传感器基本特性.ppt
传感器与测试技术,什么是传感器？,课前回顾,自动系统,传感器是将被测量转换为电信号的装置。,第二章传感器的基本特性,从系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入的关系和特性，从而，用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的静态输入-输出关系和动态输入-输出关系两方面建立数学模型。,传感器的数学模型概述,一、静态模型,静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。,如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：,1.灵敏度（在静态情况下）,K为常数可带来如下便利：简化传感器的理论分析和计算；便于传感器的标定和数据处理；有利于安装调试，确保测量精度。,2.1静态特性,灵敏度的解释,由图可知灵敏度 k 是特性曲线上某点的切线斜率。如果特性曲线是直线，则 k 为常数；如果特性曲线是非线性的，则 k 是变化的。,最大非线性误差；,传感器的满量程输出值。,当 满足使用误差的要求时，就可以用线性代替非线性。,2.线性度:输出量-输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的最大偏差，称非线性误差或线性度。可用相对误差表示:,理论线性度,以零点（0）为起始点，满量程输出（100）为终止点，连接这两点的直线（y=kx）即为理论直线。由此计算出的线性度称为理论线性度（绝对线性度）。,理论直线,最大误差,实际曲线,理论线性度,拟合直线：,端基线性度,以零点输出的平均值为起始点，满量程输出平均值为终止点，连接这两点的直线（y=a0+kx）即为端基拟合直线。由此计算出的线性度称为端基线性度。,拟合直线：,a0被测量为零时的传感器输出值。,端基线性度,平均选点线性度,将标定出的全部数据分成近似相等的两组，分别求其点系中心坐标为：,连接两点得拟合直线。,式中：,平均选点线性度,独立线性度,作两条与端基直线平行的直线，使之恰好包围所有的标定点，然后在这一对平行线之间作一条等距直线，使实际输出特性相对于所选拟合直线的最大偏差值和最小偏差值相等。也称端基平行直线。,独立线性度,分段线性化,这种方法被称为折线逼近法，通常用精密折点电路实现，也可在具有CPU的测量装置中非常方便的用软件实现。,分段线性化的线性度则分段按端基线性度计算，取其最大者。,3分辨率与阈值：传感器在规定的范围所能检测输入量的最小变化量。阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。,4.迟滞（滞环）,传感器在正向（被测量增大）和反向（被测量减小）时，输出特性曲线不重合的程度，称为迟滞（滞环）。,迟滞：,产生迟滞现象的主要原因有传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等，以及磁滞和电元件的单向特性等等。,被测量增大,被测量减小,最大误差,5.重复性：输入量按同一方向作全程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。,传感器的其他性能指标,1稳定性：表示传感器维持其性能参数（如灵敏度、线性度等）长时间不变化的能力。如在某条件和环境下用“个月不超过%满量程输出”给传感器标定的有效期，超过稳定期限，传感器应重新标定其主要的性能参数。否则，测量误差将会超出允许范围，造成测量结果的不精确。,2零漂：表示在零输入状态下传感器的输出漂移，通常有两种情况。（1）时间零漂：指在规定时间内，规定的使用条件下传感器的零输出漂移。（2）温漂：指在其它规定使用条件不变的情况下，温度每增加10C，传感器的零输出漂移。零漂可以用变化值本身来表示，也可以用变化值与满量程输出的百分比来表示。,3输入特性：在测量过程中，传感器成为被测对象的负载时，将产生“载荷”效应。如测力传感器测量运动机械的动态力时，由于传感器存在质量M和刚性K，必然要吸收运动机械的部分能量转换成动能和弹性势能。因而，使得被测对象偏离了其本来的工作状态，会给测量结果带来误差。“载荷”效应产生的原因主要是传感器的输入“阻抗”。在测量静态变量（如力、压力等），就象电学中测量电压和电势一样，希望传感器的输入“阻抗”越大越好，这样在单位时间内吸收被测对象的能量就少；相反，测量动态变量（如速度、加速度、流量等），就象电学里测电流，希望传感器的输入“阻抗”越小越好。,4输出特性：传感器的输出端都要与一些后续的处理电路、传输电路或仪表等相连接。因此，存在传感器的输出阻抗与后续装置输入的匹配问题。选择传感器时，要了解传感器的输出电量的形式和输出阻抗值。,5可靠性：指规定的工作条件和工作时间内传感器保持原有性能指标的能力。传感器在有效的寿命期内，如不超过规定的工作条件，其测量结果应是真实可信的。传感器作为任何系统的主要部件其可靠性将影响系统的寿命，可靠性指标应得到使用者的重视。6对环境的要求：由于传感器的工作原理及结构等的不同，受外界因素（温度、湿度、磁场振动、化学腐蚀、防爆、防火等）的影响不同。使用传感器时，必须了解传感器的使用条件，针对使用环境合理的选择传感器。7安装要求：选用的传感器应易于安装、维护和更换。,2.2 动态特性,动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。,被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。,标准输入有三种：,经常使用的是前两种。,正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入,2.2 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,动态特性分析,阶跃响应与时域性能指标,响应时间 ts：t1 或 t2。体现了将被测量转换成电量的快速性。,1一阶系统或二阶过阻尼系统,2二阶欠阻尼系统,过冲量（超调量）：,表达了传感器在响应过程的平稳性。,2.2.1 传感器的数学模型,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,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：,2.2.2 传递函数,特性关系式：拉氏变换：变形：传递函数：,2.2.3 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：,2.2.4 传感器的动态特性分析,1、一阶传感器的频率响应,时间常数越小，越接近常数1，越接近0，频率响应特性越好。,2、二阶传感器的频率响应,2.3 传感器的标定与校准,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。,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。,2.3.2 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。,
