传感器的输入输出特性.ppt

传感器的输入输出特性 2.1 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 2.2 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算 2.3 2.3 传感器的静态标定传感器的静态标定 2.4 2.4 传感器的动态特性传感器的动态特性 2.5 2.5 一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性 2.6 2.6 二阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性 2 2 传感器的输入输出特性传感器的输入输出特性 2.1 传感器静态特性 传感器的静态特性是指在稳态条件下（ 传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确 定的输入输出关系。这种关系可依不同情 况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格 来表示。 2.1 传感器静态特性 静态特性：输入量为常量，或变化极慢 y x 0 2.1 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 2.2 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算 2.3 2.3 非线性传感器静态性能指标 2.4 2.4 传感器的静态标定传感器的静态标定 2.5 2.5 传感器的动态特性传感器的动态特性 2.6 2.6 一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性 2.7 2.7 二阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性 2 2 传感器的输入输出特性传感器的输入输出特性 2.2.1 测量范围和量程 2.2.2 静态灵敏度 2.2.3 分辨力与分辨率 2.2.4 零漂及温漂 2.2.5 传感器的测量误差 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.6 线性度 2.2.7 迟 滞 2.2.8 重复性 2.2.9 准确度 2.2.10 稳定性和环境影响 2.2.11 可靠性 2.2.12 符合度 2.2.13 总精度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.1 测 量范围和量 程 测量上限 ：传感器所能 测量的最大被 测量 测量下限 ：传感器所能 测量的最小被 测量 范围：用 测量上限和测 量下限表示的 测量区间 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 量程：测量上限和测量下限的代数差 E：3N10N 灵敏度：传感器输出变化量与输入变化量之比为静态灵 敏度，其表达式为 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.2 静态灵敏度 分辨率：指传感器能够检测到的最小输入增量。对于输 出为数字量的传感器，分辨率可以定义为一个量化单位或 二分之一个量化单位所对应的输入增量，如图所示。使传 感器产生输出变化的最小输入值称为传感器的阈值。 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.3 分辨率 2.2.4 零漂及温漂 传感器的漂移量大小是表征传感器性 能稳定性的重要指标 零点时漂：在规定的条件下，传感器 零点随时间的缓慢变化。 零点温漂：温度变化引起的传感器零 点输出的变化 灵敏度温漂：温度变化引起的传感器 灵敏度的变化 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 b）灵敏度温度系数：当温度升高时，系统的灵敏 度变化，温度每升高1，灵敏度系数变化的百分比， 称为灵敏度温度系数。 如温度系数（温漂） a）零点温度系数：在工作温度范围内，环境温度 每变化1时，引起的零点输出变化与额定输出的百分 比，称为零点温度系数。 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.4 零漂及温漂 2.2.5 测量误差基本概念 v真值指被测量在一定条件下客观存在的、 实际具备的量值。真值是不可确切获知的，实际 测量中常用“约定真值”和“相对真值”。约定真值 是用约定的办法确定的真值，如砝码的质量。相 对真值是指具有更高精度等级的计量器的测量值 。 v标称值计量或测量器具上标注的量值。如标 准砝码上标注的质量数。 v 示值由测量仪器（设备）给出的量值，也 称测量值或测量结果。 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 v准确度是测量结果中系统误差与随机误差的 综合，表示测量结果与真值的一致程度，由于真值 未知，准确度是个定性的概念。 v 测量误差测量结果与被测量真值之间的差 值。 v误差公理一切测量都具有误差，误差自始至 终存在于所有科学试验的过程之中。研究误差的 目的是找出适当的方法减小误差，使测量结果更 接近真值。 2.2.5 测量误差基本概念 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 3）引用误差绝对误差与测量仪表量程之比。按最大引用误差将 电测量仪表的准确度等级分为7级，指数a 分别为：0.1，0.2，0.5 ，1.0，1.5，2.5，5.0。 2）相对误差绝对误差与真值之比： 在误差较小时，可以用测量值代替真值，称为示值相对误差x 。 1）绝对误差示值与真值之差。它的负值称为修正值。 称为修正值或补值。 2.2.5 测量误差的表示 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 所以电测量仪表在使用中的最大可能误差为： 【例】某1.0级电压表，量程为300V，求测量值Ux分别为100V 和200V时的最大绝对误差Um和示值相对误差Ux 。 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.5 测量误差的表示 传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示： 2.2.6 2.2.6 线性度线性度 其中：其中： X X 输入量，输入量， Y Y 输出量；输出量； a a0 0 x = 0 x = 0 时的输出值时的输出值 a a1 1 理想灵敏度理想灵敏度 a a2, 2, a a 33 a a n n 非线性项系数非线性项系数 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 线性度是指系统标准输入输出特性与拟合 直线的不一致程度，也称非线性误差。传感器 的理想输入输出特性应是线性的。 2.2.6 2.2.6 线性度线性度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线 作比较，其不一致的最大偏差与理论满量程输出值 的百分比来进行计算： 式中：YFSymaxymin 满量程输出电压 2.2.6 2.2.6 线性度线性度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 对于非理想直线特性的传感器，需要进行非线 性校正，常采用以下方法。 2.2.6 2.2.6 线性度线性度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 实际特性上分别 对应于测量下限xmin 和测量上限xmax的点A 和B的连线称端点拟 合直线。 特点：方法简单，但由于数据依据不充分，且计 算的线性度值往往偏大，因此不能充分发挥传感 器的精度潜力。 A B 2.2.6 2.2.6 线性度线性度- -端点法端点法 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 把传感器全量程内的所有校准数据，前后分成两组，分 别求出两组的点系中心，这两点系中心的连线，就是平均选 点法的拟合直线。 特点：拟合精度较高，试验点在拟合直线两侧分布，数据 处理不复杂。 前半部点系中心坐标为 后半部点系中心坐标为 因此通过两个点系中心 和的直线斜率为 直线在y轴上的截距为 或 把斜率和截距代入 y = a + kx 中即得到平均选点法拟合直线方程。 2.2.6 2.2.6 线性度线性度- -平均选点法平均选点法 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二 乘法拟合的直线y=a+kx，其校准点与对应的拟合直 线的点之间的残差平方和为最小。 校准点 拟合直线 2.2.6 2.2.6 线性度线性度- -最小二乘法最小二乘法 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 特点：拟合精度高，计算复杂。 2.2.6 2.2.6 线性度线性度- -最小二乘法最小二乘法 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.7 2.2.7 迟滞迟滞 迟滞特性说明传感器加载（输入量增大）和卸 载（输入量减小）输入输出特性曲线不重合的程 度。 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 例：一电子秤例：一电子秤 增加砝码增加砝码 10g 50g 100g 200g10g 50g 100g 200g 电桥输出电桥输出 0.5mv 2mv 4mv 10mv0.5mv 2mv 4mv 10mv 减砝码输出减砝码输出 1mv 3mv 6mv 10mv1mv 3mv 6mv 10mv 2.2.7 2.2.7 迟滞迟滞 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.82.2.8重复性重复性 重复性是指传感器输入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。 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 衡量测量结果分散性 的指标，即随机误差大 小的指标。 准确度（精度）：表征测试系统的测量结果与被测量真值 的符合程度，反映了系统误差和随机误差对测试系统的综合 影响。 用测量误差表示：规定了精度等级指数的产品， 值越小，精度越高。精度等级由最大引用误差确定，最大 引用误差是绝对误差最大绝对值与满量程之比： 2.2.92.2.9准确度准确度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.92.2.9准确度准确度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 量程选择应使测量值尽可能接近仪表的满刻度值，并尽 量避免让测量仪表在小于1/3量程范围内工作。 2.2.92.2.9准确度准确度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.10 2.2.10 稳定性和环境影响稳定性和环境影响 稳定性在规定工作条件范围内和规定时间 内，保持输入信号不变时，系统或仪器性能保 持不变的能力。通常用测试系统示值的变化量 与时间之比来表示。如一测试仪器输出电压在8 小时内的变化量为1.3mV，则系统的稳定度为 1.3mV/8h； 环境影响环境温度、湿度、大气压、电源 电压、振动等外界因素变化对测量系统或仪器 示值的影响。 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.11 2.2.11 可靠性可靠性：装置在规定时期内，及在保持其运行 指标不超限的情况下执行其功能的性能。包括： a) 平均无故障时间（Mean Time Between Failure, MTBF）：表示相邻两次故障间隔时间的平均值 b) 可信任概率P：表示在给定时间内误差保持在规定 限度内的概率。概率P越大，系统可靠性越高，但是会增 加成本。P的最佳值为0.80.9。 c) 故障率或失效率（1/MTBF）：平均无故障时间的 倒数。 d) 有效度或可用度A：用MTTR代表平均修复时间 (Mean Time to Repair)，若修复时间长，则有效使用时 间短，A表示为 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.12 2.2.12 符合度符合度 传感器的输入输出特性符合或接近某一参考 曲线的性能。 常常用于描述非线性传感器，参考曲线的形 式较多，针对不同的传感器有不同的选择 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.13 2.2.13 总精度总精度 反映的是传感器实际输出在一定的置信概 率下对其理论特性或工作特性的偏离皆不超过 一个范围，是综合评价传感器性能优劣的性能 综合指标 计算方法：1.均方根法和代数和法 2. 极点法 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.13 2.2.13 总精度总精度 1.方和根法和代数和法 均方根法： 总精度计算偏小 代数和法： 总精度计算偏大 特点：计算简单，但由于三种误差的最大值不一定 出现在同一位置上，因此理论根据不足。 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.2.13 2.2.13 总精度总精度 2. 极点法 ：从校准实验数据中直接求 a.分别求正、反行程i校准点的平均值 b.求极限点 c.用最佳直线来拟合各极限点 d.总精度为最大偏差除以满量程乘100 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算 2.1 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 2.2 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算 2.3 2.3 传感器的静态标定传感器的静态标定 2.4 2.4 传感器的动态