第1讲传感器的输入输出特性优秀课件.ppt

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1、第1页，本讲稿共40页2.1 2.1 2.1 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性2.2 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算2.3 2.3 2.3 2.3 传感器的静态标定传感器的静态标定传感器的静态标定传感器的静态标定2.4 2.4 2.4 2.4 传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性2.5 2.5 2.5 2.5 一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性 2.6 2.6 2.6 2.6 二阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性二阶

2、传感器的动态特性2 2 传感器的输入输出特性传感器的输入输出特性第2页，本讲稿共40页2.1 传感器静态特性传感器静态特性 传感器的传感器的静态特性静态特性是指在稳态条件下是指在稳态条件下（传感器无暂态分量）用分析或实验方法所（传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确定的输入确定的输入输出关系。这种关系可依不同输出关系。这种关系可依不同情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格来表示。格来表示。第3页，本讲稿共40页2.1 传感器静态特性传感器静态特性静态特性：静态特性：输入量为常量，或变化极慢输入量为常量，或变化极慢yx0第4页，本讲稿共40页2.1 2.1

3、 2.1 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性2.2 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算2.3 2.3 非线性传感器静态性能指标非线性传感器静态性能指标2.4 2.4 传感器的静态标定传感器的静态标定传感器的静态标定传感器的静态标定2.5 2.5 2.5 2.5 传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性2.6 2.6 2.6 2.6 一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性 2.7 2.7 2.7 2.7 二阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性2 2 传感器的输入

4、输出特性传感器的输入输出特性第5页，本讲稿共40页2.2.1 2.2.1 测量范围和量程测量范围和量程2.2.2 2.2.2 静态灵敏度静态灵敏度2.2.3 2.2.3 分辨力与分辨率分辨力与分辨率2.2.4 2.2.4 零漂及温漂零漂及温漂2.2.5 2.2.5 传感器的测量误差传感器的测量误差2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第6页，本讲稿共40页2.2.6 线性度线性度2.2.7 迟迟 滞滞2.2.8 重复性重复性2.2.9 准确度准确度2.2.10 稳定性和环境影响稳定性和环境影响2.2.11 可靠性可靠性2.2.12 符合度符合度2.2.13 总

5、精度总精度2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第7页，本讲稿共40页2.2.1 2.2.1 测量范围和量程测量范围和量程测量上限：传感器所能测量的最大被测量测量下限：传感器所能测量的最小被测量范围：用测量上限和测量下限表示的测量区间2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算量程：测量上限和测量下限的代数差 E：3N10N第8页，本讲稿共40页灵敏度灵敏度：传感器输出变化量与输入变化量之比为静态灵敏度，其表达式为2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算2.2.2 2.2.2 静态灵敏度静态灵敏度第9

6、页，本讲稿共40页 分分辨辨率率：指传感器能够检测到的最小输入增量。对于输出为数字量的传感器，分辨率可以定义为一个量化单位或二分之一个量化单位所对应的输入增量，如图所示。使传感器产生输出变化的最小输入值称为传感器的阈值。2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算2.2.3 2.2.3 分辨率分辨率第10页，本讲稿共40页2.2.4 2.2.4 零漂及温漂零漂及温漂传感器的漂移量大小是表征传感器性能稳定性的重要指标零点时漂：在规定的条件下，传感器零点随时间的缓慢变化。零点温漂：温度变化引起的传感器零点输出的变化灵敏度温漂：温度变化引起的传感器灵敏度的变化2.2 传感

7、器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第11页，本讲稿共40页 b）灵敏度温度系数：当温度升高时，系统的灵敏度变化，温度每升高1，灵敏度系数变化的百分比，称为灵敏度温度系数。如温度系数（温漂）a）零点温度系数：在工作温度范围内，环境温度每变化1时，引起的零点输出变化与额定输出的百分比，称为零点温度系数。2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算2.2.4 2.2.4 零漂及温漂零漂及温漂第12页，本讲稿共40页2.2.5 2.2.5 测量误差基本概念测量误差基本概念v真值真值指被测量在一定条件下客观存在的、指被测量在一定条件下客观存在的、实际

8、具备的量值。真值是不可确切获知的，实实际具备的量值。真值是不可确切获知的，实际测量中常用际测量中常用“约定真值约定真值”和和“相对真值相对真值”。约定真值是用约定的办法确定的真值，如砝码约定真值是用约定的办法确定的真值，如砝码的质量。相对真值是指具有更高精度等级的计的质量。相对真值是指具有更高精度等级的计量器的测量值。量器的测量值。标称值标称值计量或测量器具上标注的量值。如标计量或测量器具上标注的量值。如标准砝码上标注的质量数。准砝码上标注的质量数。示值示值由测量仪器（设备）给出的量值，也由测量仪器（设备）给出的量值，也 称测量值或测量结果。称测量值或测量结果。2.2 传感器的主要静态性能指标

9、及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第13页，本讲稿共40页准确度准确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合，表是测量结果中系统误差与随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度，由于真值未知，准确度是个示测量结果与真值的一致程度，由于真值未知，准确度是个定性的概念。定性的概念。测量误差测量误差测量结果与被测量真值之间的差值。测量结果与被测量真值之间的差值。误差公理误差公理一切测量都具有误差，误差自始至一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有科学试验的过程之中。研究误差的终存在于所有科学试验的过程之中。研究误差的目的是找出适当的方法减小误差，使测量结果更目的是找出适当的方法减小误差，使测

10、量结果更接近真值。接近真值。2.2.5 2.2.5 测量误差基本概念测量误差基本概念2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第14页，本讲稿共40页3）引用误差引用误差绝对误差与测量仪表量程之比。按最大引用误差将绝对误差与测量仪表量程之比。按最大引用误差将电测量仪表的准确度等级分为电测量仪表的准确度等级分为7级，指数级，指数a 分别为：分别为：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。2）相对误差相对误差绝对误差与真值之比：绝对误差与真值之比：在误差较小时，可以用测量值代替真值，称为示值相对误差在误差较小时，可以用测量值代替真值，称为示值相对误差x

11、。1）绝对误差绝对误差示值与真值之差。它的负值称为修正值。示值与真值之差。它的负值称为修正值。称为修正值或补值。称为修正值或补值。2.2.5 2.2.5 测量误差的表示测量误差的表示2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第15页，本讲稿共40页所以电测量仪表在使用中的最大可能误差为：所以电测量仪表在使用中的最大可能误差为：【例例】某某1.01.0级电压表，量程为级电压表，量程为300V300V，求测量值，求测量值U Ux x分别为分别为100V100V和和200V200V时的最大绝对误差时的最大绝对误差U Um m和示值相对误差和示值相对误差UxUx 。2.2

12、 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算2.2.5 2.2.5 测量误差的表示测量误差的表示第16页，本讲稿共40页 传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：2.2.6 2.2.6 2.2.6 2.2.6 线性度线性度线性度线性度其中：其中：其中：其中：X X X X 输入量，输入量，输入量，输入量，Y Y Y Y 输出量；输出量；输出量；输出量；a a a a0 0 0 0 x=0 x=0 x=0 x=0 时的输出值时的输出值时的输出值时的输出值 a a

13、a a1 1 1 1 理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度 a a a a2,2,2,2,a a a a3 3 3 3.a a a an n n n 非线性项系数非线性项系数非线性项系数非线性项系数2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第17页，本讲稿共40页 线性度线性度是指系统标准输入输出特性与拟合直线是指系统标准输入输出特性与拟合直线的不一致程度，也称非线性误差。传感器的理想输的不一致程度，也称非线性误差。传感器的理想输入入输出特性应是线性的。输出特性应是线性的。2.2.6 2.2.6 线性度线性度线性度线性度2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算

14、传感器的主要静态性能指标及其计算第18页，本讲稿共40页 线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，其不一致的最大偏差与理论满量程输出值的百分比来进行计算：式中：式中：Y YFSFSy ymaxmaxy ymin min 满量程输出电压满量程输出电压 2.2.6 2.2.6 线性度线性度线性度线性度2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第19页，本讲稿共40页 对于非理想直线特性的传感器，需要进行非线性校正，对于非理想直线特性的传感器，需要进行非线性校正，常采用以下方法。常采用以下方法。2.2.6 2.2.6 2.2.6 2.2.6 线性度线性度2.2

15、传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第20页，本讲稿共40页 实际特性上分别对应于测量下限xmin和测量上限xmax的点A和B的连线称端点拟合直线。特点：方法简单，但由于数据依据不充分，且计算的线性度值往往偏大，因此不能充分发挥传感器的精度潜力。AB2.2.6 2.2.6 线性度线性度-端点法端点法端点法端点法2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第21页，本讲稿共40页 把传感器全量程内的所有校准数据，前后分成两组，分别求出两组把传感器全量程内的所有校准数据，前后分成两组，分别求出两组的点系中心，这两点系中心的连线，就是平均选点法

16、的拟合直线。的点系中心，这两点系中心的连线，就是平均选点法的拟合直线。特点：特点：拟合精度较高，试验点在拟合直线两侧分布，数据拟合精度较高，试验点在拟合直线两侧分布，数据 处理不复杂。处理不复杂。前半部点系中心坐标为前半部点系中心坐标为 后半部点系中心坐标为后半部点系中心坐标为 因此通过两个点系中心因此通过两个点系中心和的直线斜率为 直线在y轴上的截距为 或 把斜率和截距代入 y=a+kx 中即得到平均选点法拟合直线方程。2.2.6 2.2.6 2.2.6 2.2.6 线性度线性度线性度线性度-平均选点法平均选点法平均选点法平均选点法2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能

17、指标及其计算第22页，本讲稿共40页 把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟合的直线合的直线y y=a a+kxkx，其校准点与对应的拟合直线的点之间的，其校准点与对应的拟合直线的点之间的残差平方和为最小。残差平方和为最小。校准点校准点拟合直线拟合直线2.2.6 2.2.6 2.2.6 2.2.6 线性度线性度线性度线性度-最小二乘法最小二乘法最小二乘法最小二乘法2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第23页，本讲稿共40页特点：拟合精度高，计算复杂。2.2.6 2.2.6 2.2.6 2.2.6 线性度线

18、性度线性度线性度-最小二乘法最小二乘法最小二乘法最小二乘法2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第24页，本讲稿共40页2.2.7 2.2.7 2.2.7 2.2.7 迟滞迟滞迟滞迟滞 迟滞特性说明传感器加载（输入量增大）和卸载（输入迟滞特性说明传感器加载（输入量增大）和卸载（输入量减小）输入量减小）输入输出特性曲线不重合的程度。输出特性曲线不重合的程度。2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第25页，本讲稿共40页例：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

19、 50g 50g 50g 50g 100g 100g 100g 100g 200g 200g 200g 200g电桥输出电桥输出电桥输出电桥输出 0.5mv 0.5mv 0.5mv 0.5mv 2mv 2mv 2mv 2mv 4mv 4mv 4mv 4mv 10mv 10mv 10mv 10mv减砝码输出减砝码输出减砝码输出减砝码输出 1mv 1mv 1mv 1mv 3mv 3mv 3mv 3mv 6mv 6mv 6mv 6mv 10mv 10mv 10mv 10mv2.2.7 2.2.7 迟滞迟滞迟滞迟滞 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第26页，本讲

20、稿共40页2.2.82.2.82.2.82.2.8重复性重复性 重复性是指传感器输入按同一方向作全量程连续多次重复性是指传感器输入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的程度。变动时所得特性曲线不一致的程度。2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算 衡量测量结果分散性的指标，即随机误差大小的指标。第27页，本讲稿共40页 准确度（精度）准确度（精度）：表征测试系统的测量结果与被测量真值的符合程度，反映了系统误差和随机误差对测试系统的综合影响。用测量误差表示：规定了精度等级指数的产品，值越小，精度越高。精度等级由最大引用误差确定，最大引用误差是绝对误差

21、最大绝对值与满量程之比：2.2.92.2.92.2.92.2.9准确度准确度准确度准确度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第28页，本讲稿共40页2.2.92.2.92.2.92.2.9准确度准确度准确度准确度 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第29页，本讲稿共40页 量程选择应使测量值尽可能接近仪表的满刻度值，并尽量避免让测量量程选择应使测量值尽可能接近仪表的满刻度值，并尽量避免让测量仪表在小于仪表在小于1/3量程范围内工作。量程范围内工作。2.2.92.2.92.2.92.2.9准确度准确度准确度准确度 2.2

22、 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第30页，本讲稿共40页2.2.10 2.2.10 稳定性和环境影响稳定性和环境影响稳定性和环境影响稳定性和环境影响稳定性在规定工作条件范围内和规定时间内，保持输入信号不变时，系统或仪器性能保持不变的能力。通常用测试系统示值的变化量与时间之比来表示。如一测试仪器输出电压在8小时内的变化量为1.3mV，则系统的稳定度为1.3mV/8h；环境影响环境温度、湿度、大气压、电源电压、振动等外界因素变化对测量系统或仪器示值的影响。2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第31页，本讲稿共40页2.2.11

23、2.2.11 可靠性可靠性可靠性可靠性：装置在规定时期内，及在保持其运行指标不超限的情况下执行其功能的性能。包括：a)a)平均无故障时间平均无故障时间（Mean Time Between Failure,MTBFMean Time Between Failure,MTBF）：）：表示相邻两次故障间隔时间的平均值表示相邻两次故障间隔时间的平均值 b)b)可信任概率可信任概率P P：表示在给定时间内误差保持在规定限度内：表示在给定时间内误差保持在规定限度内的概率。概率的概率。概率P P越大，系统可靠性越高，但是会增加成本。越大，系统可靠性越高，但是会增加成本。P P的最佳的最佳值为值为0.80.8

24、0.90.9。c)c)故障率或失效率故障率或失效率（1/MTBF1/MTBF）：平均无故障时间的倒数。）：平均无故障时间的倒数。d)d)有效度或可用度有效度或可用度A A：用：用MTTRMTTR代表平均修复时间代表平均修复时间(Mean(Mean Time to Repair)Time to Repair)，若修复时间长，则有效使用时间短，若修复时间长，则有效使用时间短，A A表表示为示为2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第32页，本讲稿共40页2.2.12 2.2.12 2.2.12 2.2.12 符合度符合度符合度符合度传感器的输入输出特性符合或接近某

25、一参考曲线的性能。常常用于描述非线性传感器，参考曲线的形式较多，针对不同的传感器有不同的选择2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第33页，本讲稿共40页2.2.13 2.2.13 2.2.13 2.2.13 总精度总精度反映的是传感器实际输出在一定的置信概率下对其理论特性或工作特性的偏离皆不超过一个范围，是综合评价传感器性能优劣的性能综合指标计算方法：1.均方根法和代数和法 2.极点法2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第34页，本讲稿共40页2.2.13 2.2.13 2.2.13 2.2.13 总精度总精度1.方和根法

26、和代数和法均方根法：总精度计算偏小代数和法：总精度计算偏大特点：计算简单，但由于三种误差的最大值不一定出现在同一位置上，因此理论根据不足。2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第35页，本讲稿共40页2.2.13 2.2.13 2.2.13 2.2.13 总精度总精度2.2.极点法极点法 ：从校准实验数据中直接求：从校准实验数据中直接求a.a.分别求正、反行程分别求正、反行程i i校准点的平均值校准点的平均值b.b.求极限点求极限点c.c.用最佳直线来拟合各极限点用最佳直线来拟合各极限点d.d.总精度为最大偏差除以满量程乘总精度为最大偏差除以满量程乘10010

27、02.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算第36页，本讲稿共40页2.1 2.1 2.1 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的静态特性2.2 2.2 2.2 2.2 传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算传感器的主要静态性能指标及其计算2.3 2.3 2.3 2.3 传感器的静态标定传感器的静态标定2.4 2.4 2.4 2.4 传感器的动态特性传感器的动态特性2.5 2.5 一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性 2.6 2.6 2.

28、6 2.6 二阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性2 2 传感器的输入输出特性传感器的输入输出特性传感器的输入输出特性传感器的输入输出特性第37页，本讲稿共40页 静态标定条件1.对标定环境的要求2.对所用的标定设备的要求3.标定过程的要求(1)无加速度,无振动,无冲击；(2)温度在1525；(3)相对湿度不大于85；(4)大气压力为0.1MPa。；2.4 传感器的静态标定传感器的静态标定第38页，本讲稿共40页2.4.2 传感器的静态特性2.4 传感器的静态标定传感器的静态标定；第39页，本讲稿共40页2.4 传感器的静态标定传感器的静态标定第40页，本讲稿共40页