传感器原理与电路设计第2讲

1、第2章 传感器的基本特性 10.27.20151第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准传感器基本特性概述传感器的基本特性传感器的基本特性：传感器的输入：传感器的输入X( (被测量被测量) )输出输出Y关关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现输入信号输入信号( (被测物理量被测物理量) )分为：分为： 稳态信号稳态信号：信号不随时间变化或变化缓慢：信号不随时间变化或变化缓慢 动态信号动态信号：信号随时间变化：信号随时间变化 分别对应传感器特性：静态特性、动态特性分别对应传感器特性：静态特性、动态特性对传

2、感器的要求：高精度信号（或能量）无失真转换对传感器的要求：高精度信号（或能量）无失真转换反映被测量的原始特征反映被测量的原始特征第2章 传感器的基本特性 10.27.20152第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准传感器静态特性主要指标传感器的传感器的静态特性静态特性传感器的传感器的静态特性静态特性：在：在稳态信号稳态信号作用下的输入输出关作用下的输入输出关系。不含有时间变量。主要有：系。不含有时间变量。主要有：n线性度线性度n灵敏度灵敏度n分辨率分辨率n迟滞迟滞n重复性重复性n漂移漂移 第2章 传感器的基本特性 10.27.20153第2讲GMES 20

3、08目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y输出量； x输入量； a0零点输出； a1理论灵敏度； a2、a3、 、 an非线性项系数。 1.线性度Linearity传感器的传感器的静态特性静态特性线性度：传感器的输入、输出间成线性关系的程度y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn第2章 传感器的基本特性 10.27.20154第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准1.线性度Linearity传感器的传感器的

4、静态特性静态特性非线性特性的线性化处理条件：方次不高、输入量变化范围不大方法：直线拟合y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn第2章 传感器的基本特性 10.27.20155第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准1.线性度Linearity传感器的传感器的静态特性静态特性Lmax一最大非线性误差； yFS满量程输出。通常采用最小二乘法拟合在采用直线拟合线性化时，实际特性曲线与拟合曲线之间的偏差称为非线性误差，其最大值与输出满刻度值之比作为线性度指标 LL=(Lmax/yFS)100%第2章 传感器的基本特性 10.27.20156第2讲GMES 20

5、08目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准1.线性度Linearity传感器的传感器的静态特性静态特性最小二乘法求直线拟合设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxi最小二乘拟合法min2112niiiniibkxyy=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理：使 为最小值，即i=yi-(kxi+b)2i第2章 传感器的基本特性 10.27.20157第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准1.线性度Linearity传感器的传感器的静态特性静态特性最小二乘法求直线拟合即得到k和b的表

6、达式022iiiixbkxyk0122bkxybiii22iiiiiixxnyxyxnk 222iiiiiiixxnyxxyxb将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。 对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式2i第2章 传感器的基本特性 10.27.20158第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准2.灵敏度Sensitivity传感器的传感器的静态特性静态特性定义：传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值dxdySn输入量变化输出量变化第2章 传感器的基本特性 10.27.20159第2讲GM

7、ES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准2.灵敏度Sensitivity传感器的传感器的静态特性静态特性对于线性传感器：灵敏度就是静态特性斜率对于非线性传感器：灵敏度为变量，特性曲线越陡，灵敏度越大；越平坦，灵敏度越小。灵敏度实质上就是放大倍数，体现了传感器对输入量微小变化的敏感程度灵敏度越高越好，越恒定越好。但灵敏度高易受干扰第2章 传感器的基本特性 10.27.201510第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准3.分辨率resolution传感器的传感器的静态特性静态特性定义：分辨率是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量

8、。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。用绝对值表示一般称为分辨力用与满量程的百分数表示时称为分辨率在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值第2章 传感器的基本特性 10.27.201511第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准4.迟滞Hysteresis传感器的传感器的静态特性静态特性定义：在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等（曲线不重合）的现象。产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等0yxHmaxyFS迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即迟滞误差的

9、另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。%100YHFSmaxH第2章 传感器的基本特性 10.27.201512第2讲GMES 2008目录传感器的静态特性传感器的动态特性传感器标定与校准5.重复性Repeatability传感器的传感器的静态特性静态特性定义：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入输出特性曲线一致的程度y0Rmax2Rmax1xRmax1正行程的最大重复性偏差 Rmax2反行程的最大重复性偏差重复性误差可用正反行程的最大偏差与满量程输出之比的百分数表示，即%100/maxFSRyR重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，yin，算出最大值与最小值之差或3作为重复性偏差Ri，在几个Ri中取出最大值Rmax 作为重复性误差。第2章 传感器