传感器与检测技术第一章

1、下页下页返回返回第一章第一章 传感器的特性传感器的特性l 传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。传感器的特性是指传感器所特有性质的总称。l 传感器的基本特性是输入传感器的基本特性是输入输出特性，一般把传输出特性，一般把传 感器作为二端网络研究时，输入感器作为二端网络研究时，输入输出特性是指输出特性是指 二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应 关系。关系。 1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 指当输入量为指当输入量为常量常量或或变化极慢变化极慢 时传感器的输入时传感器的输入输出输出特性。特性。下页下页上页上页返回返回|线性度线性度|精度精度|

2、迟滞迟滞|重复性重复性|灵敏度灵敏度|分辨率分辨率|稳定性稳定性|可靠性可靠性下页下页上页上页返回返回 传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关系传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度，又称为非线性误差。曲线偏离理想直线的程度，又称为非线性误差。在不考在不考虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静态特性可用下列多虑迟滞、蠕变等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程来表示：项式代数方程来表示：一、线性度一、线性度nnxaxaxaay .2210其中：其中： 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,

3、a3an 非线性项系数非线性项系数 静态特性曲线需要进行线性化处理静态特性曲线需要进行线性化处理下页下页上页上页返回返回 在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。合的方法来线性化。 采用直线拟合的方法来线性化时，输入采用直线拟合的方法来线性化时，输入输出的输出的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，称为非线校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，称为非线性误差，通常用相对误差性误差，通常用相对误差 来表示：来表示： 常用的拟合方法：常用的拟合方法：理论拟合、过零旋转拟合、端理论拟合、过零旋转拟合、端点拟合、端点平移拟合、最小二乘法拟合等。

4、点拟合、端点平移拟合、最小二乘法拟合等。%100maxFSLyLL下页下页上页上页返回返回图1-1 各种直线拟合方法 (e) 最小二乘法拟合最小二乘法拟合 最小二乘法的基本含义是：在具有等精度的多次测量中，当各最小二乘法的基本含义是：在具有等精度的多次测量中，当各测定值的残值的残差平方和为最小时，所求得的值最可靠。也就是说，测定值的残值的残差平方和为最小时，所求得的值最可靠。也就是说，把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟合的直线，其校把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟合的直线，其校准点与对应的拟合直线上的点之间的残差平方和为最小。准点与对应的拟合直线上的点之间的残差平方和

5、为最小。下页下页上页上页返回返回设拟合直线方程为：设拟合直线方程为： 在获得在获得k k和和b b值之后值之后,即可得到拟合直线即可得到拟合直线,然后可求出误然后可求出误差的最大值即为非线性误差。差的最大值即为非线性误差。下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回1234562.204.005.987.9010.1012.05例例 试求下列一组数据的各种线性度试求下列一组数据的各种线性度xy 理论（绝对）线性度，给定方程为：理论（绝对）线性度，给定方程为：y = 2.0 x 端点线性度；端点线性度； 最小二乘线性度。最小二乘线性度。下页下页上页上页返回返回 解：解： 理论线性度：理论线性

6、度： 端点线性度：端点线性度： 由两端点做拟合直线由两端点做拟合直线 中间四点与拟合直线误差：中间四点与拟合直线误差：0.17 0.16 0.11 0.080.17 0.16 0.11 0.08 所以，所以，%66. 1%10005.122 . 0%100maxFSLyL23. 097. 1xy%41. 1%10005.1217. 0%100maxFSLyL下页下页上页上页返回返回 最小二乘线性度：最小二乘线性度： 所以，所以，98.110541.208212191623.422154.1826)(22iiiiiixxnyxyxnk09. 010559. 9212191654.1822123.

7、4291)()(222iiiiiiixxnyxxyxb09.098.1xbkxy%09. 0%10005.1211. 0%10008. 011. 011. 005. 005. 007. 0max654321FSLyLLLLLLL， 指标：指标：l精密度（精密度（ ）l准确度（准确度（ ）l精确度（精确度（ ） 传感器的精度传感器的精度（精确度）（精确度）是指测量结果的可靠程度，是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差（系统误差和随机误差）的综合反映。是测量中各类误差（系统误差和随机误差）的综合反映。 二、精度（精确度）二、精度（精确度）FS100%Sy下页下页上页上页返回返回l 精密度、准确度

8、和精确度三者的关系精密度、准确度和精确度三者的关系 系统误差越小，测量结果准确度越高；随机误差越系统误差越小，测量结果准确度越高；随机误差越小，测量结果精密度越高。如果一个测量数据的准确度小，测量结果精密度越高。如果一个测量数据的准确度和精密度都很高，就称此测量的精确度很高。和精密度都很高，就称此测量的精确度很高。 打靶弹着点分布图打靶弹着点分布图 工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精精度等级度等级 的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差（相对误差）。示，代表

9、传感器测量的最大允许误差（相对误差）。 我国电工仪表的精度等级分为我国电工仪表的精度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和和5.0共七级。共七级。下页下页返回返回上页上页返回返回|传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。迟滞大小一般由输出与输入曲线不重合时称为迟滞。迟滞大小一般由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示。表示。%10021max FSHyH 三三、迟滞迟滞下页下页上页上页返回返回四、四、 重复性重复性%100max FSR

10、yR |传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。其反映的是测量结果时所得特性曲线不一致的程度。其反映的是测量结果偶然误差的大小，而并不表示与真实值的差别。偶然误差的大小，而并不表示与真实值的差别。也可用绝对误差来表示也可用绝对误差来表示| 重复误差重复误差：返回返回上页上页下页下页五、灵敏度五、灵敏度|灵敏度误差灵敏度误差:xyk %100kkS|灵敏度：灵敏度： 传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。量之比。如：如：0.2mV/mm下页下页上页上页返回返回六、分辨率六

11、、分辨率 指传感器能检测到的被测信号的最小指传感器能检测到的被测信号的最小变化量，也可用该值与满量程的百分比表变化量，也可用该值与满量程的百分比表示。示。下页下页上页上页返回返回七七、 稳定性稳定性l 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。能参数的能力。l 稳定性包含稳定度和环境影响两个方面：稳定性包含稳定度和环境影响两个方面：n 稳定度一般以室温条件下经过一规定时间间隔稳定度一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示（时间漂移），如异来表示（时间漂移

12、），如: 1.3mv/8h下页下页上页上页返回返回n 环境影响，环境影响，是指在外界的干扰下，传感器输是指在外界的干扰下，传感器输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。出量发生与输入量无关的、不需要的变化。l 传感器的漂移传感器的漂移 零点漂移、温度漂移、灵敏度零点漂移、温度漂移、灵敏度漂移等。漂移等。 %TYFSaxm100温漂下页下页上页上页返回返回 传感器对各种外界干扰的抵抗能力。传感器对各种外界干扰的抵抗能力。 例如抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电例如抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等，是反映传感器在规定时间内是磁场干扰的能力等，是反映传感器在规定时间内是否正常工

13、作的一种综合性质量指标。否正常工作的一种综合性质量指标。l 可靠度可靠度R(t)l 可靠寿命可靠寿命l 失效率失效率 (t) 八八、可靠性、可靠性下页下页上页上页返回返回 1.2 传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器对随时间变化的输入量的响应特性（测量传感器对随时间变化的输入量的响应特性（测量值大小、变化规律）值大小、变化规律）非平稳平稳随机其它线性阶跃非周期复杂正弦周期规律动态输入信号经常采用的输入信号为单位阶跃输入量和正弦输入量经常采用的输入信号为单位阶跃输入量和正弦输入量| 可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；可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；| 动态特性好的传感器应具有较短的暂态响应时间和较宽的频率动态特性好的传感器应具有较短的暂态响应时间和较宽的频率响应特性；响应特性；| 实际传感器较复杂，存在动态误差，研究动态特性就是从测量实际传感器较复杂，存在动态误差，研究动态特性就是从测量误差的角度分析动态误差产生的原因及改善措施。误差的角度分析动态误差产生的原因及改善措施。| 动态响应特性通常通过实验给出传感器与阶跃响应曲线和幅频动态响应特性通常通过实验给出传感器与阶跃响应曲线和幅频特性曲线上的某些特征值来表示仪器的动态响应特性；特性曲线上的某些特征值来表示仪器的动态响应特性；| 大部分传感器的动态特性可近似用一阶或二阶系统来描述，