传感器的一般特性

1、1/21 传感器与检测技术传感器与检测技术 Sensor and Detection technology 朱启兵朱启兵2/21第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础一、传感器的特性与指标一、传感器的特性与指标二、改善传感器性能的技术途径二、改善传感器性能的技术途径三、传感器的合理选用三、传感器的合理选用四、传感器的标定四、传感器的标定1.1 检测技术的基本概念检测技术的基本概念 一、测量的基本概念及分类一、测量的基本概念及分类 二、测量误差分析二、测量误差分析1.2传感器特性与标定传感器特性与标定第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础3/21一、测量的基本概念及分

2、类(1)测量：以确定客观事物的量值为目的，借助于一定的工具和设备，用比较的方法取得被测量数据的过程，包括数据处理、显示或记录等步骤。(2)检测：利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接收的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接收的信号，实现对被测物理量的控制。(3)测试：带有试验性质的检测，在特定情况下，检测信号可由模拟被测物理量的信号发生装置产生。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础4/211.按测量过程的特点分类可分为直接测量和间接测量。2.按测量仪表是否与被测物体相接触分类可分为接触测量法和非接触测量法。3.按测量对象的特点分类可分为静态

3、测量法和动态测量法。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础5/211.按测量过程的特点分类可分为直接测量和间接测量。(1)直接测量:直接测量是针对被测量选用专用仪表进行测量，直接获取被测量值的过程，如用温度表测温度和用电位差计测电动势等。1)偏差法。2)零位法。3)微差法。(2)间接测量：用直接测量法测得与被测量有确切函数关系的一些物理量，然后通过计算求得被测量值的过程称为间接测量。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础6/212.按测量仪表是否与被测物体相接触分类可分为接触测量法和非接触测量法。(1)接触测量法：检测仪表的传感器与被测对象直接接触，承受被测参数的作

4、用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称接触测量法。(2)非接触测量法：检测仪表的传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，以达到测量目的的方法，称非接触测量法。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础7/213.按测量对象的特点分类可分为静态测量法和动态测量法。(1)静态测量法:静态测量方法是指被测对象处于稳定情况下的测量。(2)动态测量法:动态测量是指在被测对象处于不稳定的情况下进行的测量。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础8/21二、测量误差分析1.按误差的表示方法分类可分为绝对误差和相对误差。2.按误

5、差的性质分类可分为系统误差、随机误差和粗大误差。3.按被测量与时间关系分类可分为静态误差和动态误差。误差分类误差分类第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础9/21精度第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础10/21(1)绝对误差：某被测量的仪表示值x与其约定真值A0的差值，称为绝对误差x，即0 xxA （2）示值误差：由于一般测量时，无法获得真值，用实际值A代替， x与A的差值xxA 第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础11/21(3)相对误差：即百分比误差，分为实际相对误差、示值(标称)相对误差和满度(引用)相对误差。1)实际相对误差等于绝对误差与

6、实际值A的百分比，用A表示，即2)示值相对误差等于绝对误差与示值x的百分比，用x表示，即3)满度（引用）相对误差等于绝对误差与仪表满量程值yFS的百分比，用n表示，即100%AxA100%xxx100%nFSxy第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础12/21当x取仪表的最大绝对误差值m时，引用误差常被用来确定仪表的准确度（Degree of Accuracy）等级S，即m100FSSy我国的模拟仪表有下列七种等级，准确度等级的数值越小，仪表的就越昂贵。表1-1 仪表的准确度等级和基本误差准确度等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差0.1%0.2%0.5%1.0%

7、1.5%2.5%5.0%仪表的准确度与“精度”举例，在正常情况下，用0.5级、量程为100温度表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差为：m（0.5%）Am（0.5%100）0.5第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础13/21例1-1 某压力表准确度为2.5级，量程为01.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差n。2）可能出现的最大绝对误差m为多少kPa？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差x。 例1-2现有准确度为0.5级的0300的和准确度为1.0级的0100的两个温度计，要测量80的温度，试问采用哪一个温度计好？ 第第1章章 传感器与检测技术

8、基础传感器与检测技术基础14/21图示为一个图示为一个三位半三位半数字显示电压表数字显示电压表1 1量程量程 2 2分辨力分辨力 3 3读数读数 4 4示值相对误差示值相对误差 5 5满度相对误差满度相对误差200200； 0.10.1； 126.5 126.5 ； 0.10.1126.5 126.5 0.08%0.08% ； 0.10.1200 = 200 = 0.050.05% %第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础15/21 )(211mnnii 22221mn 若第i个环节的满度相对误差为i时，则输出端的满度相对误差m与i之间的关系可用以下两种方法来确定： （1）绝对值

9、合成法（误差的估计偏大） （2）方均根合成法 第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础16/212.按误差的性质分类可分为系统误差、随机误差和粗大误差。(1)系统误差：在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误差称作系统误差。(2)随机误差：在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。(3)粗大误差：明显偏离约定真值的误差称为粗大误差。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础17/213.按被测量与时间关系分类可分为静态误差和动态误差。(1)静态误差：被测量不随时间

10、变化时测得的测量误差称为静态误差。(2)动态误差：被测量在随时间变化过程中所测得的测量误差称为动态误差。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础18/21随机误差的处理1.随机误差的特性2.随机误差的计算方法国内外广泛采用标准误差(方均根误差)来评定测量随机误差的大小。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础19/211.随机误差的特性(1)对称性：绝对值出现正误差和负误差的概率相等。图1-1正态分布曲线第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础20/21(2)单峰性：只有一个峰值，峰值就是概率密度函数的极大值。(3)互抵性：对一系列等精度的n次测量，当n+时

11、，各次测量的随机误差i(i=1，2，n)的代数和趋于零。(4)有界性：绝对值很大的误差出现的概率趋近于零，即误差的绝对值实际上不会超过某个限值。表1-1置信系数与置信概率的对应关系第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础21/212.随机误差的计算方法国内外广泛采用标准误差(方均根误差)来评定测量随机误差的大小。标准法贝塞尔公式：设n次等精度测量的测得值为x1,x2,xn。1)测得值的算术平均值为2)各测得值xi的剩余误差(残差)vi为3)标准误差为11niixxniivxx211niivn第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础22/21系统误差的处理1.系统误差的分

12、类及产生原因产生系统误差的原因主要有：检测所用传感器和仪表本身性能有限；检测系统安装、布置及调整不当；测量者视觉原因；测量环境条件(如温度和压力等)变化；测量方法不完善；测量依据的理论不完善等。2.系统误差的发现3.消除或减弱系统误差的测量方法第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础23/211.系统误差的分类及产生原因(1)已定系差:指在测量过程中误差大小和符号都不变的系差。(2)未定系差:在测量过程中大小和符号变化不定，或按一定规律变化的系差。1)线性变化(或累进变化)系差。2)周期性变化的系差。3)复杂规律变化的系差。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础24/

13、212.系统误差的发现(1)恒定系差的检验:恒定系差不影响剩余误差的计算，即不影响测量结果的精密度，在处理随机误差时不可能发现。(2)未定系差的发现1)剩余误差观察法。2)马利科夫判据用于检查线性系差。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础25/213.消除或减弱系统误差的测量方法w误差源消除w修正值法w补偿法w零位式测量w对照法。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础26/21第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础一、传感器的特性与指标一、传感器的特性与指标二、改善传感器性能的技术途径二、改善传感器性能的技术途径三、传感器的合理选用三、传感器的合理选

14、用四、传感器的标定四、传感器的标定1.2传感器特性与标定传感器特性与标定27/21第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础一、传感器的特性与指标一、传感器的特性与指标基本特性：输入输出关系特性基本特性：输入输出关系特性不失真测试条件不失真测试条件0000( )()()()()j ty tA x ttY jH jA eX jt tA Ax(t)x(t)静态特性、动态特性静态特性、动态特性 该系统的输出该系统的输出波形与输入信号的波形与输入信号的波形精确地一致，波形精确地一致，只是幅值放大了只是幅值放大了A A0 0倍，倍，在时间上延迟了在时间上延迟了t t0 0而而已。这种情况下，已

15、。这种情况下，认为测试系统具有认为测试系统具有不失真的特性。不失真的特性。28/211.静态特性静态特性静态特性：检测系统在被测量处于静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态稳定状态时的时的输入输出关系输入输出关系非线性非线性传感器传感器输入输入 x输出输出 y = f(x)温温度度湿湿度度压压力力冲冲击击振振动动磁磁场场电电场场摩摩擦擦间间隙隙松松动动迟迟滞滞蠕蠕变变变变形形老老化化外界干扰外界干扰两个因素：两个因素：随机干扰和非线性随机干扰和非线性第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础29/21静态特性指标静态特性指标1）基本功能特性）基本功能特性 - 决定系统的工作能力决定系

16、统的工作能力 测量范围（测量范围（Range）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围上限值、下限值上限值、下限值 分辨力（分辨力（Resolution） 动态范围（动态范围（Dynamic Range）跨度与绝对分辨力之比跨度与绝对分辨力之比 - 系统对输入信号大小的综合检测能力系统对输入信号大小的综合检测能力 跨度（跨度（Span）：）：- 测量范围上限与下限的算术差值测量范围上限与下限的算术差值线性检测装置线性检测装置 - 常数；常数；非线性检测装置非线性检测装置 - 变量变量 灵敏度（灵敏度（Sensitivity）：系统输出信号的变化相对于输

17、入信号变化）：系统输出信号的变化相对于输入信号变化的比值的比值 k =dy/dx能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量绝对值绝对值 - ；相对值；相对值 - 满刻度（满刻度（Full Scale）的百分比）的百分比minmaxxx动态范围minmaxlg20 xx动态范围分贝数表示分贝数表示200200800800 C C、 5mm5mm第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础30/21静态特性指标静态特性指标2）精度特性）精度特性 - 决定系统在什么程度上完成所需的检测决定系统在什么程度上完成所需的检测 线性度（线性度（Linea

18、rity）：输入输出曲线与理想直线）：输入输出曲线与理想直线的偏离程度的偏离程度相对误差相对误差%100.maxSFLyLemaxL.SFy输出值与理想直线的最大偏差值输出值与理想直线的最大偏差值理论满量程输出值理论满量程输出值理想直线：理想直线：表达表达:xy拟合直线拟合直线一般不存在或很难获得准确结果一般不存在或很难获得准确结果利用测量数据，通过计算获得利用测量数据，通过计算获得理想检测系统理想检测系统 - 输出与输入输出与输入 - 比例关系：比例关系：y(t)=kx(t)实际检测装置实际检测装置 - 输出与输入不是理性的线性关系输出与输入不是理性的线性关系第第1章章 传感器与检测技术基础

19、传感器与检测技术基础31/21获取拟合直线方法：获取拟合直线方法：(c) 最小二乘法最小二乘法：计算：有计算：有n个测量数据个测量数据: (x1,y1), (x2,y2), , (xn,yn)， (n2)残差：残差： i = yi (a + b xi) 残差平方和最小：残差平方和最小：2i=min22)(iiiiiixxnyxyxnb222)(iiiiiiixxnyxxyxa(a) 端点连线法端点连线法xy(b) 最佳直线法最佳直线法第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础32/21 回程误差回程误差（Hysteresis）正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间正向（输入量

20、增大）和反向（输入量减小）行程期间 - 检测装置输入检测装置输入 输出曲线的不重合程度。输出曲线的不重合程度。%100maxFSHhy表达：表达：maxH.SFy正反行程输出的最大差值正反行程输出的最大差值理论满量程输出值理论满量程输出值产生：检测装置中的弹性元件、机械传动中的产生：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础33/21重复性（重复性（Repeatability）同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度。反映

21、测量数据的分散性异程度。反映测量数据的分散性-随机误差随机误差重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证前提和保证1)(12nyyniiyi-测量输出值，测量输出值，i=1,2,ny-输出值的平均值输出值的平均值. .100%RF Saeya 置信系数置信系数标准差标准差第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础34/21阈值（阈值（Threshold）当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加，只有在达到了某一最当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加，只有在达到了某一最小值后，才测得出输出变化，这个最小值就称为传感器的

22、阈值小值后，才测得出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值 。两种情况两种情况（1）死区（非线性）死区（非线性） （2）噪声电平（噪声）噪声电平（噪声）稳定性（稳定性（Stability ）传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。 漂移（漂移（Drift)输入不变的情况下，传感器随时间（温度）的变化趋势。漂移包括输入不变的情况下，传感器随时间（温度）的变化趋势。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。零点漂移与灵敏度漂移。静态误差静态误差精度精度（Precision） 静态测量时，测量值与真实值的偏离程度。静态测量时，测量值与真实值的偏离程度。

23、第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础35/212.动态特性动态特性传感器在传感器在被测量随时间变化被测量随时间变化的条件下的条件下输入输出关系。输入输出关系。研究工具：研究工具： 频率响应函数频率响应函数标准信号：标准信号： 正弦信号正弦信号 阶跃信号阶跃信号01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm01110111)()()(ajajajabjbjbjbjXjYjWnnnnmmmm0n 1n 2n 零阶传感器；一阶传感器；二阶传感器 第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础36/21（1）0阶传感器阶传感器电位器式电位器式

24、 传感器、传感器、高阶系统高阶系统在低频输在低频输入时的简入时的简化化oUUxL微分方程：微分方程：xbya00Kxxaby00幅频特性：幅频特性：KA)(相频特性：相频特性：0)(特点特点：a) 属于静态环节：属于静态环节：c) 与时间无关，与频率无关，无滞后，与时间无关，与频率无关，无滞后，无惯性无惯性理想环节理想环节00/abK 静态灵敏度系数静态灵敏度系数b) 输出输出 输入输入比例环节比例环节第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础37/21（2）1阶传感器阶传感器微分方程：微分方程：xbyadtdya001xabydtdyaa000101/aa时间常数时间常数静态灵敏度

25、静态灵敏度00/abK 幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：1)(/)(2KA)arctan()( 1/ A( )=K零阶零阶 ( )=0无滞后无滞后 1/ 失真失真A( ) ( ) 幅值衰减幅值衰减相位滞后相位滞后第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础38/21（2）1阶传感器阶传感器输入阶跃信号：输入阶跃信号：000)(ttAtx)1 (/teKAy/)1 (ttdeKAeKAKAe特点特点：动态响应特性主要取决于时间常数动态响应特性主要取决于时间常数 ； 小小阶跃响应迅速阶跃响应迅速截止频率高截止频率高惯性小惯性小 惯性环节惯性环节实例：实例：bxkydtdyc运动方程

26、：运动方程：kc/时间常数：时间常数：kbK/静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：带阻尼弹簧测力传感器带阻尼弹簧测力传感器k-弹簧刚度弹簧刚度c-阻尼系数阻尼系数t=5 ：ed=0.7%；第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础39/21（3）2阶传感器阶传感器微分方程：微分方程：xbyadtdyadxyda00122220/aan固有频率固有频率阻尼比阻尼比2012/aaa幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：222/2)/(1 )(nnKA)/(1/2arctan)(2nn / n1A( ) K， ( ) 0 近似零阶近似零阶 较小时较小时 ：A( )随随 出现较大波动出现较大波

27、动0.7时时：A( )平坦段最宽，平坦段最宽， ( )接近斜直线接近斜直线A( )0.3当当 =0时，时，A( n) = , 附近谐振附近谐振 较大时较大时：第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础40/21（3）2阶传感器阶传感器输入输入000)(ttAtx当当 1时时：应用实例应用实例：Fkydtdycdtydm22当当 1时时：当当 =1时时：无过冲，无震荡，无过冲，无震荡，过阻尼过阻尼曲线上升慢，响应速度低曲线上升慢，响应速度低产生衰减震荡产生衰减震荡 欠阻尼欠阻尼曲线上升块，响应速度高曲线上升块，响应速度高临界阻尼临界阻尼弹簧弹簧(k)阻尼阻尼(c)质量质量(m)压电式动

28、态测力传感器压电式动态测力传感器静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：运动微分方程：运动微分方程：mkaan/20固有频率固有频率:阻尼比阻尼比:kmcaaa2/2/201一般取：一般取： =0.60.8kK 阶跃响应阶跃响应：第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础41/21二、改善传感器性能的技术途径二、改善传感器性能的技术途径非线非线性性传感器传感器输输入入 x输出输出 y = f(x)温温度度湿湿度度压压力力冲冲击击振振动动磁磁场场电电场场摩摩擦擦间间隙隙松松动动迟迟滞滞蠕蠕变变变变形形老老化化外界干扰外界干扰1.结构、材料与参数的合理选择结构、材料与参数的合理选择2.差动技术差

29、动技术3.平均技术平均技术 4.稳定性处理稳定性处理 5.屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制6.零示法、微差法与闭环技术零示法、微差法与闭环技术 7.补偿与校正补偿与校正 8.集成化、智能化与信息融合集成化、智能化与信息融合 第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础42/21 输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等 静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、分辨率、阈值、稳定性、漂移等分辨率、阈值、稳定性、漂移等 动态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻动

30、态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采样频率等样频率等 对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、抗冲振要求等抗冲振要求等 可靠性指标：平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳可靠性指标：平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等 经济指标：性能经济指标：性能/价格比价格比三、传感器合理选用三、传感器合理选用如何选择？如何选择？第第1章章 传感器与检测技术基础传感器与检测技术基础43/21三、传感器合理选用三、传感器合理选用 分辨力分辨力 重视指标：重视指标：要干什么？能干些什么？能在什么程度上干些什么？要干什么？能干些什么？能在什么程度上干些什么？ 工作工作/ /检测范围检测范围 工作频率工作频率 精度精度/重复性重复性 工作环境与寿命工作环境与寿命 成本与价格成本与价格宽工作范围宽工作范围 - 大的跨度和高分