新型传感技术-第一章 传感器的一般特性(slj2014)

1、新型传感技术新型传感技术孙立军孙立军绪论、第一章绪论、第一章 传感器的一般特性传感器的一般特性参考资料参考资料教材教材王化祥，张淑英王化祥，张淑英传感器原理及应用传感器原理及应用（第（第3版）版）其它其它王君，凌振宝王君，凌振宝传感器原理及检测技术传感器原理及检测技术，2003樊尚春，樊尚春，传感器技术及应用传感器技术及应用（第（第2版），版），2010王化祥王化祥 等等现代传感技术及应用现代传感技术及应用，2008王厚枢，陈行禄，王厚枢，陈行禄，传感器原理传感器原理，1987内容和学时安排内容和学时安排传感器的一般特性传感器的一般特性4应变式传感器应变式传感器2电容式传感器电容式传感器6电感

2、式传感器电感式传感器4压电式传感器压电式传感器2数字式传感器数字式传感器6固态传感器固态传感器6光导纤维式传感器光导纤维式传感器2智能传感技术智能传感技术4传感器的标定传感器的标定4实验课实验课6复习和答疑复习和答疑2合计合计42+6基本要求基本要求准时来上课；准时来上课；不打扰其他同学听课；不打扰其他同学听课；平时成绩占平时成绩占10-20%，最后考试占，最后考试占80-90%。热量表（户用）热量表（户用）传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例热量表（户用）热量表（户用）传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例热量表的安装示意图热量表的安装示意图传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例传感

3、器应用、科研实例传感器应用、科研实例110OdhqdhqQvm 式中：式中：Q 释放或吸收的热量，释放或吸收的热量，kJ；qm 流经热量表的水的质量流量，流经热量表的水的质量流量，kg / h ；qv 流经热量表的水的体积流量，流经热量表的水的体积流量，m3 / h ； 流经热量表的水的密度，流经热量表的水的密度，kg / m3 ；h 热交换系统入口与出口处水的温差值对应热交换系统入口与出口处水的温差值对应的水的的水的比比焓值差，焓值差，kJ / kg ； 时间，时间，h。热量的计算热量的计算比焓差法比焓差法热量表的积算仪热量表的积算仪传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例机械式热量表的基表

4、机械式热量表的基表机械式热量表的表芯机械式热量表的表芯传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例机械式热量表的计算流体力学（机械式热量表的计算流体力学（CFD）仿真模型）仿真模型传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例速度分布云图速度分布云图速度矢量图速度矢量图传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例叶轮叶片表面受力分析叶轮叶片表面受力分析传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例水流量标准装置水流量标准装置传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例CFD仿真与实验结果对比仿真与实验结果对比传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例流量点流量点（m3/h）仪表系

5、仪表系数数(1/L)平均仪表平均仪表系数系数(1/L)线性度误线性度误差差(%)流速流速m/s湍流湍流强度强度仿真转仿真转速速 (rad)仿真仪表仿真仪表系数系数(1/L)仿真平均仪仿真平均仪表系数表系数(1/L)仿真线性仿真线性度误差度误差(%)0.0350.01980.07370.6069.9211.0753.0010.06410.58410.7491.8350.03620.06831.210.7430.15110.6950.34710.7590.2040.0557.1511.3483.51810.9452.02180.041371.111.408CFD仿真与实验结果对比仿真与实验结果对比

6、传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例 （a） （b） (c)需要优化的参数示意图需要优化的参数示意图机械式热量表的基表结构参数优化机械式热量表的基表结构参数优化传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例 各方案中改变的参数及参数值各方案中改变的参数及参数值优化方案优化方案改变参数改变参数参数值参数值原模型原模型=38.5；L=2.4 mm；R=26.5 mm；r=16 mm；b=0 mm1R=38.5；L=2.4 mm；R=26 mm；r=16 mm；b=0 mm2L=38.5；L=1.2 mm；R=26.5mm；r=16 mm；b=0 mm3=39；L=2.4 mm；R=26 mm；r=1

7、6.5 mm；b=0 mm4r=38.5；L=2.4 mm；R=26.5 mm；r=16.5 mm；b=0 mm5、R=39；L=2.4 mm；R=26 mm；r=16 mm；b=0 mm6、L、R、r=39；L=1.2 mm；R=26 mm；r=16.5 mm；b=0 mm7、L、R、r=40；L=1.2 mm；R=25.8 mm；r=16.5 mm；b=0 mm8、L、R、r、b=39；L=1.2 mm；R=26 mm；r=16.5 mm；b=2 mm9、L、R、r、b=40；L=1.2 mm；R=25.8 mm；r=16.5 mm；b=2 mm机械式热量表的基表结构参数优化机械式热量表的

8、基表结构参数优化传感器应用、科研实例传感器应用、科研实例知识背景：知识背景： 数、理、电路、电子技术、自动控制理论等。数、理、电路、电子技术、自动控制理论等。研究内容：研究内容： 研究信息的提取与处理的理论、方法和技术。研究信息的提取与处理的理论、方法和技术。我们的专业：我们的专业：“自动化自动化” “工业自动化工业自动化” “过程自动过程自动化化”我们的目的：要实现我们的目的：要实现“过程控制过程控制” 或或“运动控制运动控制” 即用自动化装置或设备代替人对生产过程进行操作即用自动化装置或设备代替人对生产过程进行操作或控制。或控制。绪论绪论热水阀冷水阀热水冷水调节器传感器传感器执行器调节目的

9、：调节目的：水量适中，水温适宜。水量适中，水温适宜。绪论绪论控制系统举例控制系统举例手动控制：凭感觉，根据经验做出决定，用手调节阀门。手动控制：凭感觉，根据经验做出决定，用手调节阀门。自动控制：用自动化装置去感觉、去判断，去控制阀门。自动控制：用自动化装置去感觉、去判断，去控制阀门。代替人手的自动化装置代替人手的自动化装置执行器；执行器；代替人大脑的自动化装置代替人大脑的自动化装置调节器、计算机（电脑）；调节器、计算机（电脑）；代替人感觉器官的自动化装置代替人感觉器官的自动化装置传感器；传感器；在自动控制系统中，在自动控制系统中，传感器传感器又叫做又叫做电五官电五官。 除了在自动控制系统中具有

10、十分重要的作用之外，以除了在自动控制系统中具有十分重要的作用之外，以传感器传感器为核心的为核心的自动检测系统自动检测系统本身就是一项十分重要的本身就是一项十分重要的工作，是国民经济各领域必不可少的，占有重要地位。工作，是国民经济各领域必不可少的，占有重要地位。热水阀冷水阀热水冷水绪论绪论控制系统举例控制系统举例 自动测量系统（如温度计、压力表、速度表自动测量系统（如温度计、压力表、速度表和液位计等）；和液位计等）； 自动计量系统（如水表、电度表、计量秤以自动计量系统（如水表、电度表、计量秤以及热量表等）；及热量表等）； 自动保护、自动信号、自动诊断系统（自动自动保护、自动信号、自动诊断系统（自

11、动控制系统的组成部分）；控制系统的组成部分）；传感器传感器被测对象被测对象输出单元输出单元被测参数被测参数 x非电量非电量输出参数输出参数 y电量电量绪论绪论自动检测系统自动检测系统自动检测系统框图：自动检测系统框图：输出单元类型：输出单元类型： 构成的自动检测系统构成的自动检测系统 显示、记录仪表等显示、记录仪表等 自动测量系统自动测量系统 计数器、累加器等计数器、累加器等 自动计量系统自动计量系统 报警器等报警器等 自动保护、自动信号系统自动保护、自动信号系统 调节器、计算机等调节器、计算机等 自动管理、自动控制系统自动管理、自动控制系统 各种自动检测系统，框图中的前两块一般是相同的。各种

12、自动检测系统，框图中的前两块一般是相同的。输出单元的不同，使得输出单元的不同，使得自动检测系统具有不同的功能。自动检测系统具有不同的功能。传感器传感器被测对象被测对象输出单元输出单元被测参数被测参数 x非电量非电量输出参数输出参数 y电量电量绪论绪论自动检测系统自动检测系统绪论绪论传感器传感器(transducer或或sensor)是将各种是将各种非电量非电量(包包括物理量、化学量、生物量等括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量一般为电量)的装置。的装置。传感器及传感技术传感器及传感技术非电量非电量（温度

13、、压力、流量、物位、位移、转（温度、压力、流量、物位、位移、转角以及振动、加速度等等）；角以及振动、加速度等等）；电信号（电压、电流、电阻、电容、电感以及电信号（电压、电流、电阻、电容、电感以及电脉冲频率等等）电脉冲频率等等）绪论绪论传感器及传感技术传感器及传感技术绪论绪论传感器及传感技术传感器及传感技术传感器技术是涉及到传感器的机理研究与分析、传感器技术是涉及到传感器的机理研究与分析、传感器的设计与研制、传感器的性能评估与应传感器的设计与研制、传感器的性能评估与应用的用的综合技术综合技术。传感器技术也称为自动检测与自动转换技术。传感器技术也称为自动检测与自动转换技术。传感器技术研究的主要内容

14、是信息的提取、信传感器技术研究的主要内容是信息的提取、信息的转换以及信号处理的理论和方法。息的转换以及信号处理的理论和方法。绪论绪论传感器的组成传感器的组成转换元件转换元件敏感元件敏感元件测量电路测量电路非电量或非电量或电参数电参数电量或电量或电参数电参数非电量非电量电量电量辅助电源辅助电源传感器的组成框图传感器的组成框图1）敏感元件）敏感元件：也叫做：也叫做“预变换器预变换器” 将被测非电量预先变成另一种易于变换成电量的非将被测非电量预先变成另一种易于变换成电量的非电量。电量。2）转换元件：）转换元件： 将感受到的非电量直接转变成电量。将感受到的非电量直接转变成电量。3）测量电路：）测量电路

15、： 将转换元件输出的电量转换成便于显将转换元件输出的电量转换成便于显示、记录、控制和处理的有用的电信号的电路。示、记录、控制和处理的有用的电信号的电路。绪论绪论传感器的组成传感器的组成绪论绪论传感器的组成传感器的组成敏感元件敏感元件被检测量被检测量x非电量非电量输出输出y电量电量 B型结构：型结构：敏感元件输出的电量还需要专用电路的变换敏感元件输出的电量还需要专用电路的变换才能用来显示、记录等，这里的敏感元件也叫做电参数才能用来显示、记录等，这里的敏感元件也叫做电参数传感器。传感器。 敏感元件敏感元件被检测量被检测量x非电量非电量输出输出y电量电量测量电路测量电路电参数电参数 A型结构：型结构

16、：敏感元件的输出可直接用来显示、记录。敏感元件的输出可直接用来显示、记录。. 按物理结构分类：按物理结构分类：绪论绪论传感器的分类传感器的分类 C型结构：型结构：敏感元件的输出仍然是非电量，是易于转换敏感元件的输出仍然是非电量，是易于转换为电量的非电量。这里的敏感元件叫做预变换器。为电量的非电量。这里的敏感元件叫做预变换器。 被检测量被检测量x非电量非电量敏感元件敏感元件输出输出y电量电量测量电路测量电路电参数电参数转换元件转换元件非电量非电量A、B、C型结构的传感器统称为简单结构型。型结构的传感器统称为简单结构型。D型结构：型结构：(差动型结构差动型结构)输出输出Z电量电量差动电路差动电路正

17、向传感器正向传感器反向传感器反向传感器被检测量被检测量x非电量非电量+x-x电参数电参数电参数电参数-y+y绪论绪论传感器的分类传感器的分类绪论绪论传感器的分类传感器的分类 D型结构传感器中的正向传感器与反向传感器感受到型结构传感器中的正向传感器与反向传感器感受到的被测量的作用方向相反（的被测量的作用方向相反（ +x 、-x ）；因此在相）；因此在相同的被测量作用下，它们同的被测量作用下，它们各自的输出也相反各自的输出也相反（+y、-y）；输出同时作用到差动电路上，差动电路的输出）；输出同时作用到差动电路上，差动电路的输出Z与输出信号之差与输出信号之差（ +y) -(-y ）成正比，所以成正比

18、，所以D型型结构传感器又称为结构传感器又称为差动结构型差动结构型传感器。传感器。 差动型传感器的特点是：灵敏度高，抗干扰能力强，差动型传感器的特点是：灵敏度高，抗干扰能力强，线性度好。线性度好。绪论绪论传感器的分类传感器的分类 在在D D型结构中，正向传感器与反向传型结构中，正向传感器与反向传感器是在结构原理、尺寸、参数上感器是在结构原理、尺寸、参数上完全完全相同的相同的简单结构型传感器。简单结构型传感器。. 按输入量（被测参数）分类：按输入量（被测参数）分类：可分为：温度、压力、差压、物位、位移量、可分为：温度、压力、差压、物位、位移量、 速度、加速度、湿度等传感器。速度、加速度、湿度等传感

19、器。. 按测量原理分类按测量原理分类 ：A.基于电磁学基于电磁学（1）变电阻）变电阻原理：电位器式、应变式传感器等。原理：电位器式、应变式传感器等。绪论绪论传感器的分类传感器的分类（2）变磁阻原理：电感式、差动变压器式、电）变磁阻原理：电感式、差动变压器式、电 涡流式传感器等。涡流式传感器等。 B. 基于固体物理学：半导体力敏、热敏、光敏、基于固体物理学：半导体力敏、热敏、光敏、气敏等传感器。气敏等传感器。 . 按结构型和物性型分类按结构型和物性型分类 ：A. 结构型：材料几何形状或尺寸的改变；结构型：材料几何形状或尺寸的改变；B. 物性型：材料物理性质的变化；物性型：材料物理性质的变化；绪论

20、绪论传感器的分类传感器的分类（一）测量的定义（一）测量的定义(1) (1) 测量就是人们借助专门设备，通过实验的方法对测量就是人们借助专门设备，通过实验的方法对客观事物取得测量结果的过程。客观事物取得测量结果的过程。(2) (2) 测量是通过物理实验，把一个量（被测量）和作测量是通过物理实验，把一个量（被测量）和作为比较单位的另一个量（标准）相比较的过程。为比较单位的另一个量（标准）相比较的过程。1.0 1.0 测量误差测量误差 任何测量结果与被测真实值之间都有差异。凡是测任何测量结果与被测真实值之间都有差异。凡是测量都不可避免地会出现测量误差。量都不可避免地会出现测量误差。研究测量误差研究测

21、量误差就是就是要通过含有误差的测量结果求得被测真值的最佳逼近要通过含有误差的测量结果求得被测真值的最佳逼近值并估计其精确程度。值并估计其精确程度。一一. . 误差的基本概念误差的基本概念 第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性基准基准标准标准工作量器工作量器基准分级基准分级: 一级最高，三级最差；一级最高，三级最差；标准分等标准分等: 一等最高，三等最差。一等最高，三等最差。（二）真实值与测得值（二）真实值与测得值1.真实值真实值: 是被测量的真实数值，是用任何手段也得不是被测量的真实数值，是用任何手段也得不到的。到的。 在实际工作中把以下三种数值视为真实值：在实际工作中把以下三种数

22、值视为真实值：（1）真值）真值A0 （理论真值，定义值）：由理论、定义来（理论真值，定义值）：由理论、定义来的数值。的数值。（2）指定值）指定值AS ：人为规定的数值。：人为规定的数值。（3）传递值）传递值A：由上一级基准或标准传递下来的数值。：由上一级基准或标准传递下来的数值。1.0 1.0 测量误差测量误差第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性（2）算术平均值）算术平均值 :如果排除系统误差，在如果排除系统误差，在等精度的测量条件下，等精度的测量条件下，n为有限次，则为有限次，则 是被测量是被测量真值真值（ A0 、 AS 或或 A ）的数学期望。）的数学期望。 11niixxn

23、x（三）测量误差的分类（三）测量误差的分类随机误差：由于随机的、不确定的、不可预知的因随机误差：由于随机的、不确定的、不可预知的因素而引起的测量误差。素而引起的测量误差。系统误差：有一定规律的误差。系统误差：有一定规律的误差。粗大误差：由于测量时人为的疏忽或失误造成的误粗大误差：由于测量时人为的疏忽或失误造成的误差，应予以剔除。差，应予以剔除。2.测得值：测得值有很多种表示方法，最常用的有如下测得值：测得值有很多种表示方法，最常用的有如下两种：两种：（1）单次测得值）单次测得值x：一次测量所得数值。：一次测量所得数值。1.0 1.0 测量误差测量误差第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般

24、特性（四）测量误差的表示方法（四）测量误差的表示方法绝对误差：绝对误差：测得值测得值=真实值真实值+误差误差 即：即：误差误差=测得值测得值-真实值真实值（1）真差）真差 =x- 与真实值之差；式中：与真实值之差；式中： x 为测得值；为测得值； 是真实值。是真实值。 （2）剩余误差）剩余误差(残差残差) 与平均值之差；式中：与平均值之差；式中： 为第为第i次测得值；次测得值； 是算术平是算术平均值。均值。 （3）标准误差（方均根差）标准误差（方均根差）xxiixniinniinnnx121211)(xi条件：条件：测量次数测量次数 (无法办到无法办到) ；是真实值是真实值(无法得无法得到到)

25、。n1.0 1.0 测量误差测量误差第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性niiniinnnxx121211111)(用贝塞尔公式计算的用贝塞尔公式计算的标准误差标准误差： 在这个公式中，在这个公式中， 既不需要既不需要 又可以用算术平均值来又可以用算术平均值来 代替真实值代替真实值参与计算，避免了求取真值的困难。参与计算，避免了求取真值的困难。2. 相对误差：相对误差：（1）实际相对误差）实际相对误差 一般写成：一般写成： 绝对误差与真实值之比；式中：绝对误差与真实值之比；式中： 为上述任意一种绝对为上述任意一种绝对误差；误差；A就是就是 ，是真实值，是真实值（ A0、AS 或或

26、A 中之一）中之一） 。 （2）示值相对误差）示值相对误差 也叫也叫读数相对误差读数相对误差。 AxAx%100 xxx%100AxAn1.0 1.0 测量误差测量误差第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性是绝对误差与测得值之比；式中：是绝对误差与测得值之比；式中： 是测得值。是测得值。x （3）引用相对误差引用相对误差 也叫额定相对误差、满度相对误差。式中的也叫额定相对误差、满度相对误差。式中的 是所用测量仪器或工具的测量上限是所用测量仪器或工具的测量上限与下限与下限 之差，叫做之差，叫做量程量程。如果则有。如果则有minmaxxxxmxmaxxmin0minxxxmmax%100

27、mmxx比较比较 与与 可可见：由于见：由于%100mmxx%100 xxxxxmax所以所以mx 仪表的精度等级仪表的精度等级就是用引用误差去掉百分号后的圆整就是用引用误差去掉百分号后的圆整系列值来表示的。系列值有：系列值来表示的。系列值有：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等。等。只是在只是在xxmax时才有：时才有：xm1.0 1.0 测量误差测量误差第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性 传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态量静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。指稳定状态的信号或变化极其缓慢

28、的信号（准静态）。动态量动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。 无论对动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失无论对动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。性和动态特性。第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性 1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。输入量之间的关系称为静态特性。 通常，要求传感器在静态情况下的输出

29、通常，要求传感器在静态情况下的输出输入关系输入关系保保持线性持线性。实际上，其输出量和输入量之间的关系（不考。实际上，其输出量和输入量之间的关系（不考虑迟滞及蠕变效应）可由下列方程式确定。虑迟滞及蠕变效应）可由下列方程式确定。第第1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性2012nnYaa Xa Xa X （1-1） 式中式中 输出量；输出量； 输入量；输入量； 零位输出；零位输出； 传感器的灵敏度，常用传感器的灵敏度，常用K K表示；表示； 非线性项待定常数。非线性项待定常数。 由式可见，如果由式可见，如果 ，表示静态特性通过原点。，表示静态特性通过原点。此时静态特性是由线性项（此时静态特性是

30、由线性项（ ）和非线性项）和非线性项 叠加而成，一般可分为以下叠加而成，一般可分为以下4 4种典型情况。种典型情况。 0a1a23,na aa00a 22(,)nna Xa X1a XYX第第1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性2012nnYaa Xa Xa X (1)理想线性理想线性图图1-1(a) (1-2)(2)具有具有X奇次阶项的非线性奇次阶项的非线性图图1-1(b) (1-3)(3)具有具有X偶次阶项的非线性偶次阶项的非线性图图1-1(c) (1-4)(4)具有具有X奇、偶次阶项的非线性奇、偶次阶项的非线性图图1-1(d) (1-5) 图图

31、1-1传感器的传感器的4种典型静态特征种典型静态特征1Ya X35135Ya Xa Xa X24124Ya Xa Xa X2341234Ya Xa Xa Xa X第第1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 由此可见，除图由此可见，除图1-1(a)为理想线性关系外，其余均为为理想线性关系外，其余均为非线性关系。其中非线性关系。其中具有具有X奇次项的奇次项的曲线图曲线图1-1(b)，在原，在原点附近一定范围内基本上是线性特性。点附近一定范围内基本上是线性特性。 实际应用中，若非线性项的方次不高，则在输入量实际应用中，若非线性项的方次不高，则在输入量变化不大

32、的范围内，变化不大的范围内，用切线或割线代替用切线或割线代替实际的静态特实际的静态特性曲线的某一段，使传感器的静态特性接近于线性，性曲线的某一段，使传感器的静态特性接近于线性，这称为这称为传感器静态特性的线性化传感器静态特性的线性化。 在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性最最接近直线的一小段接近直线的一小段，此时原点可能不在零点。，此时原点可能不在零点。 以图以图1-1(d)为例，如取为例，如取ab段，则原点在段，则原点在c点。点。第第1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性图图1-21-2传感器的线性度传

33、感器的线性度 一、线性度一、线性度(非线性误差非线性误差) 传感器校准曲线与拟合直线间最大传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程偏差与满量程(FS)输出值的百分比称输出值的百分比称为线性度。为线性度。 用用 代表线性度，则代表线性度，则 (1-6) 式中式中 校准曲线与拟合直线间校准曲线与拟合直线间 的最大偏差；的最大偏差； 传感器满量程输出，传感器满量程输出， 。maxYL第第1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性%100SFmaxYYLSFY0maxSFYYY 非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线

34、为基准直线算出来的。基准直线不同，所得线性度也不同。线算出来的。基准直线不同，所得线性度也不同。图图1-31-3 基准直线的不同拟合方法基准直线的不同拟合方法第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 ( (一一) )端基法端基法 把传感器校准数据的零点输把传感器校准数据的零点输出平均值出平均值 和满量程输出平均和满量程输出平均值值 连成的直线连成的直线 作为传作为传感器特性的拟合直线。感器特性的拟合直线。 (1-7)(1-7) 式中式中 Y输出量；输出量； X输入量；输入量； a0Y轴上截距；轴上截距； K直线直线a0b0的斜率。的斜率。图图1-

35、4 1-4 端基线性度拟合直线端基线性度拟合直线0a0b0 0a b0YaKX第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性拟合精度较低，一般用拟合精度较低，一般用在特性曲线非线性度较在特性曲线非线性度较小的情况。小的情况。 (二二)最小二乘法最小二乘法 用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度最高。用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度最高。 令拟合直线方程为令拟合直线方程为Y=a0+KX 。假定。假定实际校准点实际校准点有有n个，个，在在n个校准数据中，任一个校准数据个校准数据中，任一个校准数据Yi与拟合直线上对与拟合直线上对应的应的理想值理想值a0

36、+KXi 间线差为间线差为 (1-8)0()iiiYaKX 第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使 为最小为最小值，亦即使值，亦即使 对对K和和a0的一阶偏导数等于零，从而求的一阶偏导数等于零，从而求出出K和和a0。21nii21nii涡轮流量传感器的特性曲线和非线性矫正涡轮流量传感器的特性曲线和非线性矫正涡轮仪表系数的非线性修正涡轮仪表系数的非线性修正- -分段线性化分段线性化544454xxKKKKffff544454xxKKKKffff涡轮仪表系数的非线性修正涡轮仪表系

37、数的非线性修正- -分段线性化分段线性化例：频率例：频率f4为为500Hz，对应的仪表系数，对应的仪表系数K4为为1718 1/L；频率频率f5为为1200Hz，对应的仪表系数，对应的仪表系数K5为为1703 1/L；则；则当频率当频率fx为为750 Hz时对应的仪表系数时对应的仪表系数Kx为为64.1712250700151718)500750(5001200171817031718xK1/L 通常采用差动测量方法减小传感器的非线性误差。例通常采用差动测量方法减小传感器的非线性误差。例如，某位移传感器特性方程式为如，某位移传感器特性方程式为 另一个与之完全相同的位移传感器，但是它感受另一个与

38、之完全相同的位移传感器，但是它感受相反相反方向位移方向位移，则特性方程式为，则特性方程式为 在差动输出情况下，其特性方程式可写成在差动输出情况下，其特性方程式可写成 采用此方法消除了采用此方法消除了X偶次项而使非线性误差大大减小，偶次项而使非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍，零点偏移也消除了。，零点偏移也消除了。234101234Yaa Xa Xa Xa X234201234YaaXa Xa Xa X35121352()YYYa Xa Xa X 第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性21oooeee1oe2oe1oe2oe铁心向上

39、时，铁心向上时，铁心向下时，铁心向下时，差动变压器式压力计差动变压器式压力计差动结构使信号差动结构使信号成倍增强成倍增强第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 二、灵敏度二、灵敏度 灵敏度指到达稳定工作状态时灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量输出变化量与引起此变与引起此变化的化的输入变化量输入变化量之比。线性传感器校准曲线的斜率就是之比。线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度静态灵敏度K。 非线性传感器的灵敏度用非线性传感器的灵敏度用dY/dX表示，其数值等于最表示，其数值等于最小二乘法拟合直线的斜率。小二乘法拟合直线的斜率。图图1-51-5

40、 传感器灵敏度的定义传感器灵敏度的定义YKX输出变化量输入变化量第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 三、精确度三、精确度(精度精度) 说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。度。 (一一)精密度精密度 说明测量结果的说明测量结果的分散性分散性。对某一被测量用同一传感。对某一被测量用同一传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。果的分散程度。愈小则说明测量越精密愈小则说明测量越精密(随机误差随机误差)。 (二二)正确度正确度

41、 它说明测量结果它说明测量结果偏离真值大小的程度偏离真值大小的程度。示值有规则。示值有规则偏离真值的程度。所测值与真值符合程度偏离真值的程度。所测值与真值符合程度(系统误差系统误差)。第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 (三三)精确度精确度 它含有精密度与正确度两者之和的意思。测量的综合它含有精密度与正确度两者之和的意思。测量的综合优良程度。在最简单的场合下可取两者的代数和，即优良程度。在最简单的场合下可取两者的代数和，即=+。通常精确度以相对测量误差来表示。通常精确度以相对测量误差来表示。 第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性

42、1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性低精密度，低精密度，低正确度低正确度高精密度，高精密度，低正确度低正确度低精密度，低精密度，高正确度高正确度高精密度，高精密度，高正确度高正确度 式中式中 A 传感器的精度；传感器的精度； A 测量范围内允许的最大绝对误差；测量范围内允许的最大绝对误差； 满量程输出。满量程输出。第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 在工程应用中，采用精确度等级。传感器与测量仪在工程应用中，采用精确度等级。传感器与测量仪表精确度等级表精确度等级A以一系列标准百分数值以一系列标准百分数值(0.04，0.075，0.1，0.

43、2，0.5，1.5，2.5，3.0，4.0)进行分挡。此进行分挡。此数值是传感器和测量仪表，允许的最大绝对误差值相数值是传感器和测量仪表，允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。对于其测量范围的百分数。SFY%100SFYAA在流量计的检定规程中，一般用线性度度误差表示正确度，重在流量计的检定规程中，一般用线性度度误差表示正确度，重复性表示精密度，两个指标单独规定。有的情况下用两者的平复性表示精密度，两个指标单独规定。有的情况下用两者的平方和再开方做为仪表的基本误差。方和再开方做为仪表的基本误差。第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 四

44、、最小检测量和分辨力四、最小检测量和分辨力 最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量。限量。 传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一般用传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一般用相当于噪声电平若干倍的被测量为最小检测量。相当于噪声电平若干倍的被测量为最小检测量。 (1-14) 式中式中 M最小检测量；最小检测量； C系数系数(一般取一般取15)； N噪声电平；噪声电平； K传感器的灵敏度。传感器的灵敏度。CNMK第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 例如，电容式压力传感器的噪声电平为例如

45、，电容式压力传感器的噪声电平为0.2 mV，灵敏，灵敏度度K为为5 mV/mm ，若取，若取C=2，则根据，则根据(1-14)式计算得式计算得最小检测量为最小检测量为0.08 mm 。 数字式传感器一般用分辨力表示，即输出数字指示值数字式传感器一般用分辨力表示，即输出数字指示值最后一位数字最后一位数字所代表的输入量。所代表的输入量。2H O2H O第第1 1章章 传感器的一般特性传感器的一般特性1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性CNMK 五、迟滞（回差）五、迟滞（回差） 迟滞是指在相同工作条件下作迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的准中对应同一输入量的