自来水表务稽查报告

第二章传感器概述第一节传感器与非电量电测一、非电量电测法将被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量后再进行测量的方法。实现这种转换技术的器件称为传感器。二、非电量电测系统传感器信号调理电路显示装置记录装置电源第二节传感器的定义与分类一、定义随着科学技术的发展和人类社会的进步,传感器也在不断的发展,因此,至今尚无一个比较全面的定义。传感器定义1：能感受规定的被测量并依据一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。定义2：指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。四层含义：（1）传感器是一种元器件或装置。（2）“被测对象的某一确定的信息”非电量:物理量、化学量等电量（3）有用输出信号（4）按照一定规律转换守恒定律：物理量随着空间和时间的移动，其总量保持不变。如能量守恒、动量守恒、电荷守恒敏感元件转换元件敏感元件传感器中能直接感受或响应被测量的部分。转换元件传感器中能将敏感元件响应的被测量转换为适于传输或测量的电信号。场的定律：描述电场、磁场、重力场等在空间和时间上的变换规律。物质定律：表示各种物质内在客观性质的定律。二、传感器的组成通常由敏感元件和转换元件组成。例大吨位电容式称重传感器被测非电量：敏感元件：有用非电量：转换元件：有用电量：电容量C弹性体外界压力极板间距电容器3．按能量的传递方式分类能量控制型电阻式电感式电容式谐振式能量控制型传感器，被测物理量仅对传感器中的能量起控制作用。能量变换型压电式热电式磁电式光电式能量变换型传感器，能将非电能转换为电能。能量传递型红外式超声波式激光式核辐射式能量传递型传感器，对被测量的测量过程是能量传递过程。4、按感知外界信息分类根据传感器感知外界信息所依据的基本效应,可以将传感器分成三大类:物理传感器、化学传感器、生物传感器。基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的称为物理传感器;基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的称为化学传感器;基于酶、抗体、激素等分子识别功能的称为生物传感器。5、按敏感分类根据传感器使用的敏感材料分类,可分为：半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等等。五、传感器的技术特点及要求技术特点：内容范围广知识密集程度高技术复杂，工艺要求高品种多，应用广要求：可靠性好，静态精度高，动态性能好，抗干扰能力强，通用性好，尺寸小，成本低，能耗小。第三节传感器模型概述及基本特性从系统角度来看，传感器就是一个系统。一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。由于输入量的状态不同，传感器所呈现出的输入-输出特性也不同。通常从传感器的静态输入-输出关系和动态输入-输出关系两个方面建立数学模型。被测输入量静态量准静态量动态量静态特性指标动态特性指标静态数学模型动态数学模型一、静态模型在静态输入信号（输入不随时间变化的信号）下，描述传感器输出量与输入量之间的一种函数关系。y=a0+a1x+a2x2++anxn其中，a0—传感器零位误差，a1—传感器灵敏度，a2,...,an—非线性项待定系数。二、动态模型在动态输入信号下，描述传感器输出量与输入量之间的一种函数关系。工程上采取近似的方法，用线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性。其中，各系数均为与传感器结构和特性参数有关的常数。三、基本特性（一）静态特性传感器的静态特性是通过静态标定的过程所获得的。1、静态标定在一定的条件下，利用一定等级的标定设备对测试系统进行多次往复测试的过程。2、静态标定条件对标定环境要求：无加速度、无振荡、无冲击，温度在15°~25°湿度不大于85％RH，大气压力为0.1MP。对所用的标定设备的要求：当标定设备和被标定设备系统误差较小时，要求s1/3m（s为标定设备随机误差）当标定设备和被标定设备随机误差较小时,要求s1/10m（s为标定设备系统误差）3、传感器静态特性的确定在上述条件下，在标定的范围内选择n个测量点xi,i=1,2,...,n;共进行m个循环，可以得到2mn个测试数据。正行程第j个循环，第i个测量点为(xi,yuij);反行程第j个循环，第i个测量点为(xi,ydij);其中，j=1,2,...,m,为循环数。对上述(xi,yuij),(xi,ydij)进行处理得到传感器静态特性。对于第i个测量点，对应的平均输出为：由此计算出n个测量点对应的输入输出关系为：传感器静态特性的表示方法：公式、拟合曲线、表格等描述说明：n个测量点通常是等分的，第一个测量点对应被测量的最小值，第n个测量点对应被测量的最大值。传感器主要静态性能指标1．精确度传感器测量结果与被测量真值的一致程度，包括精密和正确的程度。精密度：在一定条件下进行多次测量，测量结果比较集中，分散性小，随机误差小。准确度：规定条件下测量结果比较准确，系统误差小。2．测量范围与量程测量范围：对被测量可按规定精确度进行测量的范围(Xmin,Xmax)。量程：测量范围上限值与下限值代数差,即Xmax–Xmin3．灵敏度反映传感器对被测参量变化的灵敏程度，即传感器输出量的变化与引起该变化的输入量的变化之比。对于线性传感器：对于非线性传感器：Sn为静态特性曲线的斜率，是一常数。Sn为静态特性曲线的该测点处切线的斜率，是一变量。4．线性度误差标定曲线与规定直线（参考直线）之间的最大偏差。其中，YFS—满量程输出，YFS=|B(xmax–xmin)|n个测点中的最大偏差为：(yL)max=max|yi,L|,i=1,2,...,n其中，yi,L是第i个校准点平均输出与所选定的参考直线对应输出的偏差。绝对线性度(理想线性度）参考直线是事先规定的，与实际标定结果无关。通常该直线过坐标原点和所期望的满量程输出点。端基线性度平移端基线性度最小二乘线性度利用偏差平方和最小确定最小二乘直线。由(a)式分别对k和b求一阶偏导数,并令其等于零，得：如果实际校准测试点有n个，则：拟合直线理论直线法（绝对线性度）、端点线法（端基线性度）、最佳直线法（平移端基线性度）、最小二乘法（最小二乘线性度）特点比较：5．迟滞、非线性迟滞迟滞：在测量全范围内，同一输入对应的上、下行输出之间的最大差值。?对于第i个测点,其正、反行程输出平均校准点分别为：第i个测点其正、反行程的偏差为：则:(yH)max=max(yi,H),i=1,2,.,n迟滞误差：非线性迟滞：表征测试系统正行程和反行程标定曲线与参考直线不一致的程度。则：(yLH)max=max(yi,LH),i=1,2,...,n针对第i个测点6．分辨力可有意义地区分两紧邻所示量值的能力。对于实际标定过程中的第i个测量点Xi，当有Xi,min变化时，输出有可观察到的变化Yi,即为该测量点的分辨力。对应的该测量点Xi的分辨率为：测试系统的分辨力：在全工作范围内，能够产生可观测输出变化的最小输入量的最大值为max|Xi,min|(i=1,2,...,n)测试系统的分辨率：7．死区在起始测点X1处，输入量的变化不致引起输出量有任何可察觉变化的有限区间。8．重复性在统一工作条件下，传感器对同一输入、同一方向连续多次测量时输出值间的相互一致程度。采用极差法引入重复性指标。正行程第i个测点的标准误差：ui=Wui/dmWui表示极差，即第i个测点正行程的m个标定值中的最大值与最小值之差。Wui=max(yuij)–min(yuij)其中j=1,….,mdm表示极差系数，取决于测量循环次数m。m2345......dm1.411.912.242.48.......测量标准误差S=max(ui，di),i=1,2,...,n重复性指标为：3为置信概率系数，表示在整个测量范围测试系统相对于满量程输出的随机误差不超过R置信概率为99.73%在研究随机误差的统计规律时，需要知道：随机误差在哪个范围内取值 在该范围内取值的概率置信区间：定义为随机变量取值的范围，常用标准误差的倍数表示，±cc为置信系数置信概率：随机变量在置信区间±c内取值的概率。置信系数c00.50.81.01.962.03.0∞置信概率00.3820.5750.6830.950.9540.9971.0置信系数越大，置信区间越宽，置信概率越大。随机误差范围越大，对测量精度要求越低。在实际测量中，一般取95％置信概率。10．漂移（时漂）传感器的输入和环境温度不变时输出量随时间变化的特性，反映测试系统的稳定性指标。产生原因：传感器内部各环节性能不稳定或由于内部温度变化引起。通常表现为：零点漂移（特性曲线平移，斜率不变）灵敏度漂移（特性曲线斜率变化）。11．温漂由外界环境温度变化引起输出量变化的现象，通常表现为：零点温漂和灵敏度温漂计算公式分别为：在规定温度t2下保温1小时后，系统零点输出的平均值在室温t1下系统零点输出的平均值在室温t1下系统满量程输出的平均值12.静态误差静态误差是传感器静态性能的综合指标，是指传感器在满量程内任一点Xi的输出值与其理论输出值的偏离程度。常用有以下几种方法：代数合成法：几何合成法：（1）将非线性误差、滞后误差、重复性误差按几何、代数法进行综合=L+H+R（2）将全部校准数据相对于拟合直线求标准误差其中，△yi－－为各测点Xi测量值的残差p－－测量次数。为了测量准确，要求测量系统（主要针对传感器）有：合适的测量范围和量程足够高的灵敏度、分辨率和重复性尽可能小的死区、线性度误差、迟滞以及漂移。实例：压力传感器的静态性能评价下表给出了某型号的压力传感器的实际标定值（校准数据表）试求：①最小二乘法线性度②重复性③非线性迟滞误差④总精度（静态误差）。次数输出电压（V） 输入压力xi（×105Pa） 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 1 正行程 0.0020 0.2015 0.4005 0.6000 0.7995 1.0000 反行程 0.0030 0.2020 0.4020 0.6010 0.8005 2 正行程 0.0025 0.2020 0.4010 0.6000 0.7995 0.9995 反行程 0.0035 0.2030 0.4020 0.6015 0.8005 3 正行程 0.0035 0.2020 0.4010 0.6000 0.7995 0.9990 反行程 0.0040 0.2030 0.4020 0.6010 0.8005解：（一）求拟合直线（最小二乘直线）（二）求基本数值计算项目输入量 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 正行程平均输出 0.0027 0.2018 0.4008 0.6000 0.7995 0.9995 反行程平均输出 0.0035 0.2027 0.4020 0.6012 0.8005 0.9995 总平均输出 0.0031 0.2023 0.4014 0.6008 0.8000 0.9995 计算值 0.0030 0.2023 0.4015 0.6000 0.8000 0.9993 正行程标准差 0.0008 0.0003 0.0003 0.0000 0.0000 0.0005 反行程标准差 0.0005 0.0005 0.0000 0.0003 0.0000 0.0005 线性偏差（） 0.0001 0.0000 -0.0001 -0.0002 0.0000 0.0002 滞环误差 0.0008 0.0009 0.0012 0.0012 0.0010 0.0000(三）求特性指标(1)最小二乘线性度(2)重复性(3)非线性迟滞误差(4)精度（静态误差）：几何合成法课堂作业11、用测量范围为50150KPa的压力传感器测量140KPa的压力时，传感器测得示值为+142KPa，求该示值的绝对误差、相对误差和引用误差。2、利用测量范围为2KPa10KPa的压力传感器测量压力时，传感器测得示值为：输入（KPa）第1次测量（mV）第2次2190.9191.14382.8382.510963.9964.6求取该传感器的灵敏度。3、试求下表所列的一组数据的相关线性度：输入x12345输出y2.024.005.987.010.10求取该传感器的理论线性度，给定方程为y=2.0x。（二）传感器动态特性动态特性：指传感器或仪表对于随时变化的输入信号的响应特性。作为一个动态特性好的传感器，要求：随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的情况，即:输出—输入具有相同类型的时间函数。动态误差：在动态的输入信号情况下，输出信号一般不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。产生原因：激励信号的变化或传感器机械惯性等原因。说明：有良好的静态特性的传感器，未必有良好的动态特性。原因在于：由于在动态（快速变化）的输入信号情况下，不仅要求传感器能精确地测量信号的幅值大小，而且需要能测量出信号变化过程的波形，即：要求传感器能迅速准确地响应信号幅值变化和无失真地再现被测信号随时间变化的波形。 研究传感器的动态特性主要目的：*已知测量系统的动态特性，估算可测量的频率范围与对应的动态误差*根据信号频率范围和测量误差要求确立测量系统通常从时域或频域两方面，采用瞬态响应法或频率响应法进行分析。为了便于比较或评价动态性能指标，最常用的输入信号为：阶跃信号和正弦信号。（二）阶跃响应1．动态指标当给传感器输入一个单位阶跃函数信号时，其输出特性称为阶跃响应特性。衡量阶跃响应特性的指标一阶系统：Ts=3T传感器时间常数T越小，动态响应越快。调整时间Ts 时滞从输入变量产生变化的瞬间到它会引起的输出变量开始变化的瞬间为止的时间间隔。二阶系统：最大超调量，峰值时间，上升时间，调整时间等。例：用一只热电偶测量某一容器的液体温度热电偶的工作端温度不能立即从原有温度变化到T°C，需要经历时间t0—t过渡。说明：对于一个传感器，并非每一个指标均要提出，往往只要提出几个被认为重要的性能指标即可。 测量中注意传感器动态响应过程2．频率响应特性G(j)=Y(j)/X(j)=A()ej()理想的传感器频率：幅频特性应与输入信号频率变化无关，相频特性与呈线性关系。例：压力传感器的频率响应分析图中表示为一只由弹簧、阻尼器组成的机械压力传感器，系统输入量为外作用力F(t)，系统输出量为位移y(t)。根据力平衡原理，可列出系统原始方程式为Fc+Fk=F(t)式中fc——阻尼器摩擦力，fk——弹簧力，则该系统可写为：其中，K为弹簧刚度；b为阻尼系数。因此，该压力传感器为一阶传感器。两边除以K得：其传递函数为:式中=b/K为时间常数。其频率响应函数H(j)、幅频特性A()、相频特性()分别为:当<<1时,A()=1，()0º说明传感器输出与输入近似为线性关系，保证y(t)能真实地反应输入x(t)的变化规律.第四节传感器发展方向现代科学技术和生产的发展对传感器技术提出了更高的要求为传感器技术发展提供了物质手段和技术条件发展方向：1．不断扩大测量范围如利用热电偶测温最高可达3000°C2．提高测量精度及可靠性一般使用温度计的测温精度为0.1°C1°C标准铂电阻温度计测温精度为0.01°C3．开发新领域与新技术随着人类活动领域的扩大，测量对象也在扩展。航天技术、海洋科学、气象学、细胞生物学、医学等。4．传感器的微型化和智能化在大规模集成电路技术和微机技术的支持下，将众多单体敏感元件集成在同一衬底上，构成一维或二维图象的敏感元件。将传感器和放大、运算及温度补偿等环节集中在一个基片上。将两种或两种以上敏感元件集成在一起，构成多功能传感器。智能化：智能化传感器本身就是智能化检测系统，从而开创了材料、器件、电路、仪表一体化新途径。5．确保传感器的可靠性，延长使用寿命6．新型功能材料开发课外作业11、有一台测量压力的仪表对某120Pa的压力容器的压力进行等精度3次测量，所得数据分别为：120.6Pa,120.4Pa,119.6Pa。试给出测量结果的表达式。2、对于一个实际传感器，如何获得它的静态特性？怎样评价其静态性能指标？给出相应表达式。3、试求下表所列的一组数据的相关线性度：输入x12345输出y2.024.005.987.010.10求取该传感器的端基线性度。4、简述自动检测技术研究的和传感器技术的发展趋势。5、从测量系统的构成分析说明传感器是系统的重要环节。6、举例说明直接测量与间接测量，以此比较这两种测量方法的不同特点。7、传感器的动态特性是什么？其分析方法有哪几种？8、简述非电量电测法的优点。