传感器的基本特性与测量误差的概念和分类.ppt

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1、一、传感器的定义、组成与分类一、传感器的定义、组成与分类P123P1231 1、传感器的定义、传感器的定义 传感器是一种以一定的精确度把被传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关系的、便于应测量转换为与之有对应关系的、便于应用的某些物理量的测量装置。用的某些物理量的测量装置。本质：信息转换，一感二传本质：信息转换，一感二传 别名：换能器、发讯器、传送器别名：换能器、发讯器、传送器 sensor,transducer sensor,transducern n 2 2、传感器的组成、传感器的组成 被测量被测量敏感敏感元件元件转换转换元件元件转换转换电路电路输出输出电参数电参数电量电量3

2、 3、传感器的分类、传感器的分类按结构分：按结构分：A A 电量传感器电量传感器简单型简单型 B B 电参数传感器电参数传感器 C C 电参数传感器电参数传感器 （加二次转换元件及转换电路）（加二次转换元件及转换电路）复合型复合型 +x 正向传感器正向传感器 +y被测量被测量 转换电路转换电路 双倍输出双倍输出 -x 反向传感器反向传感器 -y 特点：特点：灵敏度高，抗干扰性好，线性好灵敏度高，抗干扰性好，线性好CHCLPHPLd0dd0-dd0+d其它分类：其它分类：其它分类：其它分类：1 1 1 1、根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、根据输入物理量可分为：位移传感器

3、、压力传感器、速度传感器、根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等温度传感器及气敏传感器等温度传感器及气敏传感器等温度传感器及气敏传感器等2 2 2 2、根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。、根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。、根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。、根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。3 3 3 3、根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器、和数字式传感器。、根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器、和数字式传

4、感器。、根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器、和数字式传感器。、根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器、和数字式传感器。即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字4 4 4 4、根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。、根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。、根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。、根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性 静特性：静特性：线性度线性度线

5、性度线性度、迟迟迟迟滞滞滞滞 、重复性、重复性、重复性、重复性、灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 动特性动特性1、静特性静特性 （在静态标准条件下进行效准的）（在静态标准条件下进行效准的）1 1）线性度线性度线性度线性度：对于实际的传感器测出的输出对于实际的传感器测出的输出输输入校准（标定）曲线与其入校准（标定）曲线与其 论拟和直线间的偏论拟和直线间的偏差就称为该曲线的差就称为该曲线的“非线性非线性”或或“线性度线性度”。理想的拟合直线：能反映校准曲线的一般理想的拟合直线：能反映校准曲线的一般趋势，又能使误差绝对值为最小的曲线。趋势，又能使误差绝对值为最小的曲线。传感器如果没有迟滞及蠕变效应，其静态特

6、性可用下传感器如果没有迟滞及蠕变效应，其静态特性可用下列多项式代数方程来表示：列多项式代数方程来表示：=a=a0 0+a+a1 1+a+a2 2+a+an nn n （4 14 1）式中，式中，为输入量（被测量）；为输入量（被测量）；为输出量；为输出量；a a0 0为为0 0位位输出；输出；a a1 1为传感器灵敏度，常用为传感器灵敏度，常用 表示；表示；a a2 2。a an n为为非线性项的代定常数。这种多项式代数方程有四种情况：非线性项的代定常数。这种多项式代数方程有四种情况：（1 1）理想线性，在这种情况下理想线性，在这种情况下a a0 0=a=a2 2=a=an n=0=0，因此得到

7、：因此得到：=a=a1 1 （4 2 4 2）因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为 a a1 1=y/=y/=常数常数 （4 4 3 3）（2 2）在坐标原点附近相当范围内输出）在坐标原点附近相当范围内输出输入特性基输入特性基本呈线性，在此情况下式（本呈线性，在此情况下式（4 14 1）中除线性项外只）中除线性项外只存在奇次非线性项，即：存在奇次非线性项，即：a a0 0=a=a2 2=a=an n=0=0，因，因此得到：此得到：=a1+a3+a5 5+（4 4）对应的曲线为对应的曲线为()=y()(3)3)输出输出输入特性曲线不

8、对称，这时在式（输入特性曲线不对称，这时在式（4 4 1 1）中，除线性项外非线性项只是偶次项，即：）中，除线性项外非线性项只是偶次项，即：=a1+a2+a4 4+（4 5）(4)(4)普遍情况下都是（普遍情况下都是（4 14 1）所对应的特征。）所对应的特征。p 0F.S.pS0upF.S.0 0F.S.pS0up 0F.S.pS0u线性度的定义和表达方法：线性度的定义和表达方法：（1 1）基本表达方法：基本表达方法：线性度通常用相对误差来表示其大小，线性度通常用相对误差来表示其大小，即相对应的最大偏差与传感器满量程（即相对应的最大偏差与传感器满量程（F.S.)F.S.)输出之输出之比比%）

9、：）：e=（max/F.S.）100%（46）式中式中，e e 为非线性误差（线性度）为非线性误差（线性度）；maxmax为输出平均值与基准拟和直线的最大偏差为输出平均值与基准拟和直线的最大偏差；F.S.F.S.为传感器满量程输出的平均值为传感器满量程输出的平均值。（2 2）不同线性度的定义和表达方法：）不同线性度的定义和表达方法：A A 端基线性度端基线性度把传感器校准数据的零点输出平均把传感器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，作为传感器特性的值和满量程输出平均值连成直线，作为传感器特性的拟和直线，其方程式为：拟和直线，其方程式为：y=b+(47)式中，式中，y y为输出量

10、；为输出量；x x为输入量；为输入量；b b为为y y轴上的截距；轴上的截距；k k为直线的斜率。为直线的斜率。下图为一只压力传感器的输出下图为一只压力传感器的输出输入实测曲线，根据端基法输入实测曲线，根据端基法作拟和直线，其方程式对应于式（作拟和直线，其方程式对应于式（4747）可得：）可得：b=b=b=b=0 0 0 0；=(=(=(=(F.S.F.S.F.S.F.S.0 0 0 0)/p)/p)/p)/pS S S S 这种方法简单直观，应用广泛，但是拟和精度很低，尤其是当这种方法简单直观，应用广泛，但是拟和精度很低，尤其是当传感器为很明显的非线性时，拟和精度就更差。传感器为很明显的非线

11、性时，拟和精度就更差。pF.S.0 0F.S.pS0u图41 端基线性度的拟和直线端基线性度的拟和直线B y y1y20y图42 平均选点的拟和直线平均选点的拟和直线12ACB(3)(3)最小二乘法线性度最小二乘法线性度假定实际校准点任有假定实际校准点任有n n个，对应的输出值是个，对应的输出值是y y，则第个校准数据与拟和战线上对应值之间的残差为：，则第个校准数据与拟和战线上对应值之间的残差为：i i =y=yi i (b+(b+i i)(4-12)最小二乘法拟和直线的拟和原则就是使最小二乘法拟和直线的拟和原则就是使 为最小值，也即使为最小值，也即使 对对k k和和b b的一阶偏导数等于零，

12、从而求出的一阶偏导数等于零，从而求出b b和和k k的表达式，即的表达式，即：从以上两式求出从以上两式求出k k和和b b （413）（414）于是，可得最小二乘法最佳拟和直线方程：于是，可得最小二乘法最佳拟和直线方程：2 2）迟）迟）迟）迟 带带带带：表明了传感器在正（输入量增大）反（输入量表明了传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程间输出减小）行程间输出输入曲线不重合的程度。由机输入曲线不重合的程度。由机械部分的缺陷引起。械部分的缺陷引起。3 3）重复性）重复性）重复性）重复性：表示传感器在输入量按同一方向作全量程连表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致

13、的程度。特性续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。特性曲线一致，重复性好误差就小。曲线一致，重复性好误差就小。4 4）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度：线性传感器校准的斜率就是其静态灵敏度，非线线性传感器校准的斜率就是其静态灵敏度，非线性则随输入量而变化。性则随输入量而变化。YXdydx动特性动特性 传感器对于随时间变化的输入量的响传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。应特性。1）标准输入：）标准输入：正弦函数：任何复杂输入可分解为多正弦函数：任何复杂输入可分解为多次谐波的正弦函数；次谐波的正弦函数；阶跃函数：当输入突然变化时的极端。阶跃函数：当输入突然变化时的极端。2）数学模型：微分方程，传递函数）数学模型：微分方程，传递函数作业：作业：1、如图所示的电容式差压、如图所示的电容式差压传感器属于哪种传感器结构？传感器属于哪种传感器结构？2、误差分为几类？它们与准确度与精密度有什、误差分为几类？它们与准确度与精密度有什麽关系？引用误差的定义与作用？麽关系？引用误差的定义与作用？3、传感器静特性的主要技术指标有哪些？、传感器静特性的主要技术指标有哪些？4、P29，2和和3题题CHCLPHPLd0dd0-dd0+d