王介生-2010检测技术-第2章传感器的基本特性.ppt

1、传感器与检测技术,主讲：王介生,第2章,传感器的基本特性,概 述,传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。快变信号要考虑输出的动态特性，即随时间变化的特性；慢变信号要研究静态特性，即不随时间变化的特性。,概 述,传感器的各种性能由传感器输入与输出之间的关系来描述，视传感器为具有输入输出的二端网络。,当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。 当输入量

2、（X）随时间变化时（如加速度、振动），讨论传感器的动态特性，输入输出关系称动态特性。,概 述,传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。,传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。,概 述,取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。,衡量传感器特性的主要技术指标,2.1 传感器的静态特性,

3、传感器的静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。衡量传感器静态特性的重要指标是:线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。,一、线性度,通常为了标定和数据处理，要求传感器的输出-输入关系是线性关系，并能正确无误的反映被测量的真值，但实际上只有在理想情况下，传感器的输入静态特性才呈直线性。,传感器如果没有迟滞及蠕变效应，其静态性就可以用下列多项式代数方程来表示：,其中： X：输入量；Y：输出量； a0：x = 0时的输出（y）值； a1：理想灵敏度； a2, a3,an：为非线性项系数,2.1 传感器的静态特性,一个理想的传感器我们希望它们具有线性的输入输出关系，由于实际

4、传感器输入总有非线性（高次项）存在，X-Y总是非线性关系。在小范围内用割线、切线近似代表实际曲线使输入输出线性化。近似后的直线与实际曲线之间存在的最大偏差称传感器的非线性误差（线性度）。线性度通常用相对误差表示：,式中： Lmax为最大非线性绝对误差 YFS 为满量程输出 L为线性度,2.1 传感器的静态特性,提出线性度的非线性误差，必须说明所依据的基准直线，按照依据基准直线不同有不同的线性度,例如：端基线性度,平均选点线性度和最小二乘线性度等.,2.1 传感器的静态特性,线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数,线性度是以一定的拟合曲线作为基准来确定的，因而线性度和直线的拟合方法有关。,理

5、论拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合； 过零旋转拟合；最小二乘拟合； 最小包容拟合,2.1 传感器的静态特性, 端基线性度,理论线性度（称绝对线性度）,表示检测仪表的校准曲线与理论直线之间的偏差程度,把校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线作为拟合直线.,端基拟合直线,2.1 传感器的静态特性,最小二乘法线性度 设拟合直线方程: 取 n个测点, 第i 残差为: 求残差平方和为最小值:,解出k、b代入作拟合直线，i为非线性误差,2.1 传感器的静态特性,二、灵敏度,对非线性传感器灵敏度为一变量,对于线性传感器灵敏度为一常量,在稳定条件下，输出微小增量与输入微小增量的比值。,灵敏度单

6、位，mv/mm mv/,2.1 传感器的静态特性,一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即输入-输出特性为线性。但灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，系统的稳定性就差。,传感器检测系统的灵敏度具有传递特性。（相乘关系）,解：该仪器的灵敏度为,V/mm,习题1.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。,2.1 传感器的静态特性,习题2.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器： 0.45/ 电桥： 0.02V/ 放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V 求：(

7、1)测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。,2.1 传感器的静态特性,解：（1）测温系统的总灵敏度为,（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为,2.1 传感器的静态特性,三、分辨率,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。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。,分辨率越高测量结果就越精确，但仪表的价格就越高。选择仪表时要尽量考虑测量的精确性和经济性。,四、迟滞,传感器在正、反行程期间，输入、输出曲线不重合的现象称迟滞(回差、滞环)。 例：一个电子秤称重 加砝码10g - 50g - 100g - 200g 电桥输出0.5mv - 2

8、mv - 4mv- 10mv 减砝码输出1mv - 5mv - 8mv- 10mv 产生这种现象的原因是由敏感元件材料的物理性质缺陷造成，如；弹性元件的滞后，铁磁体、铁电体在外加磁场、电场也有这种现象。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。,2.1 传感器的静态特性,迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示,为正、反行程输出值间的最大差值,2.1 传感器的静态特性,五、重复性,传感器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。属于随机误差，可用标准偏差表示：,（2-3）置信度，置信概率 2* 95.4;3 *99.7,2.1 传感器的静态特性,2.1 传感器的静态特性,或用最大重复偏差表示

9、：,此种方法不太可靠，为什么？,2.1 传感器的静态特性,六、漂移,传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象 产生原因： 传感器自身结构参数老化(零点漂移) 测试过程中环境发生变化(温度漂移),2.1 传感器的静态特性,七、稳定性,表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力。 理想情况，不随时间变化，实际情况，大多数传感器特性会随时间延长发生变化，如：放置长期不用、使用次数增度多、随温度漂移等。应对使用仪器的日、月、年变化情况做到有记录和数据。,闪烁探测器8小时长期稳定性测量散点图,2.1 传感器的静态特性,八、阈值,阈值 输入小到某种程度输出不再变化的值； 门槛灵敏度 指输入零点附

10、近的分辨能力。,当输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出,2.2 传感器的动态特性,传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。 一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数 。,当输入量随时间变化时,讨论传感器的动态特性。如 :加速度、振动等，这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。 用时域法表示：,用频域法表示：,2.2 传感器的动态特性,通常除理想状态，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差，既反映了传感器的动态特性。下面用动

11、态测温说明。,设环境温度为T0 ,水槽中水的温度为T ,而且 T T0 ,用热电偶测温。把温度传感器（热电偶）迅速插入水中。,2.2 传感器的动态特性,理想情况：测试曲线在t0处温度从T0-T是阶跃变化； 实际特性：热电偶输出的值是缓慢变化，经历t0-t 时间；,存在一个过渡过程，这个过程与阶跃特性的误差就是动态误差，产生这种动态误差的原因是温度传感器的热惯性、传热热阻引起的，是温度传感器固有的影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只是表现形式不同。,2.2 传感器的动态特性,影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关, 在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号和阶跃信号。 输入信号按正

12、弦变化时，分析动态特性的相位、振幅、频率，称频率响应； 输入信号为阶跃变化时，对传感器随时间变化过程进行分析，称阶跃响应（瞬态响应）；,2.2 传感器的动态特性,输入：阶跃信号,输出：阶跃响应,2.2 传感器的动态特性,2.2 传感器的动态特性,线性时不变系统有两个重要的性质,叠加性 如果 则： 频率保持特性 如果 则：,2.2 传感器的动态特性,用线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性 用常系数线性微分方程（线性定常系统）表示传感器输出量与输入量的关系,拉斯变换：,系统传递函数：,2.2 传感器的动态特性,频率响应函数,傅立叶变换得到频率响应特性： 指数表示： 幅频特性： 相频特性：,2.

13、3 传感器的标定与较准,传感器的标定是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。 传感器的校准是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。,2.3 传感器的标定与校准,一、静态标定,传感器的静态标定是在输入信号不随时间变化的静态标准条件下确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。静态标准是指没有加速度、没有振动、没有冲击（如果它们本身是被测量除外）及环境温度一般为室温（205），相对湿度不大于85%，大气压力为7kPa的情形。,二

14、、动态标定,动态标定主要是研究传感器的动态响应特性。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。根据传感器的动态特性指标，传感器的动态标定主要涉及到一阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有角频率和阻尼系数等参数的确定。,习 题,一、单项选择题 1、衡量传感器静态特性的指标不包括（ ）。 A. 线性度 B. 灵敏度 C. 频域响应 D. 重复性 2、下列指标属于衡量传感器动态特性的评价指标的是（ ）。 A. 时域响应 B. 线性度 C. 零点漂移 D. 灵敏度 3、一阶传感器输出达到稳态值的50%所需的时间是（ ）。 A. 延迟时间 B. 上升时间 C. 峰值时间 D. 响应时间 4、一阶传感器输出

15、达到稳态值的90%所需的时间是（ ）。 A. 延迟时间 B. 上升时间 C. 峰值时间 D. 响应时间 5、传感器的下列指标全部属于静态特性的是（ ） A线性度、灵敏度、阻尼系数 B幅频特性、相频特性、稳态误差 C迟滞、重复性、漂移 D精度、时间常数、重复性,C,A,A,B,C,6、传感器的下列指标全部属于动态特性的是（ ） A迟滞、灵敏度、阻尼系数 B幅频特性、相频特性 C重复性、漂移 D精度、时间常数、重复性 7、不属于传感器静态特性指标的是（ ） A重复性 B固有频率 C灵敏度 D漂移 8、传感器的静态特性，是指当传感器输入、输出不随( )变化时，其输出-输入的特性。 A.时间 B.被测

16、量 C.环境 D.地理位置 9、非线性度是测量装置的输出和输入是否保持( )关系的一种度量。 A.相等 B.相似 C.理想比例 D.近似比例 10、回程误差表明的是在( )期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 A.多次测量 B.同次测量 C.正反行程 D.不同测量,B,B,A,C,C,习 题,二、多项选择题 1阶跃输入时表征传感器动态特性的指标有哪些？（ ） A.上升时间 B.响应时间 C.超调量 D.重复性 2动态响应可以采取多种方法来描述，以下属于用来描述动态响应的方法是：（ ） A.精度测试法 B.频率响应函数 C.传递函数 D.脉冲响应函数 3. 传感器静态特性包括许多因素，以下属于静

17、态特性因素的有（ ）。 A迟滞 B.重复性 C.线性度 D.灵敏度 4. 传感器静态特性指标表征的重要指标有：（ ） A.灵敏度 B.非线性度 C.回程误差 D.重复性 5一般而言，传感器的线性度并不是很理想，这就要求使用一定的线性化方法，以下属于线性化方法的有:（ ） A.端点线性 B.独立线性 C.自然样条插值 D.最小二乘线性,ABC,BCD,ABCD,ABD,ABCD,习 题,习 题,三、填空题 1、灵敏度是传感器在稳态下 对 的比值。 2、系统灵敏度越 ，就越容易受到外界干扰的影响，系统的稳定性就越 。 3、 是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。 4、传感器的灵敏

18、度是指 。 6、衡量传感器的静态特性的指标包含 、 、 、 和 。 7、一个高精度的传感器必须有良好的 和_ _，才能完成信号无失真的转换。 9、阶跃响应特性是指在输入为 时，传感器的输出随 的变化特性。常用响应曲线的 、 、 作为评定指标。 11、某位移传感器，当输入量变化5mm时，输出电压变化300mv ，其灵敏度为 。,输出量变化,漂移,输入量变化,高,在稳态信号下输出量变化对输入量变化的比值,线性度,灵敏度,迟滞,重复性,漂移,静态特性,动态特性,阶跃函数,时间,上升时间,响应时间,超调量,60mv/mm,差,习 题,四、简答题 1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？ 如何用公式表征这些性能指标？ 2、什么是传感器的动态特性？ 其分析方法有哪几种？ 3、什么是传感器的静特性？主要指标有哪些？有何实际意义？ 4、什么是传感器的基本特性?传感器的基本特性主要包括哪两大类？解释其定义并分别列出描述这两大特性的主要