第二章传感器的一般特性

1、 第二章第二章 传感器的一般特性传感器的一般特性 绪论绪论-传感器的传感器的输入输入与与输出输出间间 的关系特性的关系特性 稳态稳态（静态或准静态）：信号不随时间变化或（静态或准静态）：信号不随时间变化或 缓慢变化。缓慢变化。 动态动态（周期或瞬态变化）：信号随时间变化而变化。（周期或瞬态变化）：信号随时间变化而变化。 传感器输入与输出之间作用中的误差因素传感器输入与输出之间作用中的误差因素稳定性稳定性(零漂零漂)传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性温漂温漂分辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外

2、界影响 输出输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性衡量传感器特性的主要技术指标的主要技术指标 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性2.1.1 静态模型静态模型2.1.2 线性度线性度2.1.3 灵敏度灵敏度2.1. 4 迟滞迟滞2.1.5 重复性重复性2.1.6 分辨率分辨率2.1. 7 长期稳定性长期稳定性2.1.8 温度稳定性温度稳定性 2.1.9 抗干扰稳定性抗干扰稳定性2.1.10 阈值阈值2.1.11 总精度总精度 2.1 传感器的静态特

3、性传感器的静态特性1 1传感器在被测量处于稳定状态时的输入传感器在被测量处于稳定状态时的输入Y 输输出出X之间的关系之间的关系:静态特性可用下列多项式代数方程表示静态特性可用下列多项式代数方程表示 式中：式中：y输出量；输出量； x输入量；输入量； a0零点输出；零点输出； a1理论灵敏度；理论灵敏度； a2、a3、 、 an非线性项系数非线性项系数特例：特例：1），），2），），3）图示例图示例y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn1 1）理想）理想a a0= a= a2 a an = =0特点：完全线性化特点：完全线性化2 2）仅有偶次非线性项）仅有偶次非线性项特点：无对称性，线性

4、范特点：无对称性，线性范围窄。围窄。3 3）仅有奇次非线性项）仅有奇次非线性项特点：有对称性，线性范特点：有对称性，线性范围宽。易补偿。围宽。易补偿。 y y（x x） = -y(-x) = -y(-x) y = a1x + a2x2 + a4x 4+ 线性范围较窄线性范围较窄线性范围较宽线性范围较宽y = a1x + a3x3 + a5x5 + y =a1x 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性2 可以考虑消除传感器中电气元件的偶次分量来改善线性范可以考虑消除传感器中电气元件的偶次分量来改善线性范围，常用的方法就是使电气元件围，常用的方法就是使电气元件对称排列对称排列，形成，形成差动差动

5、工作工作方式，如差动式方式，如差动式*传感器一边输出传感器一边输出 y1=a1x+a2x2 +a3x3 -+anxn*另一边反向输出另一边反向输出 y2=-a1x+a2x2 -a3x3 (-1)naxny = y1 - y2 =2（ a1x+ a3x3 + a5x5 +- ） 由上式可使差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，由上式可使差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，灵敏度提高一倍。灵敏度提高一倍。 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性3举例举例:差动电阻差动电阻举例举例:差动电阻差动电阻USCRR+RTACDBRR+RTR+R+RTR+R+RTEImaxFSymxyxmaxF

6、SymxyxmaxFSymxyx图图 0 06 6 传感器的线性度传感器的线性度实际的输出实际的输出 输入曲线与拟合曲线输入曲线与拟合曲线(工作曲线，一般为直线工作曲线，一般为直线)间必有偏差，间必有偏差，其最大偏差的相对值其最大偏差的相对值 EL 即为即为线性度线性度。EL=maxYFS100%最大偏差最大偏差输出满量程值输出满量程值传感器的传感器的静态模型常为多项式静态模型常为多项式 y = a0+a1x + a2x2 + a3x3 + 在经过零点校正后（即在经过零点校正后（即a0 = = 0 0）y = a1x + a2x2 + a3x3 + 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性4

7、)FS-Full Scale 测量范围与量程测量范围与量程Y YFSFSv测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值（测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值（X Xmaxmax) ) 。v测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值 ( (X Xminmin) ) 。 v测量范围：测量范围：-50-50150,0150,050,-5050,-50 50,2050,20100100v量程：测量上限和测量下限的代数差。量程：测量上限和测量下限的代数差。 量程量程= X= Xmaxmax- X- Xminmin+1000c-500c量程量程100100（5

8、050）150150 获取拟合直线方法：获取拟合直线方法：(a) 端点连线法：端点连线法：检测系统输入输出曲线的两端点连线检测系统输入输出曲线的两端点连线特点特点：算法算法：简单、方便，偏差大，与测量值有关简单、方便，偏差大，与测量值有关(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=min使得正负行程的非线性偏差相等且最小使得正负行程的非线性偏差相等且最小(b) 最佳直线法：最佳直线法：算法算法：特点特点：精度最高，

9、计算法（迭代、逐次逼近）：精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）算法算法：简单实用，三点作图法（两高一低简单实用，三点作图法（两高一低/两低一高）两低一高）特点特点：精度高：精度高22)(iiiiiixxnyxyxnb222)(iiiiiiixxnyxxyxaxyxy 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性5非线性原因：非线性原因：误差因素误差因素传传 感感 器器输入输入 x输入输入 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Sn 的定义是输出增量与输入增量的比值。即的定义是输出增量与输入增量的

10、比值。即xySn 灵敏度灵敏度x yxy ixyxxySn ixxinxdydS 纯线性传感器灵敏纯线性传感器灵敏 度为常数：度为常数：S S n n= =a a 1 1。 非线性传感器灵敏非线性传感器灵敏 度度S S n n与与x有关。有关。 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性6 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性7图图 0 0迟滞现象迟滞现象m FSymxyx%max100FSmHyEE 回差回差EH 反映了传感器的输入量在正向行程和反向行程反映了传感器的输入量在正向行程和反向行程全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不重合程度。全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不重合程度。

11、m：正反行程输出值正反行程输出值的最大偏差的最大偏差迟滞现象迟滞现象图图 0 0重复性重复性 重复性重复性 Ex 反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不一致程度。多次测试时，所得到的特性曲线的不一致程度。%max100FSxyEmaxmax 最大不重复误差最大不重复误差mxmax FSyyxix1ijy2ijy 不重复误差属于随机误差，按标准误差不重复误差属于随机误差，按标准误差处理比较合适。处理比较合适。)1()(2 nnyynjiij %max100FSnxytEt n是与第是与第 i 个校准点的测量次数

12、个校准点的测量次数n有关的置信因子有关的置信因子(见物理实验见物理实验)。yij 为某校准点为某校准点 i 的第的第 j 个输出值，个输出值，yi 为该为该点输出值的算术平均值点输出值的算术平均值。2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性8在规定的测量范围内，传感器所能检测出输入量的最小变在规定的测量范围内，传感器所能检测出输入量的最小变化值化值1。有时也用相对与输入满量程的相对值表示。有时也用相对与输入满量程的相对值表示2。即。即xmin xFS100%xFS 输入量的满量程值输入量的满量程值2、分辨率、分辨率 - 是相对数值：是相对数值：1、分辨力、分辨力 - 是绝对数值，如是绝对数值，如

13、 0.01mm，0.1g，10ms，说明说明：能检测的最小被测量的变能检测的最小被测量的变换量相对于换量相对于 满量程的百分满量程的百分数，如：数，如： 0.1%, 0.02%2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性9 传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力。传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力。测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表

14、示。也可用绝对误差表示。 是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。零点漂移。 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性10 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性11测试时先将传感器置于一定温度测试时先将传感器置于一定温度(如如20),将其输出调至零点或将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如如5或或10),再读再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。温度稳定

15、性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化生的变化。温度稳定性误差用温度每变化若干温度稳定性误差用温度每变化若干的绝对误差或相对误差表示的绝对误差或相对误差表示,每每引起的传感器误差又称为引起的传感器误差又称为温度误差系数温度误差系数。指传感器对外界干扰的抵抗能力，指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题

16、具体分析。题具体分析。 一般可用方和根来表示（推荐），有时也可用代数和表示。一般可用方和根来表示（推荐），有时也可用代数和表示。222HxLEEEE方和根表示法：方和根表示法：代数和表示法：代数和表示法：HxLEEEE 有些传感器在零点附近存在严重的非线性；有些传感器在零点附近存在严重的非线性； 噪声电平的干扰（噪声电平的幅度超过了零点附近的输出噪声电平的干扰（噪声电平的幅度超过了零点附近的输出) 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性122.2 2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性2.2.1 动态模型动态模型2.2.2 传递函数传递函数2.2.3 频率响应函数频率响应函数被测量随时间变

17、化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据是根据标准输入特性标准输入特性来考虑传感器的响应特性。来考虑传感器的响应特性。标准输入有三种：u正弦变化的输入正弦变化的输入u阶跃变化的输入阶跃变化的输入u线性输入线性输入水温水温T热电偶热电偶环境温度To To T T ToTo分析传感器动态特性，必须建立数学模型分析传感器动态特性，必须建立数学模型,根据相应的物理根据相应的物理定律定律,用用表示系统的输入表示系统的输入x与输出与输出y关

18、系关系的数字方程式的数字方程式,通过对微分方程求解，得出动态性能指标。通过对微分方程求解，得出动态性能指标。xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111ai、bi (i=0,1,)：系统结构特性参数系统结构特性参数, 为为 常数，系统的阶次由常数，系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为输出量最高微分阶次决定。常见为O阶、一阶、二阶系统阶、一阶、二阶系统优点：优点：概念清晰，输入概念清晰，输入- -输出关系明了输出关系明了缺点：缺点：求解方程麻烦，传感器调整时分析困难求解方程麻烦，传感器调整时分析困难O阶系统：阶系统：例电位

19、计、电子示波器例电位计、电子示波器)()(00txbtya一阶系统：一阶系统：例例: 无质量单自由度振动系统、无质量单自由度振动系统、无源积分电路、液位温度计无源积分电路、液位温度计)()()(001txbtyadttdya二阶系统：二阶系统：)()()()(001222txbtyadttdyadttyda弹簧质量阻尼系统弹簧质量阻尼系统 在信息论和工程控制中，通常采用一些足以反映系在信息论和工程控制中，通常采用一些足以反映系统动态特性的函数，将系统的输出与输入联系起来。这统动态特性的函数，将系统的输出与输入联系起来。这些函数有传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数等等。些函数有传递函数、频率响

20、应函数和脉冲响应函数等等。利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型，利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比：输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比：01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm优点：优点：对对 ( S ) = ( (S S ) )( S ) 进行反变换，即可得到进行反变换，即可得到Y( t ) 与与 X( t ) 关系。（微分关系。（微分方程的拉氏变换求解法）方程的拉氏变换求解法） Y( S )( anS n + an-1S n-1 + an-2S n-2 + a1S + a0 )

21、 =X( S )( bmS m + bm-1S m-1 + bm-2S m-2 + b1S + b0 )2.2.3 频率响应函数频率响应函数01110111)()()()()()()()()(ajajajabjbjbjbjXjYjHnnnnmmmmH(j ) 系统的频率响应函数，简称频率系统的频率响应函数，简称频率响应或频率特性。响应或频率特性。 傅立叶变换得到频率响应函数：傅立叶变换得到频率响应函数：通常通常( (jj) )是个复数，是个复数，可以用可以用e e 指数的形式表示：指数的形式表示：jeAjXjYjH)()()()(其中其中2I2Rj)()(|)(|)(HHHA 称为传感器的称为

22、传感器的，表示输出与输入，表示输出与输入幅值之比随频率的变化。幅值之比随频率的变化。 )()(tgarc)(RIHH 称为传感器的称为传感器的，表示输出超前输入的角，表示输出超前输入的角度；通常输出总是滞后于输入，故总是负值。度；通常输出总是滞后于输入，故总是负值。 )(A)(2.3 2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析2.3.1 频率响应特性频率响应特性2.3.2 阶跃响应特性阶跃响应特性 研究动态特性可以从时域和频域两个方面研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。采用瞬态响应法和频率响应法来分析。 传感器的种类和形式很多，一般一个高阶传感器的种类和

23、形式很多，一般一个高阶系统的传感器总可以看成是由若干个零阶、系统的传感器总可以看成是由若干个零阶、 一一阶和二阶系统组合而成的阶和二阶系统组合而成的, 既可以简化为一阶或既可以简化为一阶或二阶系统。所以分析了一阶和二阶系统的动态二阶系统。所以分析了一阶和二阶系统的动态特性，就可以对各种传感器的动态特性有基本特性，就可以对各种传感器的动态特性有基本了解。了解。 2.3.1 频率响应特性频率响应特性 传感器对传感器对的响应特性的响应特性, , 称为频率响应特性。称为频率响应特性。 频率响应法是从传感器的频率特性频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。出发研究传感器的动态特性。 a)

24、 零阶系统零阶系统：微分方程：微分方程：xbya00特特点点a) 属于静态环节：属于静态环节：d) 实际零阶环节：缓慢变化，频率较低实际零阶环节：缓慢变化，频率较低 - 近似零阶环节近似零阶环节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/abSn静态灵敏度系数静态灵敏度系数b) 输出输出 输入输入又称：比例环节又称：比例环节幅频特性：幅频特性：nSA)(相频特性：相频特性：0)(实实例例电位计式角位移传感器电位计式角位移传感器KUUE180/0微分方程：微分方程：静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：180/EUK UEU0b) 一阶系统一

25、阶系统：微分方程微分方程xbyadtdya001xabydtdyaa000101/aa时间常数时间常数1/00abSn幅频特性：幅频特性：传递函数：传递函数：频率特性：频率特性：灵敏度归一化之后灵敏度归一化之后相频特性：相频特性：一阶传感器的频率特性如图所示一阶传感器的频率特性如图所示A( )0.10.20.30.50.71.020.1 0.20.5 1.025100.1 0.20.5 1.02510020406080( ) 当当11时，有时，有A A( () ) 1 1， ( () ) 0 0，表明，表明传感器的输出与输入呈线性关系，且相位差也很传感器的输出与输入呈线性关系，且相位差也很小；

26、小； 输出能比较真实地反映输入的变化。输出能比较真实地反映输入的变化。因此因此, , 减小减小可改善传感器的频率特性。可改善传感器的频率特性。c) 二阶系统二阶系统：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传递函数传递函数幅频特性幅频特性相频特性相频特性频率特性频率特性 二阶传感器的幅频特性和相频特性曲线二阶传感器的幅频特性和相频特性曲线 从图中可看出，传感器的频率响应特性好坏，主要取决于传从图中可看出，传感器的频率响应特性好坏，主要取决于传感器的感器的和和 当当ll， A A ( () l) l，幅频特性平直，输出与

27、输入为线性关系；，幅频特性平直，输出与输入为线性关系； ( () )很小，很小，( () )与与为线性关系。为线性关系。 此时，系统的输出此时，系统的输出y(t)y(t)真实准确地再现输入真实准确地再现输入x(t)x(t)的波形，这的波形，这是测试设备应有的性能。是测试设备应有的性能。 0.10.20.51.02510A( )0.31.00.010.030.050.13510( )040801201600.10.20.51.025100.10.20.40.60.81.01.00.80.60.40.20.10.5 / n1时时： 结论：为了使测试结果能精确地再现被测信号结论：为了使测试结果能精确

28、地再现被测信号的波形，在传感器设计时，必须使其阻尼比的波形，在传感器设计时，必须使其阻尼比10时时, , x(t)=a)一阶系统一阶系统sssXsHsY111)()()(进行拉氏反变换，进行拉氏反变换， 可得一阶传感器的单位阶跃响应信号为可得一阶传感器的单位阶跃响应信号为 tety1)(ssX1)(输入信号输入信号x(t)的拉氏变换为的拉氏变换为 传感器输出的拉氏变换为传感器输出的拉氏变换为由图可见由图可见, , 传感器存在惯性传感器存在惯性, , 它的它的输出不能立即复现输入输出不能立即复现输入信号信号, , 而是从零开始而是从零开始, , 按指按指数规律上升数规律上升, , 最终达到稳态最

29、终达到稳态值。理论上传感器的响应只值。理论上传感器的响应只在在t t趋于无穷大时才达到稳态趋于无穷大时才达到稳态值值, , 但实际上当但实际上当t=4t=4时其输时其输出达到稳态值的出达到稳态值的98.2%, 98.2%, 可以可以认为已达到稳态认为已达到稳态。越小越小, 响应曲线越接近于输入阶跃曲线响应曲线越接近于输入阶跃曲线, 因此因此, 是一阶传感器重要的性能参数。是一阶传感器重要的性能参数。 2222)(nnnsssH 二阶传感器的传递函数二阶传感器的传递函数: : 二阶传感器的单位阶跃响应：二阶传感器的单位阶跃响应：传感器输出的拉氏变换传感器输出的拉氏变换: : )2()(222nn

30、nssssY 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比阻尼比和和固有频率固有频率n n。固有频率。固有频率n n由传感器主要结由传感器主要结构参数所决定构参数所决定, , n n越高越高, , 传感器的响应越快。传感器的响应越快。2)二阶系统二阶系统 图为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。阻尼比图为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。阻尼比直直接影响超调量和振荡次数接影响超调量和振荡次数。=0,=0,为为临界阻尼临界阻尼, ,超调量为超调量为100%,100%,产生等幅振产生等幅振荡荡, ,达不到稳态。达不到稳态。1, 1, 为为过阻尼过阻尼, ,

31、无超调也无振荡无超调也无振荡, , 但达到稳但达到稳态所需时间较长。态所需时间较长。1, 1, 为为欠阻尼欠阻尼, , 衰减振荡衰减振荡, ,达到稳态值所需达到稳态值所需时间随时间随的减小而加长。的减小而加长。=1 =1 时响应时间最短。时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调整但实际使用中常按稍欠阻尼调整最大超调量不超过最大超调量不超过2.5 2.5 -10 -10 , ,允许动态误差允许动态误差2 2 -5 -5 时间常数时间常数 上升时间上升时间Tr：响应时间响应时间Ts：超调量超调量a1：衰减率衰减率 ：稳态误差稳态误差ess：系统输出值上升到稳态值系统输出值上升到稳态值yc的的63

32、.2%所需的时间所需的时间传感器输出从稳态值传感器输出从稳态值yc的的10%上升到上升到90%所需时间所需时间输出值达到允许范围输出值达到允许范围%的所需时间的所需时间 响应曲线第一次超过稳态值响应曲线第一次超过稳态值yc的峰高：的峰高：ymax-yc相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差误差 2.4 传感器技术指标传感器技术指标基本参数指标基本参数指标环境参数指标环境参数指标可靠性可靠性指标指标其他指标其他指标量程指标量程指标：量程范围、过载能力等量程范围、过载能

33、力等灵敏度指标灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输灵敏度、分辨力、满量程输出等出等精度有关指标：精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定重复性、灵敏度误差、稳定性性 动态性能指标动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、性、临界频率、临界速度、稳定时间等稳定时间等 温度指标温度指标： 工作温度范围、温工作温度范围、温度误差、温度漂移、度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等温度系数、热滞后等 抗冲振指标抗冲振指标： 允许各向抗冲振的允许各向抗冲振的频率、振幅及加

34、速度频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差、冲振所引入的误差 其他环境参数其他环境参数： 抗潮湿、抗介质腐抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场蚀等能力、抗电磁场干扰能力等干扰能力等工作寿工作寿命、平命、平均无故均无故障时间、障时间、保险期、保险期、疲劳性疲劳性能、绝能、绝缘电阻、缘电阻、耐压及耐压及抗飞弧抗飞弧等等使用有关指标使用有关指标：供电方式（直流供电方式（直流、交流、频率及、交流、频率及波形等）、功率波形等）、功率、各项分布参数、各项分布参数值、电压范围与值、电压范围与稳定度等稳定度等外形尺寸、重量外形尺寸、重量、壳体材质、结、壳体材质、结构特点等构特点等安装方式、馈线安装方式、馈线电缆等

35、电缆等2.4 传感器技术指标传感器技术指标2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法2.5.1合理选择结构、材料和参数合理选择结构、材料和参数2.5.2差动技术差动技术2.5.3 补偿与修正技术补偿与修正技术2.5.4 平均技术平均技术2.5.5 屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制2.5.6 稳定性处理稳定性处理2.5.7集成化和智能化、微型化集成化和智能化、微型化 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法1根据实际需要与可能，在设计、制造传感器时合理选择其结构、根据实际需要与可能，在设计、制造传感器时合理选择其结构、 材料和参数，以确保高的性能价格比材料和参数，以确保高的

36、性能价格比.如一传感器如一传感器 y1=a0+a1x+a2x2+a3x3另一传感器另一传感器 y2=a0-a1x+a2x2-a3x3两者相减两者相减y= y1- y2=2（a1x+ a3x3+-）总输出消除了零位输出和偶次方非线性项，减小非线性灵敏度增总输出消除了零位输出和偶次方非线性项，减小非线性灵敏度增加一倍，如加一倍，如差动式电阻应变式、电感式、电容式等差动式电阻应变式、电感式、电容式等.2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法2 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：补偿与修正技术的运用大致针对两种情况： 针对传感器本身特性针对传感器本身特性对于对于传感器特性传感器特性，找出误

37、差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。的方法加以补偿或修正。 针对传感器的工作条件或外界环境针对传感器的工作条件或外界环境 针对针对传感器工作条件或外界环境传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现

38、场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。通过软件来实现。 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法3 在传感器中普遍采用平均技术可产生在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应平均效应，其原理是利用若干个传，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则

39、是这些单元输出的平均值，若将每个单元感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为差将减小为=/n式中式中 n传感单元数。传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。可增大信号量，即增大传感器灵敏度。 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法4 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预传感器大都要在现场工作，

40、现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：u 减小传感器对影响因素的灵敏度减小传感器对影响因素的灵敏度u 降低外界因素对传感器实际作用的程度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用对于电磁干扰，可以采用屏蔽屏蔽、隔离隔离措施，也可用措施，也可用滤波滤波等方法等方法抑制。对于如温度、湿度、机械

41、振动、气压、声压、辐射、甚抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的至气流等，可采用相应的隔离措施隔离措施，如，如隔热、密封、隔振隔热、密封、隔振等，等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制分离或抑制，减小其影，减小其影响。响。 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法5在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。提高传感器性能的稳定性措施：提高传感器性能的稳定性措施：

42、对材料、元器件或传感器整体对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。造成传感器性能不稳定的原因是：造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标

43、，尤其是对那些很难或无法定要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。期标定的场合。 大大扩大传感器的功能、改善传感器的性能、减小成本大大扩大传感器的功能、改善传感器的性能、减小成本. 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法62.6 2.6 传感器的标定传感器的标定2.6.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定2.6.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定 2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定1 1 传感器的标定分为传感器的标定分为:A.静态标定静态标定线性度、灵敏度、滞后和重复性线性度、灵敏度、滞后和重复性B.动态标定动态标定频率响应、时间常

44、数、固有频率和阻尼比频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比 标定标定 - 定量描述的误差定量描述的误差,确定误差确定误差/确定特性的所有操作确定特性的所有操作用户用户 - 厂家厂家 - 地区标准化地区标准化/计量机构计量机构 - 国家标准化国家标准化/计量机构（计量局）计量机构（计量局）（第一环）（第一环） （第二环）（第二环）（第三环）（第三环）最高标准最高标准/ /计量计量权威权威 仪表精度等级仪表精度等级a（去掉仪表误差的（去掉仪表误差的“ ”号和号和“%”） a=0.005，0.01，0.02，0.05；0.1， 0.2， ( 0.4)，0.5； 级标准表级标准表 级标准表级标准表 1.

45、0，1.5， 2.5，(4.0)；等；等 工业用表工业用表2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定2 2 l通过各种试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系，通过各种试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系，确定传感器在不同使用条件下的误差关系。确定传感器在不同使用条件下的误差关系。目的：目的：方法：方法：l利用一定等级的仪器及设备利用一定等级的仪器及设备（如标准（如标准压力、加速度、位移等）作为压力、加速度、位移等）作为，输入至待标定的传，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量；感器中，得到传感器的输出量；l然后将传感器的然后将传感器的与与作比较，从而得到一系作比较，从而得到一系列曲线（

46、称为列曲线（称为标定曲线标定曲线）；通过对曲线的分析处理，得到）；通过对曲线的分析处理，得到其动静态特性的过程。其动静态特性的过程。2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定3 3 标定内容：标定内容： 量程与范围量程与范围 零点设置零点设置 分辨力分辨力 非线性非线性 灵敏度灵敏度 频率相应特性频率相应特性- 标定报告标定报告 阶跃与其他输入的响应阶跃与其他输入的响应 外部环境（温度、湿度、光照度、振动、磁场等）的外部环境（温度、湿度、光照度、振动、磁场等）的影响影响 标准仪器标准仪器/ /标准被测量标准被测量 - 标准追搠性标准追搠性A.无加速度、振动、冲击、温度无加速度、振动、冲击、温度2

47、05，温，温度不大于度不大于85%，大气压，大气压1018KpaB. 标定仪器的精度等级至少要比被标定仪器的精度等级至少要比被标定的传感器精度高一个等级标定的传感器精度高一个等级Ca.传感器全量程分成等间距传感器全量程分成等间距b.由小到大逐渐输入标准量值并记录相对应的输出值由小到大逐渐输入标准量值并记录相对应的输出值c.由大到小逐渐减少输入值，记录相对应的输出值由大到小逐渐减少输入值，记录相对应的输出值d.对传感器进行正、反行程往复循环，多次测试对传感器进行正、反行程往复循环，多次测试e.对数据进行处理，确定线性度、灵敏度、滞后和重复性对数据进行处理，确定线性度、灵敏度、滞后和重复性2.6.

48、1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定活塞压力计标定压力示意图活塞压力计标定压力示意图 压力标定曲线压力标定曲线yx线性度、灵敏度、线性度、灵敏度、滞后和重复性滞后和重复性 1X (kp)123456正行程Y (mv )反行程Y (mv) 某测温传感器的测量范围为某测温传感器的测量范围为01000，根据工艺要，根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过求，温度指示值的误差不允许超过 7，试问应如何选择传感，试问应如何选择传感器的精度等级才能满足以上要求器的精度等级才能满足以上要求? %7 . 0%100010007%100maxmax量程此精度介于此精度介于0.5级和级和1.0级之间，若选择精度等级为级之间，若选择精度等级为1.0级的传级的传感器，其允许最大绝对误差为感器，其允许最大绝对误差为 10，这就超过了工艺要求的，这就超过了工艺要求的允许误差，故应选择允许误差，故应选择0.5级的精度才能满足工艺要求。级的精度才能满足工艺要求。 根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的精度等级值根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的精度等级值应不大于工艺要求所计算的精度值应不大于工艺要求所计算的精度值 解：根据工艺要求，传感器的精度应满足：解：根据工艺要求，传感器的精度应满足： 02MPa压力传感器的标定（输出电压压