微傳感器原理和應(yīng)用.ppt

微傳感器原理和應(yīng)用 參考書 硅微機(jī)械傳感器 MachanicalMicrosensors 微傳感器與執(zhí)行器全書 MicromachinedTransducerssourcebook M Elwenspoek R Wiegerink著 陶家渠等譯 美 格雷戈里T A 科瓦奇著 張文棟等譯 傳感器基礎(chǔ) 1傳感器的基本概念 敏感元件和轉(zhuǎn)換元件 1 1傳感器的定義及構(gòu)成 傳感器 Transducer Sensor 的定義 能感受規(guī)定的被測(cè)量 并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置 構(gòu)成 敏感元件 Sensingelement 能直接感受被測(cè)量的部分 轉(zhuǎn)換元件 Transitionelement 能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為便于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分 通常是電信號(hào) 1 2傳感器的分類 壓力傳感器荷重傳感器位移傳感器溫度傳感器 數(shù)字式傳感器 輸出數(shù)字信號(hào) 1 2 1按被測(cè)量分類 生物量傳感器 它們是針對(duì)具體測(cè)量對(duì)象的傳感器的集合體 物理量傳感器 化學(xué)量傳感器 1 2 2按輸出信號(hào)分類 模擬式傳感器 輸出模擬信號(hào) 屬傳統(tǒng)類型 隨著信息處理的數(shù)字化 數(shù)字式傳感器所輸出的信號(hào)由于可以省略A D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) 便于網(wǎng)絡(luò)傳輸 優(yōu)勢(shì)是明顯的 特別是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的總線式數(shù)字傳感器 則更加引人注目 1 2 3按能量關(guān)系分類 有源 無(wú)源 電容式電感式壓阻式 能將非電量直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 所以有時(shí)被成為 換能器 有源傳感器 能量轉(zhuǎn)換型傳感器 無(wú)源傳感器 能量控制型傳感器 壓電式熱電式光電式 自身無(wú)能量轉(zhuǎn)換裝置 被測(cè)量量?jī)H能在傳感器中起能量控制作用 必須有輔助電源供給電能 1 3傳感器在控制系統(tǒng)中的作用 2傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn) 標(biāo)定 在明確輸入輸出變換對(duì)應(yīng)關(guān)系的前提下 利用標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)度 校準(zhǔn) 在使用中或存儲(chǔ) 儲(chǔ)藏 后進(jìn)行的性能復(fù)測(cè) 標(biāo)定與校準(zhǔn)本質(zhì)相同 校準(zhǔn)方法 用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生若干個(gè)已知物理量分別作為待校準(zhǔn)傳感器的被測(cè)量 記錄每個(gè)被測(cè)量對(duì)應(yīng)的傳感器的輸出 獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或校準(zhǔn)曲線 按照相應(yīng)的規(guī)定 標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算出性能 基準(zhǔn)器 標(biāo)準(zhǔn)的傳遞 一等標(biāo)準(zhǔn) 中國(guó)計(jì)量研究院 0 001 省 部一級(jí)計(jì)量站 市 企業(yè)計(jì)量站 三等標(biāo)準(zhǔn)傳感器 二等標(biāo)準(zhǔn) 三等標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)試用傳感器 0 01 0 1 0 3 1 3 1測(cè)量和誤差的基本概念和定義 3傳感器的一般特性 真值 被測(cè)量客觀存在的真實(shí)數(shù)值 理想概念 測(cè)量值 測(cè)量器具直接反映的或由此經(jīng)必要計(jì)算得到的值 測(cè)量范圍 允許誤差范圍內(nèi) 測(cè)量裝置測(cè)量被測(cè)量的范圍 量程 測(cè)量范圍的上限與下限的代數(shù)差 絕對(duì)誤差 實(shí)際特性 測(cè)量的值 與理論特性 真值 的偏差 相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差與真值之比 一般用百分?jǐn)?shù)表示 系統(tǒng)誤差 數(shù)值確定或按一定規(guī)律變化的誤差 原則上可消除 隨機(jī)誤差 由隨機(jī)變化因素引起的誤差 精密度 多次重復(fù)測(cè)量的值的分散程度 反映隨機(jī)誤差的大小 準(zhǔn)確度 測(cè)量結(jié)果與真值的偏離程度 反映系統(tǒng)誤差的大小 精確度 精密度與精確度的綜合反映 精度 3 2 2靜態(tài)特性的性能指標(biāo) 分辨率 輸入從任意非零值緩慢增加 只有在超過某一輸入增量后輸出才有變化 該輸入增量即為分辨率 有時(shí)也稱為分辨力 1 遲滯 Hysteresis 輸入量由小到大變化 正行程 和輸入量由大到小變化 反行程 變化期間兩個(gè)靜態(tài)特性曲線不重合的程度 Resolution 在全量程范圍內(nèi)最大的遲滯差值 Hmax與滿量程輸出值YFS之比稱為遲滯誤差 用 H表示 即 2 重復(fù)性 Repeatability 輸入量按同一方向作全量程變化 多次測(cè)得的特性曲線不一致的程度 重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差 用子樣標(biāo)準(zhǔn)差S計(jì)算 推薦 也可用正反行程中最大重復(fù)差值 Rmax計(jì)算 或 設(shè)x xj時(shí) 做了n次同條件的重復(fù)測(cè)量 獲得n個(gè)輸出值 則 其中 若x x1 xm時(shí) 方差相同 用 R表示 3 非線性度 non linearity 輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度 在量程范圍內(nèi)校準(zhǔn)曲線與規(guī)定直線 或稱擬合直線 之間的最大偏差值 Lmax與滿量程輸出值YFS之比 用 L表示 也稱為線性度或非線性誤差 擬合直線 4 非線性及遲滯 non linearityandhysteresis 正 反行程校準(zhǔn)曲線與擬合直線之間的最大偏差值 LHmax與YFS之比 選取的擬合直線不同 計(jì)算出的非線性度也不同 理論直線 零點(diǎn)與滿量程輸出點(diǎn)的連線 與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)無(wú)關(guān) 最小二乘直線 用最小二乘法根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)求出的擬合直線 端點(diǎn)連線平移線 平均校準(zhǔn)曲線對(duì)應(yīng)測(cè)量上 下限的兩個(gè) 端點(diǎn)的連線 平移到最大正誤差與最大負(fù)誤差絕對(duì)值相等 a 最小二乘擬合直線的確定 設(shè)待求擬合直線為 在第j個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的正反行程平均值為 yj j 1 2 m yj與擬合直線的差值 擬合直線確定原則 5 擬合直線的確定 令一階偏導(dǎo)數(shù)為零 得 b 端點(diǎn)連線平移線的確定 平均校準(zhǔn)曲線 端點(diǎn)連線 平均校準(zhǔn)曲線 正 反行程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)平均平均值構(gòu)成的曲線 端點(diǎn)連線 平均校準(zhǔn)曲線兩個(gè)端點(diǎn)的連線 上限端點(diǎn) 下限端點(diǎn) 則 端點(diǎn)連線 平均校準(zhǔn)曲線 端點(diǎn)連線平移線 端點(diǎn)連線平移線 端點(diǎn)連線 平移到最大正誤差與最大負(fù)誤差絕對(duì)值相等 斜率不變 截距為 上限端點(diǎn) 下限端點(diǎn) 則 端點(diǎn)連線 端點(diǎn)連線平移線 無(wú)遲滯 上圖 有遲滯 下圖 6 精度 Accuracy 反映傳感器系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的綜合指標(biāo) 系統(tǒng)誤差極限值 隨機(jī)誤差 精度 7 溫度系數(shù)與溫度附加誤差 a 零位溫度系數(shù) 零位隨溫度變化的速度 工作溫度變化范圍 在工作溫度變化范圍內(nèi) 零位的最大改變量 b 靈敏度溫度系數(shù) 靈敏度隨溫度變化的速度 溫度為T1時(shí)的靈敏度 溫度為T2時(shí)的靈敏度 溫度分別為T1和T2時(shí)的滿量程輸出 4