第2章传感器的一般特性

1、第2章传感器的一般特性，2.1是2.2传感器的特性2.3传感器的标定，2.1是传感器一般将各种信息转换成电量，描述这种转换的输入和输出的关系，表现了传感器的基本特性。 但是，对不同的输入信号，输出特性不同，对快信号和慢信号，由于传感器内部的存储元件(电感、电容器、质量块、弹簧等)的影响，反应大不相同。 对于快变信号考虑输出的动态特性、即随时间变化的特性，对于低速变化或稳定的信号考虑静态特性、即不随时间变化的输入输出特性。 关于大信号和小信号，输入输出特性不同，大多认为前者具有非线性，后者具有线性。 输入方向也有关系，会发生死区和滞后。 因此，高精度的传感器必须同时具有良好的静态特性和动态特性，

2、才能完成信号(或能量)无失真的变换。 图21的框图说明了传感器或测量系统的功能。 表示输入量和激励，表示与其对应的输出量和响应，表示由该组件的物理性能决定的数学算法。图2-1传感器的功能框图，一般的工序测试问题总是处理输入量、系统的传输转换特性和输出量的关系。 也就是说，如果传感器系统的传输特性和转换特性是可测量的，则根据可观察到的量来估计导致该输出的相应输入量，如果已知这是工序测试中最常见的问题，则可以估计或估计系统的输出量、这里所说的系统是指从测量输入量的阶段到测量输出量的阶段之间的整个系统，包含测量对象和测量器具两者。 理想的传感器和测量系统应该具有单个值的确定输入输出关系。 其中，输出

3、和输入呈线性关系是最好的。 在静态测量中，传感器的这样的线性关系虽然总是期望的，但在静态测量中，可使用曲线校正或输出补偿进行非线性校正，因此在非必要的动态测量中，传感器和后续设备本身应该是线性系统。 这不仅是因为目前线性系统只能进行比较完善的数学处理和分析，而且在动态测试中进行非校准还相当困难。 由于一些实际的测试系统不能在大范围内完全维持线性，所以只能在一定范围内和一定的误差允许范围内进行线性处理。 2.2传感器的特性需要在科学实验和生产过程中检测和控制各种参数。 这要求传感器感测测定的非电量的变化，并转换为与测定的一定函数有关的电量。 传感器测量的非电量可以分为静态量和动态量两种。 静态量

4、是指不随时间变化的信号或变化极慢的信号(准静态)。 动态量是指周期信号、瞬变信号、随机信号。 传感器能否将测量的非电量的变化无失真地转换为对应的电量，取决于传感器的基本特性，即取决于输出-输入特性，是与传感器内部的结构参数有关的外部特性。 传感器的基本特性可以用静态特性和动态特性来描述。 2.2.1传感器的静态特性传感器的静态特性是指在测量值稳定的状态下传感器的输出和输入的关系。 测量传感器静态特性的重要指标如图2-2所示。 图2-2传感器的静态特性指标、1 .线性度传感器的线性度，其输出量和输入量的实际关系曲线(即静态特性曲线)从直线偏离了多少，也被称为非线性误差。 理想的输入输出关系是直线

5、，即，将该关系称为线性输出输入特性。 实际使用的传感器大多是非线性的，经常引入各种非线性补偿的一部分以便获得线性关系。(1)非线性输出输入特性传感器的输出输入特性是非线性的，在静态的情况下，如果不考虑滞后、蠕变等，则输出输入特性可以用式(2-1)近似。 (2-1)、(2)多项式方程式(2-1)可分别表示不同类型的传感器的输入输出特性的四个情况。 将输入量记述为横轴，将输出量记述为纵轴的特性曲线。 理想的线性特性在图2-3(a )中示出。 输出输入特性方程式仅为偶数次非线性项，如图2-3(b )所示，具有该特性的传感器的线性范围窄，对称性差，因此，如果两个特性用相同的传感器进行差动动作，则能够有

6、效地消除非线性误差。 输出输入特性方程式仅为奇数次非线性项，如2-3(c )所示，具有该特性的传感器在接近原点的相当宽的范围内，输出输入特性几乎处于线性关系。 另外，在大小相等且符号相反的情况下，大小相等且符号相反，也关于坐标原点对称。 输入输出特性有奇数项和偶数项时的特性曲线如图2-3(d )所示。 (3)、(3)非线性特性的“线性化”在实际使用非线性特性传感器的情况下，如果非线性项不高，则在输入量少的条件下，可以用实际特性曲线的切线或切线等直线在近视上代表实际特性曲线的一部分，该方法如图2-4所示，被称为传感器的非线性特性的线性化，采用实际特性曲线与拟合直线的偏差通常称为非线性(或线性度)

7、，是用相对误差表示的：几个直线拟合方法，2 .灵敏度是用稳定状态下的传感器的输出变化量和引起其的输入变化量之比表示的，即，对传感器的输入变化线性传感器的灵敏度是其静态特性的斜率，常数非线性传感器的灵敏度用变量表示。 传感器的灵敏度如图2-5所示。传感器的灵敏度，通常，传感器的灵敏度高，在全范围内一定，即传感器的输入输出特性是直线。 3 .滞后传感器在正(输入量增大)反(输入量减少)行程之间，其输出输入特性曲线重叠的现象称为滞后，如图2-6所示。 即，对于相同大小的输入信号，传感器的正反冲程输出信号的大小相等。 这种现象的主要原因是传感器传感器材料的物理性质和机械部件的缺陷，如弹性滞后、运动部件

8、的摩擦、传动机构的间隙、紧固件的松弛等。 滞回性的大小一般根据实验方法决定。 在以最大输出差分值或其一半全比例输出的百分比表示的公式中，是正反笔画输出值之间的最大差分值。4 .反复性是指输入向相同方向连续多次变动时得到的特性曲线不一致的程度。 正程的最大重复偏差、逆程的最大偏差和中的最大偏差。5 .分辨率传感器的分辨率是可在规定的测量范围内检测的输入量的最小变化量，也可以用该值相对于全尺度输入值的百分比表示。 6 .漂移传感器的漂移指的是来自外部的干扰，输出量与输入量无关地变化，包括零漂移和灵敏度漂移等。 传感器输入零时，输出的变化称为零偏移。 零点漂移或灵敏度漂移分为时间漂移和温度漂移。 时

9、间漂移是指在规定的条件下，零点和灵敏度随时间缓慢变化。 温度漂移是指周围温度变化时引起的零点和灵敏度漂移。 通常可以通过串联或并行地调节电阻来消除漂移。 传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性，反映输出值实际上再现变化的输入量的能力。 动态特性好的传感器，其输出再现了输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。除了实际具有理想比例特性的环节，受传感器固有因素的影响，输出信号不会具有与输入信号相同的时间函数，这种输出和输入的差异就是所谓的动态误差。 研究传感器的动态特性主要是从测量误差的角度来分析动态误差发生的原因和改进措施。 为了研究传感器的动态特性，我们使

10、用瞬态响应法和频率响应法从时域和频域进行了分析。 1 .当瞬态响应特性在时域中研究传感器的动态特性时，常用的激励信号包括阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。 传感器对施加的激励信号的响应称为瞬态响应。 用传感器的单位阶跃响应评价传感器的动态性能。 (1)假设一次传感器的单位步进响应分别是传感器的输入量和输出量，都是时间的函数，则一次传感器的传递函数对于初始状态为0的传感器，当输入是单位步进信号时，传感器输出的拉斯变换为、一次传感器的单位步进从图中可以看到，传感器具有惯性，当传感器保持初始响应速度时，输出的初始上升梯度在时刻达到稳态值。 (2)二次传感器的单位阶跃响应在传感器输出的拉式变换中产生单位

11、阶跃响应，或者通过单位阶跃信号，对该传感器输出执行拉式变换。 图2-9是二次传感器的单位阶跃响应曲线。、(3)过渡响应特性指标时间常数是描述一次传感器的动态特性的重要参数，响应速度越小，响应速度越快。 次级传感器阶跃响应的典型的性能指示在图2-10中示出。、过渡响应特性指标图2-10表示二次传感器阶跃响应的典型性能指标， 各指标的上升时间：输出从稳态值的10%变化到稳态值的90%为止的时间的响应时间：系统从阶跃输入到输出值进入稳态值规定的范围为止所需的时间峰值时间：阶跃响应曲线达到第一峰值所需的时间过冲量：传感器输出为稳态，2 .频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应特性。 频

12、率响应法是根据传感器的频率特性研究传感器的动态特性的方法。 (1)零阶传感器的频率特性零阶传感器的传递函数，从以下结果可以看出，零阶传感器的输出与输入成比例，与信号频率无关。 因此，没有振幅和相位失真的问题，具有理想的动态特性。 电位计式传感器是零阶系统的一个例子。 在实际应用中，很多高阶系统在变化缓慢且频率不高时，可以近似地作为零阶系统处理。(2)一次传感器的频率特性一次传感器的传递函数，振幅特性为：图2-11表示一次传感器的频率响应特性曲线。 (3)，二次传感器的频率特性二次传感器的传递函数，振幅特性为：图2-12表示二次传感器的频率响应特性曲线。(4)频率响应特性指标频带：传感器增益处于

13、一定值内的频率范围，即，与在数振幅特性曲线上振幅值衰减了3dB的情况对应的频率范围被称为传感器的频带或通带，对应上下截止频率。 时间常数：用时间常数表示一次传感器的动态特性，越小频带越宽。 固有频率：二次传感器的固有频率表示其动态特性。、2.3传感器的标定，新开发的传感器和生产的传感器在制造、组装完成后必须进行一系列的试验，并对其技术进行全面的检验，以确保传感器的实际性能。 为了在一段时间内保存或使用，必须重新测量性能。 一般来说，标定是在明确输入输出转换的对应关系的基础上，使用某个基准或标准器具缩放传感器。传感器的标定通过实验确立了传感器的输入量和输出量的关系。 两个方面：一是新开发的传感器

14、进行全面的技术性能检测，在用检测数据进行幅度传输的同时，检测数据也是改善传感器设计的重要依据；二是一段时间保存或使用后传感器的再测量工作。 该重定位检测传感器的基本性能是否发生了变化，并确定能否继续使用。 2.3.1传感器的静态标定传感器的标定可分为静态标定和动态标定。 静态标定的目的是确定传感器的静态特性指标，例如直线度、灵敏度、滞后、再现性等。 动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，诸如频率响应、时间常数、固有频率和衰减比等。 (1)静态标准条件传感器的静态特性用静态标准条件标定。 静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击(这些参数本身不是测量的物理量)，周围温度一般在室温下，相对湿度不

15、大，大气压低。 (2)标定设备的精度等级的确定是标定传感器，根据试验数据确定传感器的各种性能指标，实际确定传感器的测量精度。 因此，定位传感器时使用的测定器的精度比定位的传感器的精度至少高一个等级。 因此，由标定确定的传感器的静态性能指标是可靠的，并且所确定的精度是可靠的。 (3)静态特性标定的方法是对传感器进行静态特性标定，先创建静态标准条件，然后选择符合标定传感器精度要求的一定水平的标准设备，对传感器进行静态特性标定。 标定过程的步骤如下： (1)将传感器的全范围(测量范围)分成几个等间隔点(2)根据传感器范围的点的状况，从小的一方一点一点地输入标准值，记录与各输入值对应的输出值(3)从大

16、的一方到小的一方在记录与各输入值对应的输出值的(4)、(2)、(3)记载的过程中，对传感器进行正、反冲程往复循环的多次测试，将得到的输出-输入测试数据表示，或者制作曲线，进行(5)测试数据所需的处理，并基于处理结果2.3.2传感器的动态定位传感器的动态定位主要是通过研究传感器的动态响应，得出的动态响应参数：一级传感器只有一个时间常数，有二级传感器固有频率和衰减比两个参数。 为了动态标定传感器，需要输入标准的激励信号。 为了便于比较和评估，通常采用阶跃变化和正弦变化的输入信号，用已知的阶跃信号来激励传感器，使传感器以自身的固有频率振动，记录运动状态，确定其动态参数，或者用一个振幅和频率可以已知调

17、整的正弦波信号来激励传感器基于所记录的运动状态，传感器的动态特征向一级传感器施加阶跃信号，并测量阶跃响应后，将输出值达到最终值的63.2%的时间设为时间常数。 然而，这样确定的时间常数实际上与响应的全过程无关，测量结果仅依赖于某个单独的瞬时值，可靠性差。 2.3.3由于压力传感器静态标定各传感器的结构原理不同，标定方法也不同，以压力传感器为例说明传感器的标定方法。 用于动态测量的压力传感器首先如前所述静态地标定。 目前常用的标定装置是活塞压力计、杆式和弹簧压力计式压力标定机。 图2-14用活塞压力计标定压力传感器。 活塞压力计由压力发生系统和活塞部分组成。2.3.3压力传感器的静态标定活塞压力计利用由施加在活塞和活塞上的砝码的重量产生的压力和由挥手的压力泵产生的压力平衡的原理进行标定作业。 标定时，把传感器安装到连接螺母上。 然后，按照活塞压力表的操作步骤，旋转压力泵的手柄，使托盘上升到指定的刻线位置。 在要求的压力间隔，逐渐增加砝码的重量，使压力计产生必要的压力，并且用数字电压表记录传感器在对应压力下的输出值。 由此，可以得到标定传感器和负载传感器的输出特性曲线，可以根据特性曲线确定必要的各静态指标。 在实际测试中，为了确定负载系统整体的输出特性，经常需要现场标定。 操作容易，不载重物，可以直接用标准压力计