中科大_智能传感器系统_第2章

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1、目录第1章概述第2章智能传感器系统中经典传感技术基础第3章不同集成度智能传感器系统介绍第4章智能传感器的集成技术第5章智能传感器系统智能化功能的实现方法第6章通信功能与总线接口第7章智能技术在传感器系统中的应用第8章智能传感器系统的设计与应用第9章无线传感器网络技术概述第2章智能传感器系统中经典传感技术基础要点：传感器系统的基本特性；几种传感器的工作原理；提高传感器性能的技术途径。§2.1传感器系统的基本特性智能化技术的主要任务之一是：提高传感器的精度，改善传感器的性能（安装、使用、维护、寿命），它的重要性在于提高经济效益，改善控制水平。通过对传感器系统静态、动态特性的分析，了解决定传感

2、器性能及精度的静态、动态技术指标和基本参量。首先我们了解一下传感器的基本知识。目前已研制出来的传感器有几千种，广泛应用于各个领域，传感器的分类有这样几种方式。按信号转换效应分：物理型（电容式压力传感器）；化学型（气敏）；生物型（利用生物效应，如电阻的变化、产生热、生成新的物质――在生物酶的作用下）按构成原理分：结构型（转换特性由形状和尺寸决定）；物性型（由传感器材料特性决定，如热电偶由塞贝克函数决定）。按构成传感器敏感元件材料分：半导体、陶瓷、有机材料。按应用的用途（实际中用及比较多的）温度，压力（电输出信号），光－光输出信号。传感器的运作：1)接触型（电偶）、非接触型（红外测量）。2)

3、能量转换型（热敏电阻）、能量控制型（光敏电阻）。3)转换原理、多重变换（热辐射温度计）。对传感器系统基本特性的研究，基于两个方面的目的；1)用它作为一个测量系统基于已知的系统特性和测量输出信号了解输入信号特性。2)用于传感器系统本身的研究、设计与建立。根据输入信号是随时间变化还是不变化，基本特性分静态特性和动态特性，它是由系统内部自身的参数决定的。§2.1.1静态特性静态特性又称“刻度曲线”、“标定曲线”，表达式：1、静态特性的基本参数1）零位当x＝0时，的值2）量程Y（FS），又称“满度值”输出标准化的传感器系统（又称“变送器”）对于模拟量，零位：，上限值：，量程Y（FS）＝16mA。

4、数字量：尚无标准。3）灵敏度a）b）相对灵敏度：或c）灵敏度与静态特性（线性与非线性）；灵敏度的高与低。d）交叉灵敏度的概念多输入（，，）单输出（）系统智能传感器系统可以依靠强大的软件功能降低交叉灵敏度对测量结果的影响（如采用数据融合技术）。4）分辨率表征系统有效分辨输入量最小变化量的能力。具有A/D转换器的传感器系统，分辨率为一个量化值q对应的输入变化量，对于实际测量，要求：噪声电平q/2。智能传感器系统可寻取软、硬件的方式来抑制噪声，提高分辨率。比如先测出零输入的噪声信号，然后减去。2、静态特性的性能指标1）迟滞表征系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由

5、大到小（反行程）两个静态特性不一致的程度，如磁滞曲线。相对误差：×100％2）重复性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。相对误差：×100％ΔR：多次循环同向行程输出量的最大绝对误差，见上图。3）线性度系统静态特性对选定的拟合曲线的接近程度。相对误差：×100％拟合直线的方法：a）理论线性度；b）平均选点线性度；c）端基线性度；d）最小二乘法线性度。对应上述几种方式拟合直线表达式：a）b）c）d）差方均：为最小值，亦即：，4）系统的总精度为量程范围内的基本误差与满度值Y（FS）之比的百分数。传感器技术的主要任务之一就是致力于改善静态特性。静态特性是在标准试

6、验条件下获得的，在实际使用中，由于环境条件的改变还将产生附加误差，其中温度附加误差是主要的。5）温度系数与温度附加误差a）零位温度系数（）ΔT：传感器系统工作温度变化范围。未经补偿的压阻式压力传感器/℃例如：量程Y(FS)=100mv,ΔT=60℃,则温度附加误差的相对值＝6﹪（满量程）。b）灵敏度温度系数及其温度附加误差未经补偿的压阻式压力传感器：℃/～5×/℃)ΔT＝60℃时，引起的温度附加误差的相对值:(6～3)%。传统的传感器改善传感器的温度稳定性比较费时费力，经过补偿后，、均可减小一个数量级。智能传感器系统主要采用软件补偿技术及数据融合技术。§2.1.2动态特性系统的动态特性反

7、映了测量动态信号的能力，这里主要讨论系统动态特性、信号频率范围与动态误差的相应关系。动态特性用数学模型来描述，有三种形式：时域中的微分方程，复频域中的传递函数（差分方程、状态方程），频率域中的频率特性。1、微分方程常见的传感器系统是一个一阶或二阶系统，高阶系统由二者合成。1）一阶系统如热电偶测温元件。2）二阶系统压力传感器的弹性敏感元件可等效为质量－弹簧－阻尼力学系统。标准形式：谐振频率:,固有频率：2、传递函数1）一阶系统：2）二