傳感器基本特性

1、第2章 傳感器的基本特性（知識(shí)點(diǎn)）知識(shí)點(diǎn)1傳感器的基本特性傳感器的基本特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胍惠敵鲫P(guān)系特性，是傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān) 系的外部特性表現(xiàn)。不同的傳感器有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，決定了它們具有不同的外部特性。傳感器所測(cè)量的物理量基本上有兩種形式：穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)）和動(dòng)態(tài)（周期變化或 瞬態(tài)）。前者的信號(hào)不隨時(shí)間變化（或變化很緩慢）；后者的信號(hào)是隨時(shí)間變化而變化的。傳 感器所表現(xiàn)出來(lái)的輸入-輸出特性存在靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。知識(shí)點(diǎn)2傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是它在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下的輸入-輸出關(guān)系。靜態(tài)特性所描述的傳感器 的輸入-輸出關(guān)系式中不含時(shí)間變量。衡量傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)是

2、線性度、靈敏度、分辨率、遲滯、重復(fù)性和漂移。2.1. 1線性度線性度（Linearity）是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入間成線性關(guān)系的程度。傳感器的實(shí)際輸 入-輸出特性大都具有一定程度的非線性，在輸入量變化范圍不大的條件下，可以用切線或 割線擬合、過(guò)零族轉(zhuǎn)擬合、端點(diǎn)平移擬合等來(lái)近似地代表實(shí)際曲線的一段，這就是傳感器非 線性特性的"線性化”。所采用的直線稱(chēng)為擬合直線，實(shí)際特性曲線與擬合直線間的偏差稱(chēng) 為傳感器的非線性誤差，取其最大值與輸出滿(mǎn)刻度值（Full Scale,即滿(mǎn)量程）之比作為評(píng) 價(jià)非線性誤差（或線性度）的指標(biāo)。靈敏度靈敏度（Sensitivity）是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化對(duì)輸入量

3、變化的比值。對(duì)于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)待性曲線的斜率；非線性傳感器的靈敏度為 一變量。分辨率分辨率（Resolution）是指?jìng)鞲衅髂軌蚋兄驒z測(cè)到的最小輸入信號(hào)增量，反映傳感器能 夠分辨被測(cè)量微小變化的能力。分辨率可以用增量的絕對(duì)值或增量與滿(mǎn)量程的百分比來(lái)表 不02. 1.4遲滯遲滯（Hysteresis）,也叫回程誤差，是指在相同測(cè)量條件下，對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信 號(hào)，傳感器正（輸入量由小增大）、反（輸入量由大減?。┬谐痰妮敵鲂盘?hào)大小不相等的現(xiàn) 象。產(chǎn)生遲滯的原因：傳感器機(jī)核部分存在不可避免的摩擦、間隙、松動(dòng)、積塵等，引起能 量吸收和消耗。遲滯特性表明傳感器正、反行程期間輸出一

4、輸入特性曲線不重合的程度。遲滯的大小一 般由實(shí)驗(yàn)方法來(lái)確定。用正反行程間的最大輸出差值A(chǔ)Hmax對(duì)滿(mǎn)量程輸出bs.的百分比來(lái)表 示。2. 1.5重復(fù)性重復(fù)性（Repeatability）表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)所得輸入 一輸出特性曲線一致的程度。實(shí)際特性曲線不重復(fù)的原因與遲滯的產(chǎn)生原因相同。重復(fù)性指 標(biāo)一般采用輸出最大不重復(fù)誤差與滿(mǎn)量程輸出人,的百分比表示。2. 1. 6漂移漂移（Drift or Shift）是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓坎蛔兊那闆r下，轍岀呈隨時(shí)間變化的現(xiàn)象； 漂移將影響傳感器的穩(wěn)定性或可靠性（Stability or Reliability）.產(chǎn)生漂移的原因主要有

5、 兩個(gè)：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生老化，如零點(diǎn)漂移（簡(jiǎn)稱(chēng)篆漂）。二是在測(cè)試過(guò)程中周 圍環(huán)境（如溫度、濕度、壓力等）發(fā)生變化。這種情況最常見(jiàn)的是溫度漂移（簡(jiǎn)稱(chēng)溫漂）。知識(shí)點(diǎn)3傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性，即其輸出對(duì)隨 時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律（輸出 變化曲線），將能再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律（輸入變化曲線），即輸岀輸入具有相同的時(shí)間 函數(shù)。但實(shí)際上由于制作傳感器的敏感材料對(duì)不同的變化會(huì)表現(xiàn)出一定程度的慣性（如溫度 測(cè)量中的熱慣性），因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)并不具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸入與輸 出間

6、的差異稱(chēng)為動(dòng)態(tài)誤差，動(dòng)態(tài)誤差反映的是慣性延遲所引起的附加誤差。傳感器的動(dòng)態(tài)特性可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面分別采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來(lái)分 析。在時(shí)域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性時(shí)，一般采用階躍函數(shù)；在頻域內(nèi)研究動(dòng)態(tài)特性一般是 采用正弦函數(shù)。對(duì)應(yīng)的傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)分為兩類(lèi)，即與階躍響應(yīng)有關(guān)的指標(biāo)和與頻率響 應(yīng)特性有關(guān)的指標(biāo)：（1）在釆用階躍輸入研究傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)特性時(shí)，常用延遲時(shí)間、上 升時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量等來(lái)表征傳感器的動(dòng)態(tài)特性。（2）在采用正弦輸入信號(hào)研究傳感 器的頻域動(dòng)態(tài)特性時(shí)，常用幅頻特性和相頻特性來(lái)描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性。傳感器的數(shù)學(xué)模型通?？梢杂镁€性時(shí)不變系統(tǒng)理論來(lái)描述傳感器的動(dòng)態(tài)特

7、性。從數(shù)學(xué)上可以用常系數(shù)線性 微分方程（線性定常系統(tǒng)）表示傳感器輸出量y（r）與輸入tx（r）的關(guān)系:廠響+y(f) = Sn -X(t)()at式中: 一傳感器的時(shí)間常數(shù)(具有時(shí)間量綱)這類(lèi)傳感器的幅頻特性、相頻特性分別為：幅頻特性：A(則) = l/Jl + ("f)2()相頻特性：叭 vv) = 一 arctan(MT)()圖為一階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。從式()、()和圖看出，時(shí)間常數(shù)&越小，此時(shí)A(w)越接近于常數(shù)1, 0(w)越接近于0,因此，頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng)wrvvl時(shí)：A(w)心1,輸出與輸入的幅值幾乎相等，它表明傳感器輸出與輸入為線性關(guān)系。0(e)很小

8、,tan(0)心卩，0(w) a-w 相位差與頻率w成線性關(guān)系。但)幅頻持性(b)相頻特性圖一階傳感器的頻率特性(2)二階傳感器的頻率響應(yīng)典型的二階傳感器的微分方程為：d2y(t)dy(/)5 75 + a : + a()y(t) =)d廣at()因此有：幅頻特性:相頻特性:w 2飢一） w 0（沙）=_ arctan1心%式中:M n = ao/a2 （傳感器的固有角頻率）©=4 （傳感器的阻尼系數(shù)）。0.10.20.51.02510（b）相頻特性2血他圖二階傳感器的頻率特性圖為二階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線。從式（）、式（）和圖可見(jiàn)，傳感器的頻率響應(yīng) 特性好壞主要取決于傳感器的固有

9、角頻率叫和阻尼系數(shù)J。當(dāng)叫>>w時(shí):wA(w) «1 (常數(shù))，0(w)很小，(w)«-2<,即相位差與頻率w成線性關(guān)系，此時(shí), %系統(tǒng)的輸出y(f)真實(shí)準(zhǔn)確地再現(xiàn)輸入x(r)的波形。在w = %附近，系統(tǒng)發(fā)生共振，幅頻特性受阻尼系數(shù)影響極大，實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)避免此 情況。通過(guò)上面的分析，可得出結(jié)論：為了使測(cè)試結(jié)果能精確地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的波形，在傳感 器設(shè)計(jì)時(shí)，必須使其阻尼系數(shù)<<1,固有角頻率叫至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率w的(35) 倍，即叫2(35)w。在實(shí)際測(cè)試中，被測(cè)量為非周期信號(hào)時(shí)，選用和設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，保 證傳感器固有角頻率不低于被測(cè)信號(hào)基頻w

10、的10倍即可。(3) 一階或二階傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)一階或二階傳感器單位階躍響應(yīng)的時(shí)域動(dòng)態(tài)特性分別如圖、圖所示(Sn=l,觀=1)。 其時(shí)域動(dòng)態(tài)特性參數(shù)描述如下。圖一階傳感器的時(shí)域動(dòng)態(tài)特性圖 二階傳感器（歹VI）的時(shí)域動(dòng)態(tài)特性時(shí)間常數(shù)広:一階傳感器輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的所需的時(shí)間。延遲時(shí)間：傳感器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需的時(shí)間。上升時(shí)間.：傳感器的輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。 峰值時(shí)間：二階傳感器輸出響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間二階傳感器從輸入量開(kāi)始起作用到輸出指示值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi) 所需要的時(shí)間。超調(diào)cr：二階傳感器輸出第一次達(dá)到穩(wěn)定值后又超出穩(wěn)定值而出現(xiàn)的最大偏差

11、，即 二階傳感器輸出超過(guò)穩(wěn)定值的最大值。知識(shí)點(diǎn)4傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定是利用某種標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)新研制或生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行技術(shù)檢定和標(biāo)度；它是 通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量間的關(guān)系，并確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系或測(cè)量 精度。傳感器的校準(zhǔn)是指對(duì)使用或儲(chǔ)存一段時(shí)間后的傳感器性能進(jìn)行再次測(cè)試和校正，校準(zhǔn) 的方法和要求與標(biāo)定相同。傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種。靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指 標(biāo)，包括線性度、靈敏度、分辨率、遲滯、重復(fù)性等。動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài) 特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。對(duì)傳感器的標(biāo)定是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)儀器 與被標(biāo)定傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行的，即利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知的非電量并輸入