传感器的一般特性.ppt

5-8学时 第二章 传感器的一般特性,传感器原理及应用,本节主要讲解内容: 1.测量误差的基本知识 2.传感器的静态特性与动态特性 3.精度的概念,一.测量误差的基本知识,1.测量误差的定义:,测量的目的: 获得被测量的真值。,真值: 在一定的时间和空间环境条件下， 被测量本身所具有的真实数值。是 客观存在的,但是不可知的.,实际值:由于真值无法得到,工程上一般将测量过程中精度更高一级的标准器具所测得的值作为真值.为了强调它并非是真正的真值,故称为实际值.,测量误差 :测量仪器的测得结果与被测 量真值的差别,所有测量结果都带有误差 。,标称值:测量器具上所标出来的数值。,示值:由测量器具的读数装值所指示出来的被测量的数值。,单次测量和多次测量,单次测量,用测量仪器对被测量进行一次测量的过程。,多次测量,用测量仪器对同一被测量进行多次重复测量的过程。,等精度测量和非等精度测量,等精度测量,在保持测量条件不变的情况下对同一被测量进 行多次测量的过程称等精度测量。,非等精度测量,在同一被测量的多次重复测量中，不是所有测 量条件都维持不变，这样的测量称非等精度测 量。,二. 误差的表示方法,测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。,1.绝对误差 （1）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差,对于绝对误差应注意以下几个特点：,1) 绝对误差是有单位的量，其单位与测得值X和实际值A相同,实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。 绝对误差：, = A - X A：实际值 X：示值（标称值）,只能表达误差的偏离程度，不能说明测量质量（例人体温度与炼钢炉温度）,4）与绝对误差绝对值相等，但符号相反的值称修正值。一般用C 表示,修正值给出的方式不一定是具体数值,也可以是曲线,公式或数表. 被测量的实际值:,C = （2）,绝对误差是有符号的量，若测得值较实际值大， 则为正，若测得值较实际值小，则为负。,对于信号源，稳压电源等供给量仪器定义为,一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小， 而且与这个量本身的大小有关。绝对误差的表示方法有不足之处，因为它不能确切的反应出测量的准确程度。,2.相对误差,例如: 测量二个电阻，其中R1=10，误差 R1=0.1 R2=1000 ，误差 R2=1 尽管R2 R1，但不能由此得出测量R1比测量R2的准确度高的结论。 相对误差用来说明测量精度的高低,相对真误差：绝对误差与被测量的真值之比,（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差,相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。,实际相对误差：,用实际值A代替真值A0,示值相对误差：用测量值X 代替实际值A,2）满度相对误差 r m （也称引用误差） 仪器量程内最大绝对误差与仪器量限之比的百分数。,仪表各量程内绝对误差的 最大值,例如,某温度传感器的刻度为0100,即其测量范 围为100。若在这个测量范围内,最大测量误差不超 过0.5,则其相对百分误差为 r m =0.5/100=0.5% 去掉上式中相对百分误差的“%”,称为仪表的精度等 级。它划分成若干等级,如0.1级,0.2级,0.5级,1.0 级,1.5级,2.5级,5.0级等。上例中的温度传感器的精 度即为0.5级。如果某仪表的精度等级是S级，则说明 它的最大满度相对误差不超过S%,测量点的最大相对误差,在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。,例1：满刻度为5m A 的电流表，在示值为4m A 的实际值为4.02m A ，此电流表在这一点的满度相对误差 0 . 4 ,如果这个误差是全量程中最大满度相对误差,那么该表的精度等级就是0.5级.,0.1, 0.2, 0.5,1.0,1.5,2.5, 5.0 7个等级,例2：某待测电流约为100mA ，现有0 .5级量程为 0-300mA和1.5级量程为0-100mA的二个电流表， 问用哪一个电流表测量较好？ 解：1）用0 .5级量程为0-300mA电流表测100mA时，求它的最大相对误差为:,解:2）用 1.5级量程为0-100mA的电流表测100mA时求它的最大相对误差 为：,上例说明，如果选择合适的量程，即使使用1.5级仪 表进行测量，也可能与0 .5级仪表同样准确。,1. 精度 指测量仪器的读数或测量结果与被测量真值相一致的程度。 精度高，表明误差小，精度低，表明误差大。 精度可用精密度，准确度，和精确度三个指标来表征。 a）精密度 表征仪表示值的分散性。表示在同一测量条件下对同一被测量进行多次测量时，得到的测量结果的分散程度，反映了随机误差的影响。,b）准确度 说明仪表示值与真值的接近程度。反映系差的影响程度,三.精度的概念及 传感器的静态特性,c）精确度 是精密度和准确度的综合反映。 准确度高，说明精密度和正确度都高，最终测量结果的可信赖程度也高。,射击误差示意图,精密度高准确度差,即精密又准确,2. 稳定性 用稳定度和影响量二个参数表征。 1）稳定度 在规定的时间区间，其它外界条件恒定不变的情况下， 仪器示值变化的大小。 例：某一电压表的指示值每小时变化1.3mV,则稳定度可表示为1.3mV/h。 2)影响量 由于电源电压，频率，环境温度，湿度，气压，振动等外界条件变化而造成仪器示值的变化量。称影响量或影响误差。说明影响量时，必须将影响因素与指示偏差同时表示。例如，某仪表由于电源电压变化10%而引起指示值变化0.02m A，则应写成0.02m A/ U 10%,3.灵敏度S 灵敏度是传感器输出变化对输入变化之比,用S来表示。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率,即 S= 输出量的变化/输入量的变化 =（Y）/（ X）（1） 非线性传感器的灵敏度不是常数,其表示式为,灵敏度用输出、输入量之比表示。例如,某位移 传感器在位移变化1mm时,输出电压变化有300mV, 则其灵敏度为300 mVmm。,一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内 是恒定的，即传感器输出/输入特性为直线。,4.线性度,传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的 线性程度。我们希望传感器的输出输入关系具 有线性特性，这样可使仪表刻度均匀，在整个 测量范围内具有相同的灵敏度，并且不需采用 线性化措施，从而简化测量环节。但实际上许 多传感器输出输入特性总是具有不同程度的非 线性。,传感器的输出量随输入量变化的规律。若传感器的输出为y，输入为X， 二者的关系可用函数y = ( x ) 表示， 如果y = ( x ) 为 y x平面上过原点的直线，则称为线性刻度特性，否则为非线性刻度特性。,5.迟滞,迟滞表明传感器在正（输入量增大）、反（输 入量减小）行程期间,输出-输入曲线不重合的 程度。 也就是说,对应于同一大小的输入信号,传感器 正、反行程的输出信号大小不相等。 迟滞是传感器的一个性能指标,它反映了传感器 的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点,如 轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当,元件磨蚀、 碎裂等。迟滞的大小一般由实验确定：,式中：（yH）max输出值在正、反行程 间的最大差值； YF.S理论满量程输出值。,6.重复性,重复性表示传感器在同一工作条件下,被测输入 量按同一方向做全量程连续多次重复测量时,所 得输出值的不一致性程度。它是反映传感器精 密度的一个指标。通常用下式计算重复性：,式中,YF.S. 为理论满量程输出值,其计算式为,式中：x1对应于测量下限的输入值； xm对应于测量上限的输入值； k理论特性直线的斜率。 式中称置信系数，通常取2或3。 标准偏差可通过贝塞尔公式或极差公式估算， 即,n 重复测量次数 -测量值 -算术平均值,指当被测量随时间变化时,传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式,曲线或数表. 传感器的动态指标分为时域和频域二种.,1. 时域性能指标,四.动态特性,某传感器的幅频特性曲线如图1.5所示：,当被测信号变化的频率 小于1时，该传感器 的输出不受被测信号 的影响,能正确地反映 被测信号。,通常在阶跃函数作用下测定传感器动态性能的时域指标。 如果在阶跃函数的作用下,传感器能满足动态性能指标,那么,在其它函数作用下,其动态性能指标也必定会令人满意。,在理想情况下,阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线 形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时,应保 持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。下图 所示即为单位阶跃作用下传感器的动态特性。,一个正式的传感器产品在出厂时要标定它的指标。,通常用下述五个指标来表示传感器的动态性能： 时间常数T： 输出值上升到稳定值y()的63%所需的时间。 上升时间tr： 输出值从稳态值y()的10%上升到90%所需的时间。 响应时间t5、t2： 输出值达到稳态值的95%或98%所需的时间。, 超调量：在过渡过程中,若输出量的最大值y(tp)y(),则响应无超调；若y(tp)y(),则有超调,且,输出量y(t)跟随输入量的时间快慢,是标定传感器动态性能的重要指标,峰值时间tp:阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间.,2. 频域性能指标,通常在正弦函数作用下测定传感器动态性能的频域指标,在标定压力传感器的频域性能指标时,常采用 正弦波压力信号发生器。如下图中所示,频域 常有如下指标：, 通频带b： 对数幅频特性曲线上幅值衰减3 dB时所对应的频率范围。 工作频带g1或g2：幅值误差为5%或10%时所对应的频率范围。 相位误差： 在工作频带范围内相角应小于5或10,即为相位误差的大小。,五. 测量误差的分类,按误差的基本性质和特点可将误差分成三大类：系统误差；随机误差；粗差。,1. 系统误差（系差） ,1） 系差概念：,在多次等精度测量同一量时，所出现误差的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，与某一个或几个因素成函数关系的有规律的误差称为系统误差,简称系差。 例：仪表的刻度误差，零位误差等。,例如下图:,A) 仪表仪器的制造，安装或使用方法不正确，测量人员的不良读数习惯,2）系差产生的主要原因：,B）采用近似的测量方法或近似的计算公式等.,3）系差的特点,表明了测量结果偏离真值或实际值的程度。表征测量正确度的高低。系差越小，测量就越准确。可用修正值来减小系差.,系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即,2. 随机误差（偶然误差）,服从统计规律的误差，简称随差。只要测试系统的灵敏度足够高，在相同条件下，重复测量某一量时，每次测量数据或大或小，或正或负不可预知。例：对一不变的电压在相同情况下，多次测量得到 1.235V，1.237V，1.234V，1.236V，1.235V，1.237V。,1） 随差的概念：,虽然单次测量的随差无规律，但多次测量的总体符合统计规律，可通过对测量数据的统计处理，即求算术平均值,能在理论上估计随差对测量结果的影响。,2）随差产生的主要原因,随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感官的无规律变化等。它不能用修正值或采取某种技术措施的办法来消除。,3）随差的特点,正负规律基本相等；绝对值小的误差出现机会多；多次测量正负误差为0；所有误差都没有超过一定界限。表征测量精密度的高低。,3. 粗大误差（疏忽误差）,1）粗差的概念,是一种显然与实际不相符的误差，又称粗差。 例：测错，记错，读错及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验都会引起。含有粗差的测量值称坏值。 在处理数据时应剔除。,2）粗差产生的主要原因,测量工具不完善，测试设备的电路的安装，布置，调试不完善，测试方法的理论不完善，测量环境变化等。