传感器的基本特性与测量误差的概念和分类.ppt

一、传感器的定义、组成与分类P123 1、传感器的定义 传感器是一种以一定的精确度把被 测量转换为与之有对应关系的、便于应 用的某些物理量的测量装置。 本质：信息转换，一感二传 别名：换能器、发讯器、传送器 sensor, transducer n n 2、传感器的组成 被测量 敏感 元件 转换 元件 转换 电路 输出 电参数电量 3、传感器的分类 按结构分： A 电量传感器 简单型 B 电参数传感器 C 电参数传感器 （加二次转换元件及转换电路） 复合型 + x 正向传感器 + y 被测量 转换电路 双倍输出 - x 反向传感器 - y 特点： 灵敏度高，抗干扰性好，线性好 CHCL PHPL d0 d d0 -d d0 +d 其它分类：其它分类： 1 1、根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、 温度传感器及气敏传感器等温度传感器及气敏传感器等 2 2、根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。、根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。 3 3、根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器、和数字式传感器。、根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器、和数字式传感器。 即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字 4 4、根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。、根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。 二、传感器的基本特性 静特性：线性度线性度、迟迟滞滞 、重复性、重复性、 灵敏度灵敏度 动特性 1 1、静特性 （在静态标准条件下进行效准的） 1 1） 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 论拟和直线间的偏 差就称为该曲线的“非线性”或 “线性度” 。 理想的拟合直线：能反映校准曲线的一般 趋势，又能使误差绝对值为最小的曲线。 传感器如果没有迟滞及蠕变效应，其静态特性可用下 列多项式代数方程来表示： =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： （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 a1 1 = y/ = y/ = = = = 常数常数 （ 4 3 ） （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( ) ) (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。 p 0 F.S. pS 0 u p F.S.0 0 F.S. pS 0 u p 0 F.S. pS 0 u 线性度的定义和表达方法： （1） 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 F.S. .S.） ）100%100% （46） 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。 （2）不同线性度的定义和表达方法： A 端基线性度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+ (47) 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。 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（47）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 图41 端基线性度的拟和直线 B y y1 y2 0 y 图42 平均选点的拟和直线 12 A C B (3)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 ，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： 从以上两式求出k和b （413 ） （414 ） 于是，可得最小二乘法最佳拟和直线方程： 2 2）迟）迟 带带 ： 表明了传感器在正（输入量增大）反（输入量 减小）行程间输出输入曲线不重合的程度。由机 械部分的缺陷引起。 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。 4 4）灵敏度）灵敏度： 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。 Y X dy dx 动特性动特性 传感器对于随时间变化的输入量的响 应特性。 1）标准输入： 正弦函数：任何复杂输入可分解为多 次谐波的正弦函数； 阶跃函数：当输入突然变化时的极端 。 2）数学模型：微分方程，传递函数