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控制科学与工程学院 第一章、传感器的特性 本章学习要求： 1.了解传感器的定义和分类 2.掌握传感器一般特性 控制科学与工程学院 第四章、传感器的特性 4.1 概述 1. 传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成 另一种信息的装置。 物理量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。 控制科学与工程学院 被测量 敏感 元件 转换 元件 转换 电路 输出 电参数电量 2. 传感器的构成 总之，传感器的功能是一感 二传，即感受被测信息，并 传送出去。根据传感器的功 能要求，它一般应由三部分 组成，即：敏感元件、转换 元件、转换电路 。 控制科学与工程学院 3. 传感器的分类 4.1 概述 1)按被测物理量分类 速度传感器、位移传感器、加速度传感器 、温度传感器、压力传感器、气敏传感器 等。 控制科学与工程学院 4.1 概述 应变式、电阻式、电感式、电容式、涡流式、差 动变压器式等。 2)按工作原理分类: 控制科学与工程学院 4.1 概述 能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征 : 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片. 控制科学与工程学院 4.1 概述 4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变 . 例如:电容式和电感式传感器. 控制科学与工程学院 4.2 传感器一般特性 传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时 间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响 应特性，称静态响应特性。通常用来描述静态特 性的指标有：线性度线性度、迟滞迟滞 、重复性、重复性、 灵敏灵敏 度度等。 传感器的动态特性是指传感器对于随时间变化的输 入量的响应特性。只要输入量是时间的函数，则 其输出量必将是时间的函数。研究动态特性的标 准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经 常使用的是前两种。 控制科学与工程学院 1 1、静特性 （在静态标准条件下进行校准的） 线性度线性度：对于实际的传感器测出的输出输入 校准（标定）曲线与其理论拟和直线间的偏差 就称为该曲线的“非线性”或 “线性度”。 .输出输入校准（标定）曲线 4.2传感器的基本特性 控制科学与工程学院 传感器如果没有迟滞及蠕变效应，其静态特性 可用下列多项式来表示： =a =a 0 0 +a+a 1 1 +a+a 2 2 + +a+a n n n n （4.1） 式中， 为输入量（被测量）； 为输出 量； a0为0位输出；a1为传感器灵敏度，常用 表示；a2。 。an为非线性项的代定常数。这种 多项式代数方程有四种情况： 控制科学与工程学院 （1） 理想线性，在这种情况下a0 = a2 = = an= 0 ，因此得到： = a = a 1 1 （4.2） 因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感 器的灵敏度为 a a 1 1 = = y/y/ = = = = 常数常数 （4.3） 控制科学与工程学院 （2）在坐标原点附近相当范围内输出输入特性基 本呈线性，在此情况下式（4 .1）中除线性 项外只存在奇次非线性项，即： a0=a2= =an=0，因此得到： = a = a 1 1 +a +a 3 3 +a+a 5 5 5 5 + + （4.4） 对应的曲线为 ( () = y( ) = y( ) ) 控制科学与工程学院 (3) 输出输入特性曲线不对称，这时在式（4.1） 中，除线性项外非线性项只是偶次项，即： = a = a 1 1 +a +a 2 2 +a+a 4 4 4 4 + + （4.5） (4) 普遍情况下都是（4.1）所对应的特征。 =a =a 0 0 +a+a 1 1 +a+a 2 2 +a+a n n n n (4.1)(4.1) 控制科学与工程学院 1=a=a 0 0 +a+a 1 1 +a+a 2 2 +a+a n n n n 2=a=a 0 0 - a- a 1 1 +a+a 2 2 +a+a n n n n y=yy=y 1 1 -y-y 2 2 =2=2（ a a1 1 +a+a 3 3 3+ 控制科学与工程学院 线性度的定义和表达方法： 基本表达方法：线性度通常用相对误差来表示其 大小，即相对应的最大偏差与传感器满量程（ F.S .)输出之比%）： e e = = （max max/ / F.S. F.S.） ）100% 100% （4.6 ） 式中， e为非线性误差（线性度）； max为 输出平均值与基准拟和直线的最大偏差； F.S.为传感器满量程输出的平均值。 控制科学与工程学院 .理论拟和直线： 端基拟合法把传感器校准数据的零点输出平 均值和满量程输出平均值连成直线，作为传感器 特性的拟和直线，其方程式为： y y=b+ =b+ (4.7) 式中，y为输出量；x为输入量；b为y轴上的 截距；k为直线的斜率。 控制科学与工程学院 下图为一只压力传感器的输出输入实测曲线，根据端基法作拟 和直线，其方程式对应于式（4.7）可得： b= b= 0 0 ； = ( = ( F.S. F.S. 0 0 )/p)/pS S 这种方法简单直观，应用广泛，但是拟和精度很低，尤其是当传 感器为很明显的非线性时，拟和精度就更差。 p F.S.0 0 F.S. pS 0 u 控制科学与工程学院 平均选点拟合法：将测量得到的n个 检测点分成数目相等的两组，两组 检测点各自具有点系中心： 前半部n/2个检测点的点系中心A的坐标 后半部n/2个检测点的点系中心B的坐标 拟合直线的斜率和在y轴的截距可求 控制科学与工程学院 y y1 y2 0 y 12 A C B 控制科学与工程学院 最小二乘法线性度假定实际校准点任有n个，对应的输 出值是y，设拟合直线方程为 Y=kx+b 则第个校准数据与拟和战线上对应值之间的残差为： i i = = y y i i (b+ (b+ i i) ) (4.12) 最小二乘法拟和直线的拟和原则就是使 为最小值， 也即使 对k和b的一阶偏导数等于零，从而求出b和k的表达式，即 ： 控制科学与工程学院 从以上两式求出k和b （4.13 ） （4.14 ） 于是，可得最小二乘法最佳拟和直线方程 ： 控制科学与工程学院 2 2）迟滞）迟滞 ： 测试装置在输入量由小增大和由大减小的 测试过程中，对于同一个输入量所得到的 两个数值不同的输出量之间差值最大者为 max，则定义回程误差为 控制科学与工程学院 3 3）重复性）重复性： 表示传感器在输入量按同一方向作全 量程连续多次变动时所得特性曲线不一致 的程度。特性曲线一致，重复性好,误差就 小。 控制科学与工程学院 4 4）灵敏度）灵敏度： 当测试装置的输入x有一增量x,引起输出y发 生相应变化y时,定义: S=y/x 线性传感器校准的斜率就是其静态灵敏度，非 线性则随输入量而变化。 控制科学与工程学院 简要复习 1、传感器的定义、组成、分类 2、静特性：线性度线性度、迟滞迟滞 、重复性、重复性、 灵敏度灵敏度 3 3、动特性、动特性 作业：作业： 已知某测量系统静态方