合計算的效果。3.2.2 每個標定點上有多個測量值的情況3.2.2 每個標定點上有多個測量值的情況假定在標定點x上進行了m次測量，相應得到m個測量值y_加權最小二乘法3.2.2 每個標定點上有多個測量值的情況當m相等時誤差的數字修正技術誤差分類：靜態(tài)誤差：系統(tǒng)誤差、隨機誤差、粗大誤差動態(tài)誤差：（1）第一類誤差：由于檢測系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)存在慣性、阻尼及非線性（2）第二類誤差：隨時間改變的干擾信號引起的動態(tài)誤差系統(tǒng)誤差的數字修正技術利用校正曲線修正系統(tǒng)誤差步驟：（1）實測誤差預處理（2）曲線擬合建模（3）MCU誤差修正：查表法、插值法系統(tǒng)誤差的數字修正技術研究系統(tǒng)誤差規(guī)律進行修正例：工頻干擾的數字處理方法線性變差型系統(tǒng)誤差消除方法交替極性+交叉讀數周期性系統(tǒng)誤差消除方法隨機誤差的數字修正技術1.限幅濾波：當采樣信號由于隨機干擾而引起嚴重失真時采用。用于變化比較緩慢的參數測量，如溫度、物位等，也可以再大電流、大電感負載切斷時，干擾的特點是時間短、但幅度卻很大的情況隨機誤差