石大机械工程测试技术讲义05传感器特性

传感器特性(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录1、传感器的特性2、传感器的线性度3、传感器的迟滞4、传感器的重复性5、传感器的灵敏度6、传感器的精度7、传感器的漂移8、传感器的分辨率9、传感器的稳定性10、传感器的可靠性1、传感器的特性传感器特性包括多个方面，如响应特性、关于输入量的特性、对仪器和环境的要求；可靠性和易行性、性价比及其它诸多特性。在对传感器的应用过程中，我们最关心的还是传感器的响应特性、可靠性和易行性和对环境的要求三方面。传感器的响应特性主要指输出与输入之间的关系。它包括静态响应特性和动态响应特性。为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态和动态特性，才能使信号（或能量）按准确的规律转换。动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。静态特性是指传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。衡量传感器静态特性的重要指标有：精度、线性度、灵敏度、分辨率、重复性、回差(迟滞)性、漂移及稳定性等八方面。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）；环境温度一般为室温20±5℃；相对湿度不大于85%；大气压力为760±60mmHg（101327±7800Pa）的情况。在这种标准工作状态下，利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试，得到的输出—输入数据一般用表格列出或画成曲线。2、传感器的线性度（非线性误差）线性是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度（输出与输入之间保持常值比例关系的程度）。线性的好坏用线性度（也称非线性误差）表示。传感器的线性度（非线性误差）是用传感器校准曲线（标定曲线）与其理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比的百分数来表示，即：式中：——非线性误差（线性度）；——校准曲线与拟合直线间的最大偏差；——传感器满量程输出。静态校准：在静态标准条件下，用实验来确定被测量的实际值和测量装置示值之间的函数关系的过程称为静态校准。所得到的关系曲线称为校准曲线。即校准曲线是指传感器在静态标准条件下，利用校准设备进行测试所得到的输出—输入关系曲线。通常校准曲线并非直线。为了使用简便，总是以线性关系来代替实际关系，为此，需用直线来拟合校准曲线。校准曲线接近拟合直线的程度就是线性度，作为技术指标，则采用非线性误差来表示。由此可知：非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理论直线为基准直线算出来的，因而拟合（基准）直线不同，所得线性度也不同。例如，以理论直线作为基准直线的，称为理论线性度；以连接零点输出和满量程输出的直线作为基准直线的称为端基线性度；以平均选点法获得的拟合直线作为基准直线的称为平均选点线性度；以最小二乘法拟合直线作为基准直线的称为最小二乘法线性度。在上述几种线性度的表示方法中，最小二乘法线性度的拟合精度最高，平均选点线性度次之，端基线性度最低，但最小二乘法线性度的计算最繁琐，在数据较多情况下，最好用计算机进行计算。所以对同一传感器，得出它的线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。线性度反映了输出量与输入量之间保持线性关系的程度。一般来说，人们都希望输出与输入之间呈线性关系。因为在线性情况下，模拟式仪表的刻度就可以做成均匀刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环节；此外，当线性的传感器作为控制系统的一个组成部分时，它的线性性质常常可使整个系统的设计分析得到简化。3、传感器的迟滞迟滞：指传感器正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，其两条输出—输入特性曲线不重合的程度。迟滞误差是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。又称回程误差、滞后误差或变差。回差表示传感器在输入值增长的过程中(正行程)和减少的过程中(逆行程)，同一输入量时输出值的差别。也就是说，在外界条件不变的情况下，对应于同一大小的输入信号，传感器在正、反行程时输出信号的大小不相等。迟滞的大小—般由实验确定，其值用满量程输出的百分数表示即：式中：——迟滞误差；——输出值在正、反行程间的最大偏差值；——传感器满量程输出。理想测量装置的输出、输入有完全单调的一一对应关系，不管输入由小增大，还是由大减小，对一个给定的输入，输出总是相同的，但实际测量装置在同样的测试条件下，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在着差值，即回程误差。迟滞现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承磨擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂及积塞灰尘等。迟滞现象的产生，主要是由于测量装置内有吸收能量的元件(如弹性元件等)，存在着间隙、内摩擦和滞后阻尼效应，使得加载时进入这些元件的全部能量，在卸载时不能完全恢复。4、传感器的重复性重复性：指在同一工作条件下，传感器输入量在同一方向(增加或减小)作全量程连续重复测量时所得输出—输入特性曲线不一致的程度。其指标用重复性误差表示：分别求出沿正、反行程多次循环测量的各个测试点输出值之间的最大偏差Δm1和Δm2，再取这两个最大偏差中较大者为Δmax，然后根据与满量程输出之比来计算重复性误差。即：式中：——重复性误差——输出值最大偏差值；——传感器满量程输出。重复性误差是衡量测量结果的离散程度，是属于随机性质的误差。由于校准的循环测量次数不同，其各个测试点输出值之间的最大偏差值也不一样，因此，按上式算出的数据不够可靠。比较合理的计算方法是根据多次循环测量的全部校准数据，求出其相应行程的标准偏差σ，并按极限误差Δmax=（2~3）σ，代入上式中计算重复性误差，即：σ前的系数取2时，误差完全依从正态分布，置信概率为95%；取3时，置信概率为99.73%。标准偏差σ的计算方法有两种：标准法和极差法。重复性反映传感器在不变的工作状态下，重复地给予某个相同的输入值时，其输出值的一致性，其意义与精度相似。重复性所反映的是测量结果随机误差的大小，而不表示与真值之间的差别，有时重复性虽然很好，但可能远离真值。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小。传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生的。5、传感器的灵敏度灵敏度指传感器在到达稳定工作状态时输出量的变化量与引起此变化的输入量的变化量之比。当传感器的输入x有一个变化量∆X，它引起输出y发生相应的变化量∆Y，则定义灵敏度：例如：某位移传感器在位移变化1mm（输入信号的变化量）时，输出电压变化300mV（输出信号的变化量），则其灵敏度为300mV/mm。对有些传感器灵敏度的定义往往是在单位电源电压激励下满量程输出的电压值作为灵敏度。对于带有指针和标度盘的仪表，灵敏度亦可直观地理解为单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量。对于理想的定常线性传感器，其灵敏度是一个常数，也就是静态特性曲线上各点的斜率，计算方法为：一般的测试装置不是理想定常线性系统，其校准曲线不是直线，曲线上各点的斜率也不是常数，尽管如此，却总是用其拟合直线的斜率来作为该装置的灵敏度。非线性传感器的灵敏度是一个变量（随输入量而变化），可用表示传感器在某一工作点的灵敏度，其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率。灵敏度用来描述测量装置对被测量变化的反应能力。灵敏度是一个有量纲的量，其单位取决于输入、输出量的单位，当输入、输出两者单位一样，则灵敏度实际上是一个无量纲的比例常数，这时也称为“放大比”或“放大倍数”或“增益”。6、传感器的精度精度表示测量结果与被测的“真值”的靠近程度。精度一般用“极限误差”来表示，或者用极限误差与满量值之比按百分数给出。传感器的精度指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度表示重复某个读数的能力，其误差越小，则传感器的精度越高。传感器的精度可用在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分数来表示：式中：——传感器的精度——测量范围内允许的最大绝对误差——满量程输入工厂技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级概念，精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，如某压力传感器的精度等级分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等。传感器设计和出厂检验时，其精度等级代表的误差指传感器测量的最大允许误差。7、传感器的漂移漂移：是指在传感器的连续使用中，即使输入量一定，输出也会向一定方向偏离的现象。人们时常提到的漂移一般指零漂。传感器在无输入（零输入）状态下，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值）即为零点漂移，也称为稳定性误差。式中：——最大零点偏差（或相应偏差）——满量程输出它包括时间漂移和温度漂移(温漂)两种．时间漂移一般指在规定的条件下，室温不变，输出随时间缓慢的变化；对于有源的传感器，则指的是在标准工作电压条件下，零输出的变化情况．温漂是指在规定的工作条件下(工作电源)，环境温度每变化1℃，零点输出(或灵敏度)变化值。它可以用变化值本身，也可用变化值与满量程输出或室温灵敏度之比来表示。，又称温度稳定性误差。温漂=式中：——输出最大偏差——满量程输出——温度变化范围8、传感器的分辨率最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量。最低检测量越小，表示传感器检测微量的能力越高。分辨率是指传感器和测量仪表示值发生可察觉的极微小变化时所需被测量的最小变化值。当输入量从某个任意值(非零值)缓慢增加，直至可以观测到输出量的变化时为止的输入增量即为测量装置的分辨率。或：传感器在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量，它可以用绝对值表示，有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。例如，某位移传感器的分辨率为0.001mm，某称重传感器的分辨率为0.01%F．S，等等．对于数字式仪表，分辨率是指数字显示器的最末一位数字间隔所代表的被测量值。例如，某光栅式位移传感器与100细分的光栅数显表相配时的分辨率为0.0001mm，与20细分的光栅数显表相配时的分辨率为0.0005mm。分辨率表征的是传感器可能检测出被测信号的最小变化的能力，有时又称为分辨力。测量仪器的分辨力是指仪器可能检测到的输入信号的最小变化的能力。可用具体数值或测量上限的百分数表示。9、传感器的稳定性所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。稳定性表示传感器在较长的时间内保持其性能参数的能力（或在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力）。通常在不指明影响量时，它反映的是传感器不受时间变化影响的能力。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期稳定性描述其稳定性。一方面随着时间的增加，传感器的特性将发生变化，即使在同样环境下，同一输入量，其输出量也会不相同。这是由于敏感元件及其构件的特性随着时间的流逝而产生失效变化缘故。另一方面，由于室温大气压、振动、工作电压等外部环境状态变化，传感器的特性也将发生变化。一般来说，人们都希望传感器的稳定性越高越好。10、传感器的可靠性传感器的可靠性是与传感器使用寿命有关的特性以及当传感器工作方式改变时