第2章智能传感器系统中的经典传感技术 知识基础 智能传感器系统 .ppt

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 ; 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)。 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。 ;2.1.1 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： ;一、 静态特性的基本参数 ; 3. 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Δy与引起该变化的输入变化量Δx的比值S来表示 ;图2-3 实际的多输入系统 ; 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ΔxP的过程必然伴随着温度的变化ΔxT，传感器系统的供电电压在测量期间也不可能绝对恒定， 而有变化ΔxV，这时的传感器系统至少是一个三输入(ΔxP, ΔxV, ΔxT)—单输出Δy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”: ; 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Δy来精确推断某一个输入量的变化值， 如ΔxP， 因为这时可能ΔxP=0，根本没改变；输出改变量Δy的产生可能是温度变化ΔxT或电压变化ΔxV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。 ; 4. ??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。 ;二、 静态特性的性能指标 ; 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δH的百分数来表示 ;2. 重复性 ; 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δR的百分数表示 ; 3. 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δL的百分数来表示 ;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 ;为最小值。 令其一阶偏导为零 ;图2-6 线性度 ;2) 理论线性度拟合直线方程的确定 ;4. 精度 ; 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δL的数值)、减小迟滞δR, 提高重复性(减小重复性δR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。 ; 5. 温度系数与其温度附加误差 1) 零位温度系数α0 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Δy0与量程Y(FS)之比的百分数 ; 目前未经补偿的压阻式压力传感器的α0一般为10-3/ ℃，如果量程Y(FS)=100 mV，当工作温度变化ΔT=60 ℃时，则零位值改变Δy0m=α0·ΔT·Y(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