第一章传感器基本特性精选PPT.ppt
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1、第一章传感器基本特性10/7/20221第1页,本讲稿共64页第第第第1 1章章章章 传感器基本特性传感器基本特性传感器基本特性传感器基本特性概概概概 述:述:述:述:传传感感器器的的输输入入输输出出特特性性是是其其基基本本特特性性,一一般般把把传传感感器器作作为为二二端端网网络络研研究究时时,输输入入输输出出特特性性是是二二端端网网络络的的外外部部特特性性,即输入量和输出量的对应关系。即输入量和输出量的对应关系。2第2页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性1.11.1传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性 当输入量(当输入量(当输入量(当输入量(X X X X)为静态(常量
2、)或变化缓慢的信号时)为静态(常量)或变化缓慢的信号时)为静态(常量)或变化缓慢的信号时)为静态(常量)或变化缓慢的信号时(如温度),讨论传感器的静态特性,输入输出关系称(如温度),讨论传感器的静态特性,输入输出关系称(如温度),讨论传感器的静态特性,输入输出关系称(如温度),讨论传感器的静态特性,输入输出关系称静静静静态特性态特性态特性态特性。静态特性可以用函数式表示为静态特性可以用函数式表示为静态特性可以用函数式表示为静态特性可以用函数式表示为 3第3页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性1.1传感器的主要静态性能指标传感器的主要静态性能指标传感器传感器主要静态性能主要静态性能重复性重复性
3、灵敏度与灵敏度与灵敏度误差灵敏度误差线性度线性度温度稳定性温度稳定性稳定性稳定性迟滞迟滞分辨力分辨力和阈值和阈值静态误差静态误差多种抗干扰能力多种抗干扰能力4第4页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(1 1)线性度线性度线性度线性度 LinearityLinearityv 传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示:传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示:其中:其中:X X 输入量,输入量,Y Y 输出量;输出量;a a0 0 x=0 x=0 时的输出值,零点输出值时的输出值,零点输出值 a a1 1 理论灵敏度理论灵敏度 a a2,2,a a3.3.a an
4、 n 非线性项系数非线性项系数5第5页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(1 1)线性度线性度 LinearityLinearityv v 传感器的非线性误差(线性度)通常用相对误差传感器的非线性误差(线性度)通常用相对误差 表示:表示:最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差 满量程输出满量程输出满量程输出满量程输出 线性度线性度线性度线性度YXYiXiLmaxY=kx+b6第6页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(1 1)线性度线性度 LinearityLinearity7第7页,本讲稿共64页第1章 传感
5、器的特性-1.1 传感器静态特性(1 1)线性度线性度 LinearityLinearity拟合直线的选定原则:拟合直线的选定原则:拟合直线的选定原则:拟合直线的选定原则:保证尽量小的非线性误差保证尽量小的非线性误差保证尽量小的非线性误差保证尽量小的非线性误差计算与使用方便计算与使用方便计算与使用方便计算与使用方便选定拟合直线的方法:选定拟合直线的方法:选定拟合直线的方法:选定拟合直线的方法:8第8页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(1 1)线性度线性度 LinearityLinearityv用用最小二乘法求得校准数据的理论直线。最小二乘法求得校准数据的理论直线。假
6、定,假定,n n个测点,第个测点,第i i个测点的残差为:个测点的残差为:9第9页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(1 1)线性度线性度 LinearityLinearity例例1-11-1(附录(附录1 1 习题与思考题)习题与思考题)1.3 1.3 测得某检测装置的一组输入输出数据如下测得某检测装置的一组输入输出数据如下:a)a)试用最小二乘法拟合直线,求其线性度和灵敏度。试用最小二乘法拟合直线,求其线性度和灵敏度。x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.010第10页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性
7、(1 1)线性度线性度 LinearityLinearity11第11页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(1 1)线性度线性度 LinearityLinearity12第12页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(2 2)迟滞迟滞 HysteresisHysteresisv v 传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不 重合的现象称迟滞。重合的现象称迟滞。重合的现象称迟滞。重合的现象称迟滞。13第13页,本讲稿共64页第1章 传感器
8、的特性-1.1 传感器静态特性(2 2)迟滞迟滞 HysteresisHysteresisv 迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示:迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示:为正、反为正、反 行程输出值间的最大差值行程输出值间的最大差值14第14页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(2 2)迟滞迟滞 HysteresisHysteresisHmax正行程正行程反行程反行程xy0例:一电子秤例:一电子秤例:一电子秤例:一电子秤增加砝码增加砝码增加砝码增加砝码 10g 10g 10g 10g 50g 50g 50g 50g 100g 100g 100g 100g 200g 2
9、00g 200g 200g电桥输出电桥输出电桥输出电桥输出 0.5 mv-2mv-4mv -10mv0.5 mv-2mv-4mv -10mv0.5 mv-2mv-4mv -10mv0.5 mv-2mv-4mv -10mv减砝码输出减砝码输出减砝码输出减砝码输出 1 mv-5mv-8mv -10mv1 mv-5mv-8mv -10mv1 mv-5mv-8mv -10mv1 mv-5mv-8mv -10mv15第15页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(3 3)重复性)重复性 RepeatabilityRepeatabilityv v 传感器输入量按同一方向作多次测量时,
10、输出特传感器输入量按同一方向作多次测量时,输出特传感器输入量按同一方向作多次测量时,输出特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。性不一致的程度。性不一致的程度。性不一致的程度。v v 属于随机误差可用属于随机误差可用属于随机误差可用属于随机误差可用最大重复偏差最大重复偏差最大重复偏差最大重复偏差表示:表示:表示:表示:16第16页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(4 4)静态灵敏度)静态灵敏度 SensitivitySensitivityv v传感器传感器传感器传感器输出的变化量输出的变化量输出的变化量输出的变化量与引起该变化量的与引起该变化量的
11、与引起该变化量的与引起该变化量的输入变化量输入变化量输入变化量输入变化量之比之比之比之比 对线性传感器灵敏度是直线的斜率:对线性传感器灵敏度是直线的斜率:对线性传感器灵敏度是直线的斜率:对线性传感器灵敏度是直线的斜率:k k k k=y y y y/x x x x|灵敏度误差(相对误差表示)灵敏度误差(相对误差表示)灵敏度误差(相对误差表示)灵敏度误差(相对误差表示)17第17页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(5 5)分辨率和阈值)分辨率和阈值 ResolutionResolutionv v 分辨率分辨率 传感器能够检测到的最小输入增量传感器能够检测到的最小输入增
12、量 分辨率可用绝对值表示,也可用与满量程的百分比表示。分辨率可用绝对值表示,也可用与满量程的百分比表示。v 阈阈 值值 在传感器输入零点附近的分辨率在传感器输入零点附近的分辨率.xmaxymaxyx018第18页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(6 6)稳定性)稳定性 RegulationRegulationv传感器在长时间工作情况时输出量发生的变化。有时称为长传感器在长时间工作情况时输出量发生的变化。有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。时间工作稳定性或零点漂移。例:例:例:例:闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器8 8 8 8小时长期稳定小时长期稳定小时长期稳
13、定小时长期稳定性测量散点图性测量散点图性测量散点图性测量散点图|稳定性误差:稳定性误差:稳定性误差:稳定性误差:前后两次输出之差。可用相对误差表示,也可用绝对误差前后两次输出之差。可用相对误差表示,也可用绝对误差前后两次输出之差。可用相对误差表示,也可用绝对误差前后两次输出之差。可用相对误差表示,也可用绝对误差来表示来表示来表示来表示。19第19页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(7 7)温度稳定性温度稳定性|温度稳定性:温度稳定性:又称为温度漂移。它是指传感器在外界温度变化情又称为温度漂移。它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化。况下输出量发生的变化。|
14、温度稳定性误差:温度稳定性误差:以电压表为例,测试时先将传感器置于一定温度以电压表为例,测试时先将传感器置于一定温度(例如(例如2020)下,将其输出调至零点或某一特定点,)下,将其输出调至零点或某一特定点,使温度上升或下降一定的度数(例如使温度上升或下降一定的度数(例如55或或1010),再),再读出输出值,前后两次输出之差即为温度稳定性误差。读出输出值,前后两次输出之差即为温度稳定性误差。温度稳定性误差用每若干温度稳定性误差用每若干的绝对误差或相对误差表的绝对误差或相对误差表示,每示,每的误差又称温度误差系数。的误差又称温度误差系数。20第20页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1
15、 传感器静态特性(8 8)多种抗干扰能力)多种抗干扰能力|多种抗干扰能力多种抗干扰能力:传感器对各种外界干扰的抵抗能力。:传感器对各种外界干扰的抵抗能力。例如抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电磁场例如抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等,评价这些能力比较复杂,一般也不易干扰的能力等,评价这些能力比较复杂,一般也不易给出数量概念,需要具体问题具体分析。给出数量概念,需要具体问题具体分析。21第21页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(9 9)静态误差静态误差|静态误差:静态误差:传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输传感器在其全量程内任一点的输出值
16、与其理论输出值的偏离程度。出值的偏离程度。|静态误差的求取方法:静态误差的求取方法:把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差,看成把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差,看成随机分布,求出其标准偏差随机分布,求出其标准偏差,即:,即:yyi i-各种测试点的残差;各种测试点的残差;n-n-测试点数。测试点数。22第22页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.1 传感器静态特性(9 9)静态误差静态误差|静态误差的求取方法:静态误差的求取方法:取取22或或33值即为传感器静态误差。静态误差也可值即为传感器静态误差。静态误差也可用相对误差表示,即:用相对误差表示,即:静静态态误误差差是是一一项项
17、综综合合性性指指标标,基基本本上上包包含含了了前前面面叙叙述述的的非非线线性性误误差差、迟迟滞滞误误差差、重重复复性性误误差差、灵灵敏敏度度误误差差等等。所所以以也也可可以以把把这这几几个个单单项项误误差差综综合而得,即:合而得,即:yyi i-各种测试点的残差;各种测试点的残差;n-n-测试点数。测试点数。23第23页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.2传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器对动态激励(输入)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(输出)特性,即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。的响
18、应特性。一个动态特性好的传感器,其输出随时间变化的规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间函数 。当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时,讨论传感器的讨论传感器的动态特性动态特性。如如 :加速度、振动等,这时被测量是时间的函数,加速度、振动等,这时被测量是时间的函数,或是频率的函数。或是频率的函数。24第24页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.2传感器的动态特性传感器的动态特性 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动态
19、误差,既反映了传感器的动态特性。下面用动态测温说明。设环境温度为设环境温度为T0,T0,水槽中水的温度为水槽中水的温度为T,T,而且而且 T T T0,T0,用热电偶测温。把温度传感器(热电偶)迅速插入水中。用热电偶测温。把温度传感器(热电偶)迅速插入水中。水温水温T热电偶热电偶环境温度ToTo T TToTo25第25页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.2传感器的动态特性传感器的动态特性 理想情况:理想情况:测试曲线在测试曲线在t0t0处温度从处温度从T0-TT0-T是阶跃变化;是阶跃变化;实际特性:实际特性:热电偶输出的值是缓慢变化,经历热电偶输出的值是缓慢变化,经历t0-tt0-
20、t时间时间;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态误差的原因是温度传感器的热惯性、传热热阻引起的热惯性、传热热阻引起的,是温度传感器固有的,是温度传感器固有的,影响动态特性的影响动态特性的“固有因素固有因素”任何传感器都有,只是表现形式不同。任何传感器都有,只是表现形式不同。26第26页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.2传感器的动态特性传感器的动态特性 动态特性是指传感器当输入量随时间变化时传感器的输入动态特性是指传感器当输入量随时间变化时传感器的输入输出特性;输
21、出特性;除理想状态,多数传感器的输入信号是随时间变化的,输除理想状态,多数传感器的输入信号是随时间变化的,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;出之间的差异就是动态误差;传感器输出对时间变化的输入量的响应反映了传感器的动传感器输出对时间变化的输入量的响应反映了传感器的动态特性。态特性。27第27页,本讲稿共64页第1章 传感器的特性-1.2传感器的动态特性传感器的动态特性 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
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