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传感器九大基本知识点

2015-08-25 16:27:11 慧眼网

我们即将进入了万物互联的智能时代,要让联网后的冰箱、灯泡、洗衣机、汽车、咖啡机等等实现智能,一个关键的器件缺不了,这就是传感器!传感器(英文名称:sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

1、传感器的定义

国标GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

2、传感器的分类

目前尚无统一的分类方法,比较常用的有如下三种:

①  传感器的物理量分类:可分为位移、力、速度、温度、流量等传感器。

②   按传感器工作原理分类:可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

③按传感器输出信号的性质分类,可分为:开关型传感器、模拟型传感器、脉冲或代码的数字型传感器。

3、传感器的静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。这时输入量和输出量和时间无关,所以它们之间的关系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有:线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

4、传感器的动态特性

所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

5、传感器的线性度

通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。线性度误差定义为校准曲线与拟合直线之间的最大偏差,以全量程的百分数表示。

拟合直线的选取有多种方法:如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线(端基线性度);或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合直线(独立线性度);拟合直线通过校准曲线的下限值,而使其最大正负偏差减至最小且相等(零基线性度)。

6、传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数。否则,它将随输入量的变化而变化。如差阻式应变计:温度不变, ε=fΔZ ,其中ε为输入量, ΔZ为输出量,f为最小读数,或称灵敏系数,f越小,灵敏度越高。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。

7、传感器的分辨力

分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时,其输出才会发生变化。

通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同,因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示,则称为分辨率。

8、传感器的稳定性

传感器的稳定性指在一定的工作条件下,传感器能在规定的时间内保持不变的能力。通常包括短期漂移如点漂、零飘、量程飘移以及长期稳定性。零飘指率定零点随时间的偏移,点漂、量程飘移含义类似。漂移多由于元器件的老化、徐变等引起。长期稳定性,对于埋在水工建筑物内部供长期观测的传感器来说,是一个需要特别重视的事情。

9、传感器的误差与精确度

绝对误差:图一.png

x为测值,x0为真值。

绝对误差愈小,说明指示值愈接近真值,测量精度愈高。但这一结论只适用于被测量值相同的情况,而不能说明不同值的测量精度。例如,某测量长度的仪器:测量10mm的长度,绝对误差为0.001mm。另一仪器测量200mm长度,误差为0.01mm;这就很难按绝对误差的大小来判断测量精度高低了,这是因为后者的绝对误差虽然比前者大,但它相对于被测量的值却显得较小。

相对误差:图二.png

相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。在上面的例子中

                    图三.png

显然,后一种长度测量仪表更精确。在实际测量中,由于被测量真值是未知的,而指示值又很接近真值。因此,可以用测值x代替真值x0来计算相对误差。

使用相对误差来评定测量精度,也有局限性。它只能说明不同测量结果的准确程度,但不适用于衡量测量仪表本身的质量。因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值。随着被测量的减小相对误差变大。为了更合理地评价仪表质量,采用了引用误差的概念。

引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值;通常以百分数表示。

引用误差:图四.png

如果以测量仪表整个量程中,可能出现的绝对误差最大值δm代替δ,则可得到最大引用误差:TU五.png

系统误差:在相同的条件下,多次重复测量同一量时,误差的大小和符号保持不变,或按照一定的规律变化。误差的数值和符号不变的称为恒值系统误差。反之,称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性的、周期性的和按复杂规律变化等几种类型。

系统误差是由于测量装置本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因造成。例如:使用日长的皮卷尺、光纤测温标定方法不正确。

系统误差的特点是可以通过实验或分析的方法,查明其变化规律和产生原因,通过对测量值的修正,或者采取一定的预防措施,就能够消除或减少它对测量结果的影响。系统误差的大小表明测量结果的正确度。它说明测量结果相对真值有一恒定误差,或者存在着按确定规律变化的误差。系统误差愈小,则测量结果的正确度愈高。

随机误差:在相同条件下,多次测量同一量时,其误差的大小和符号以不可预见的方式变化,这种误差称为随机误差。

随机误差是测量过程中,许多独立的、微小的,偶然的因素引起的综合结果。在任何一次测量中,只要灵敏度足够高,随机误差总是不可避免的。而且在同一条件下,重复进行的多次测量中,它或大或小,或正或负,既不能用实验方法消除,也不能修正。

随机误差:利用概率论的一些理论和统计学的一些方法,可以掌握看似毫无规律的随机误差的分布特性,确定随机误差对测量结果的影响。随机误差的大小表明测量结果重复一致的程度,即测量结果的分散性。通常,用精密度表示随机误差的大小。随机误差大,测量结果分散,精密度低。反之,测量结果的重复性好,精密度高。

精密度简称精度,指在某一个量的多次观测中,各观测值之间的离散程度,若观测值非常集中则精度高;反之则低。 用来衡量传感器的随机误差大小。

准确度是指在对某一个量的多次观测中,观测值对该量真值的偏离程度,观测值偏离真值愈小,则准确度愈高。用来衡量传感器的系统误差大小。

精确度是准确度与精密度的总称。

一个观测系列可能精度高而准确度低,也可能精度低而准确度高。例如打靶,如果弹着点分布很松散,射击精密度就低,如弹着点密集在一起,则射击精度高。在射击精密度高的情况下,若弹着点密集于靶子中心部分,则准确度也高。射击的优劣视其射击精确性如何。测量结果也要求精确性好。

 

(本文由《传感器世界》供稿)


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