第二章传感器的基本特性

1、第二章 传感器的基本特性传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态响应传感器的动态响应传感器的误差传感器的误差传感器的特性传感器传感器转换信息转换信息的能力和性质，通常用的能力和性质，通常用输入和输出的关输入和输出的关系系来表示来表示根据输入量的性质可以将传感器的特性分为根据输入量的性质可以将传感器的特性分为静态特性静态特性和和动态特性动态特性当被测量(输入量)为常量，或变化极慢时，一般采用静 态指标体系，其输入与输出的关系为静态特性；静态特性；当被测量(输入量)随时间较快地变化时，则采用动态指 标体系，其输入与输出的关系为动态特性动态特性。第一节 传感器的静

2、态特性当被测信息处于当被测信息处于稳定状态稳定状态时输入与输出时输入与输出的关系。的关系。这种关系应是一一对应的这种关系应是一一对应的通常由传感器的通常由传感器的物理、化学和生物的性物理、化学和生物的性质质来决定来决定1.1 静态特性传感器的静态特性：在稳态信号作用下传感器的静态特性：在稳态信号作用下的输入的输入-输出关系，不含时间变量。输出关系，不含时间变量。传感器理想的静态特性曲线为一条过原传感器理想的静态特性曲线为一条过原点的直线点的直线Y = a1Xa1：传感器的灵敏度：传感器的灵敏度1.2 静态特性指标 测量测量范围范围灵敏度灵敏度线性度线性度迟滞迟滞 稳定性稳定性环境特性环境特性1

3、. 测量范围2. 灵敏度传感器达到稳定状态后传感器达到稳定状态后输出量变化输出量变化y与输入与输入量变化量变化x的比值的比值ykx3. 线性度规定条件下，传感器特性曲规定条件下，传感器特性曲线与拟合直线之间最大偏差线与拟合直线之间最大偏差Lmax与传感器满量程（与传感器满量程（Fs）输出值输出值YFs的百分比，也可以的百分比，也可以叫做非线性误差叫做非线性误差(线性度线性度)。拟合直线可以选择理论直线（即理想的静态特性曲线）拟合直线可以选择理论直线（即理想的静态特性曲线）也可以采用最小二乘法得到拟合直线也可以采用最小二乘法得到拟合直线4. 迟滞传感器正向和反向行程的输传感器正向和反向行程的输出

4、信号间的最大偏差与满量出信号间的最大偏差与满量程输出的百分数来表示程输出的百分数来表示产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。积尘等。 yyFSH0 xxFS5. 稳定性稳定性稳定性稳定性指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，也称为长时间工作稳定性或零点漂移。漂移包括漂移包括零点漂移零点漂移和和灵敏度漂移灵敏度漂移 。零点漂移和灵敏度漂移又可分为。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移时间漂移和和温度漂移温度漂移时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化温度漂

5、移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移6. 环境特性环境因素对传感器的影响包括：温度、气压、湿度、振动、电源电压、频率等。气压的变化引起传感元件或容积的体积变化，从而其特性也跟着变化；湿度变化对光学传感器或电容传感器影响更为明显，湿度的变化使光学传感器改变折射率，使电容传感器改变电介常数；电源电压波动引起灵敏度和输出漂移；电源频率的变化除了对利用交流磁场的传感器有影响之外，对其他的传感器影响不大。第二节 传感器的动态特性传感器的动态特性指的是传感传感器的动态特性指的是传感器的输出对随时间变化的输器的输出对随时间变化的输入量的响应特性入量的响应特性

6、二阶系统（二阶传感器）二阶系统（二阶传感器）22)()(dtydmFFF阻弹Fkydtdybdtydm22Kxydtdydtydnn21222式中：式中： n系统无阻尼固有角频率；系统无阻尼固有角频率； 阻尼比；阻尼比； K直流放大倍数直流放大倍数/静态灵敏度。静态灵敏度。 整理后得化成标准形式：2.2 传感器的传递函数传递函数：输出量的拉氏变换和输入量的拉氏传递函数：输出量的拉氏变换和输入量的拉氏变换的比值变换的比值传递函数的求解：传递函数的求解：分析传感器分析传感器工作机理并工作机理并建立物理模型建立物理模型根据物理模型根据物理模型得出数学模型得出数学模型设系统初始状设系统初始状态为零，由

7、微态为零，由微分方程求拉式分方程求拉式变换变换求传递函数求传递函数Kxydtdydtydnn21222以二阶传感器为例，求传递函数2.3 传感器的动态响应任何传感器任何传感器输入量是时间的函数输入量是时间的函数输出量也是时间的函数输出量也是时间的函数传感器的动态响应传感器的动态响应稳态响应稳态响应瞬态响应瞬态响应输入信号输入信号正弦信号正弦信号用于稳态用于稳态响应分析响应分析阶跃信号阶跃信号用于瞬态用于瞬态响应分析响应分析输入信号从某一稳定状态到另一稳定状态时，输出信号达到新的稳定状态输入信号从某一稳定状态到另一稳定状态时，输出信号达到新的稳定状态之前的响应特性叫瞬态响应，分析瞬态响应常用阶跃

8、信号之前的响应特性叫瞬态响应，分析瞬态响应常用阶跃信号当时间趋于无穷大时传感器的输出状态叫稳态响应，分析稳态响应常用正当时间趋于无穷大时传感器的输出状态叫稳态响应，分析稳态响应常用正弦信号弦信号tety1)(2.3.1 传感器的稳态响应传感器对正弦输入信号的稳态响应传感器对正弦输入信号的稳态响应2.3.2 传感器的瞬态响应传感器对所加激励信号的响应叫做传感器对所加激励信号的响应叫做瞬态响应瞬态响应时域分析法时域分析法在研究传感器动态响应时，从时域对传感器的响应和过渡过程进行分析在研究传感器动态响应时，从时域对传感器的响应和过渡过程进行分析在已知传感器传递函数的基础上，借助拉普拉斯逆变换求出输出

9、对于输入在已知传感器传递函数的基础上，借助拉普拉斯逆变换求出输出对于输入（时间）的函数（时间）的函数 1y tLY S Y SG SX S Y SG SX S二阶传感器时域特性指标二阶传感器动态响应分析202200kW(J )2J 2022 22220010220kW(J )()42tan 二阶传感器频域特性指标传感器的误差传感器的误差来源传感器的误差来源(三种三种)传感器放入测量位置的过程中产生的误差传感器放入测量位置的过程中产生的误差传感器的存在所引起的误差传感器的存在所引起的误差传感器本身特性所引起的误差传感器本身特性所引起的误差误差原因分析与输入有关的部分中，传感器的非线性和迟滞性随输

10、入的增大会产生与输入有关的部分中，传感器的非线性和迟滞性随输入的增大会产生明显的误差明显的误差环境条件变化带来的误差中温度变化所产生的误差最为显著，其他还环境条件变化带来的误差中温度变化所产生的误差最为显著，其他还有气压、湿度、振动、电源电压波动等引起的误差有气压、湿度、振动、电源电压波动等引起的误差经时过程产生的误差通常称为经时过程产生的误差通常称为时间漂移时间漂移与输入无关的部分中主要是传感器各个元件所产生的噪声的组合与输入无关的部分中主要是传感器各个元件所产生的噪声的组合传感器的动态误差如果传感器的输出不能正确的跟踪输入信号的变化，就会产生如果传感器的输出不能正确的跟踪输入信号的变化，就

11、会产生动态误动态误差差稳态误差稳态误差：输出量达到稳定状态之后与输入信号之间的差别：输出量达到稳定状态之后与输入信号之间的差别瞬态误差瞬态误差：输入信号发生阶跃变化时输出量由一个稳态到另一个稳态：输入信号发生阶跃变化时输出量由一个稳态到另一个稳态之间过渡过程中的误差之间过渡过程中的误差传感器的瞬态误差瞬态误差除了和待测信号的阶跃信号有关外还应注意由待测信号的各瞬态误差除了和待测信号的阶跃信号有关外还应注意由待测信号的各阶导数引起的阶跃变化，通常用时间域中的误差公式分析得到阶导数引起的阶跃变化，通常用时间域中的误差公式分析得到瞬态误差都是指数规律的衰减正弦振荡，出现误差峰值的时间不同瞬态误差都是

12、指数规律的衰减正弦振荡，出现误差峰值的时间不同传感器的稳态误差输入不同频率的信号时，输出正弦波与输入正弦波之间幅值比和相位差输入不同频率的信号时，输出正弦波与输入正弦波之间幅值比和相位差均不相同均不相同也可认为是对不同频率的输入信号传感器的灵敏度不同也可认为是对不同频率的输入信号传感器的灵敏度不同由传感器对输入信号各次谐波频率的不同响应决定。实际应用中传感器由传感器对输入信号各次谐波频率的不同响应决定。实际应用中传感器的频宽应稍大于信号的频宽，同时其幅值响应应平坦的频宽应稍大于信号的频宽，同时其幅值响应应平坦传感器特性的基本要求(2个)1.输入为零时要求输出也为零输入为零时要求输出也为零2.对

13、某个确定的输入值，按照对应关系输出值的大小也对某个确定的输入值，按照对应关系输出值的大小也是确定了的是确定了的(不能完全满足不能完全满足)如果这两个要求同时得到满足，传感器就不会有误差，如果这两个要求同时得到满足，传感器就不会有误差，不满足就会产生误差不满足就会产生误差基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标量程指示量程指示：量程范围量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界度、稳定时间等温度指标温度指标：工作温度范围、温度