现代传感技术与应用 课件 第1章 传感器技术的基本概念

第一章传感器技术的基本概念1.1传感器的基本特性

1.2传感器的标定与校准

1.3传感器的选用原则1.4改善传感器性能的主要措施1.1

传感器的基本特性1.1.1

传感器的静态特性1.静态数学模型

传感器的静态数学模型是在输入量为静态量时，描述输出量与输入量关系的数学模型。一般可用多项式表示：y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

静态特性：当输入量为常量或变化极其缓慢时传感器的输入-输出特性。静态特性曲线过原点，分为四种情况：(1)理想线性特性；(2)非线性项仅有奇次项；(3)非线性项仅有偶次项；(4)普遍情况。y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

（1）

灵敏度:

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，一般用传感器输出量的增量与被测输入量的增量之

比来表示。

2.传感器的静态特性指标

对于线性传感器，其灵敏度在整个测量范围内为常量;对于非线性传感器，灵敏度为变量，用dy/dx

表示。

线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度，是衡量传感器的输出量与输入量之间能否保持理想线性特性的一种度量。线性度也称非线性误差。

（2）线性度

传感器的线性度一般用全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比来表示。

(3)迟滞

迟滞表示传感器在输入值增长（正行程）和减少的过程中（反行程），同一输入量输入时，输出值的差异，也就是说传感器的输入输出特性曲线不重合的现象。

迟滞的大小通常由整个检测范围内的最大迟滞值ΔHmax与理论满量程输出YFS之比的百分数表示。(4)重复性

重复性表示传感器在相同工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得到的各特性曲线不一致的程度。

重复性误差通常用输出最大不重复误差Δmax与满量程输出

之比的百分数表示。(5)漂移

漂移是指在外界干扰的情况下，在一定的时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关的变化程度，包括零点漂移和温度漂移。(6)精度(7)分辨力(8)稳定性

精度反映传感器测量结果与真值的接近程度。

分辨力表示传感器能够检测到输入量变化的能力。

稳定性表示在较长时间内传感器对于大小相同的输入量，其输出量发生变化的程度。

(1)与阶跃响应有关的动态特性指标①时间常数τ：一阶传感器输出由零上升到稳态值的63.2%所需的时间②延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间③上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间2.传感器的动态特性指标④峰值时间tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间⑤超调量σ：二阶传感器输出超过稳态值的最大值⑥衰减比d：衰减振荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比

(2)与频率响应有关的动态特性指标①通频带ω0.707：传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围。

②工作频带ω0.95（或ω0.90）：当传感器的幅值误差为±5%（或±10%）时其增益保持在一定值内的频率范围。

③时间常数τ：用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性。τ越小，频带越宽。④固有频率ωn：二阶传感器的固有频率ωn表征其动态特性。

⑤相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值，即为相位误差。

⑥跟随角Φ0.707:当ω=ω0.707时，对应于相频特性上的相角，即为跟随角。1.2传感器的标定与校准传感器的标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，以此确定传感器输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器的校准是指对传感器在使用中和存放后进行的性能复测。

传感器的标定分为静态标定和动态标定。1.3传感器的选用原则

1.对传感器的一般要求

(1)足够的容量。传感器的工作范围或量程足够大，具有一定过载能力。(2)与测量或控制系统相匹配性好，转换灵敏度高和线性程度好。(3)反应快、精度适当、工作可靠性好。(4)适用性和适应性强，对被测量的状态影响小，不易受外界干扰的影响，使用安全等。(5)使用经济，即成本低、寿命长，易于使用、维修和校准。2.传感器的选择原则

(1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型(2)灵敏度(3)频率响应特性(4)线性范围(5)稳定性(6)精度2.差动技术3.累加平均技术4.补偿与修正技术5.屏蔽、隔离与干扰抑制6.稳定性