傳感器與檢測技術(shù)第一章

1、下頁下頁返回返回第一章第一章 傳感器的特性傳感器的特性l 傳感器的特性是指傳感器所特有性質(zhì)的總稱。傳感器的特性是指傳感器所特有性質(zhì)的總稱。l 傳感器的基本特性是輸入傳感器的基本特性是輸入輸出特性，一般把傳輸出特性，一般把傳 感器作為二端網(wǎng)絡(luò)研究時，輸入感器作為二端網(wǎng)絡(luò)研究時，輸入輸出特性是指輸出特性是指 二端網(wǎng)絡(luò)的外部特性，即輸入量和輸出量的對應(yīng)二端網(wǎng)絡(luò)的外部特性，即輸入量和輸出量的對應(yīng) 關(guān)系。關(guān)系。 1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 指當(dāng)輸入量為指當(dāng)輸入量為常量常量或或變化極慢變化極慢 時傳感器的輸入時傳感器的輸入輸出輸出特性。特性。下頁下頁上頁上頁返回返回|線性度線性度|精度精度|

2、遲滯遲滯|重復(fù)性重復(fù)性|靈敏度靈敏度|分辨率分辨率|穩(wěn)定性穩(wěn)定性|可靠性可靠性下頁下頁上頁上頁返回返回 傳感器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的關(guān)系傳感器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線偏離理想直線的程度，又稱為非線性誤差。曲線偏離理想直線的程度，又稱為非線性誤差。在不考在不考慮遲滯、蠕變等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多慮遲滯、蠕變等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程來表示：項式代數(shù)方程來表示：一、線性度一、線性度nnxaxaxaay .2210其中：其中： y 輸出量；輸出量； x 輸入量；輸入量； a0 零點輸出；零點輸出； a1 理論靈敏度；理論靈敏度； a2,

3、a3an 非線性項系數(shù)非線性項系數(shù) 靜態(tài)特性曲線需要進行線性化處理靜態(tài)特性曲線需要進行線性化處理下頁下頁上頁上頁返回返回 在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法來線性化。合的方法來線性化。 采用直線擬合的方法來線性化時，輸入采用直線擬合的方法來線性化時，輸入輸出的輸出的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，稱為非線校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差，稱為非線性誤差，通常用相對誤差性誤差，通常用相對誤差 來表示：來表示： 常用的擬合方法：常用的擬合方法：理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端點擬合、端點平移擬合、最小二乘法擬合等。

4、點擬合、端點平移擬合、最小二乘法擬合等。%100maxFSLyLL下頁下頁上頁上頁返回返回圖1-1 各種直線擬合方法 (e) 最小二乘法擬合最小二乘法擬合 最小二乘法的基本含義是：在具有等精度的多次測量中，當(dāng)各最小二乘法的基本含義是：在具有等精度的多次測量中，當(dāng)各測定值的殘值的殘差平方和為最小時，所求得的值最可靠。也就是說，測定值的殘值的殘差平方和為最小時，所求得的值最可靠。也就是說，把所有校準(zhǔn)點數(shù)據(jù)都標(biāo)在坐標(biāo)圖上，用最小二乘法擬合的直線，其校把所有校準(zhǔn)點數(shù)據(jù)都標(biāo)在坐標(biāo)圖上，用最小二乘法擬合的直線，其校準(zhǔn)點與對應(yīng)的擬合直線上的點之間的殘差平方和為最小。準(zhǔn)點與對應(yīng)的擬合直線上的點之間的殘差平方和

5、為最小。下頁下頁上頁上頁返回返回設(shè)擬合直線方程為：設(shè)擬合直線方程為： 在獲得在獲得k k和和b b值之后值之后,即可得到擬合直線即可得到擬合直線,然后可求出誤然后可求出誤差的最大值即為非線性誤差。差的最大值即為非線性誤差。下頁下頁上頁上頁返回返回下頁下頁上頁上頁返回返回1234562.204.005.987.9010.1012.05例例 試求下列一組數(shù)據(jù)的各種線性度試求下列一組數(shù)據(jù)的各種線性度xy 理論（絕對）線性度，給定方程為：理論（絕對）線性度，給定方程為：y = 2.0 x 端點線性度；端點線性度； 最小二乘線性度。最小二乘線性度。下頁下頁上頁上頁返回返回 解：解： 理論線性度：理論線性

6、度： 端點線性度：端點線性度： 由兩端點做擬合直線由兩端點做擬合直線 中間四點與擬合直線誤差：中間四點與擬合直線誤差：0.17 0.16 0.11 0.080.17 0.16 0.11 0.08 所以，所以，%66. 1%10005.122 . 0%100maxFSLyL23. 097. 1xy%41. 1%10005.1217. 0%100maxFSLyL下頁下頁上頁上頁返回返回 最小二乘線性度：最小二乘線性度： 所以，所以，98.110541.208212191623.422154.1826)(22iiiiiixxnyxyxnk09. 010559. 9212191654.1822123.

7、4291)()(222iiiiiiixxnyxxyxb09.098.1xbkxy%09. 0%10005.1211. 0%10008. 011. 011. 005. 005. 007. 0max654321FSLyLLLLLLL， 指標(biāo)：指標(biāo)：l精密度（精密度（ ）l準(zhǔn)確度（準(zhǔn)確度（ ）l精確度（精確度（ ） 傳感器的精度傳感器的精度（精確度）（精確度）是指測量結(jié)果的可靠程度，是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差（系統(tǒng)誤差和隨機誤差）的綜合反映。是測量中各類誤差（系統(tǒng)誤差和隨機誤差）的綜合反映。 二、精度（精確度）二、精度（精確度）FS100%Sy下頁下頁上頁上頁返回返回l 精密度、準(zhǔn)確度

8、和精確度三者的關(guān)系精密度、準(zhǔn)確度和精確度三者的關(guān)系 系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果準(zhǔn)確度越高；隨機誤差越系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果準(zhǔn)確度越高；隨機誤差越小，測量結(jié)果精密度越高。如果一個測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度小，測量結(jié)果精密度越高。如果一個測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精密度都很高，就稱此測量的精確度很高。和精密度都很高，就稱此測量的精確度很高。 打靶彈著點分布圖打靶彈著點分布圖 工程技術(shù)中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了工程技術(shù)中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精精度等級度等級 的概念。精度等級以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表的概念。精度等級以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表傳感器測量的最大允許誤差（相對誤差）。示，代表

9、傳感器測量的最大允許誤差（相對誤差）。 我國電工儀表的精度等級分為我國電工儀表的精度等級分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和和5.0共七級。共七級。下頁下頁返回返回上頁上頁返回返回|傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨袀鞲衅髟谡ㄝ斎肓吭龃螅┓矗ㄝ斎肓繙p?。┬谐讨休敵雠c輸入曲線不重合時稱為遲滯。遲滯大小一般由輸出與輸入曲線不重合時稱為遲滯。遲滯大小一般由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示。表示。%10021max FSHyH 三三、遲滯遲滯下頁下頁上頁上頁返回返回四、四、 重復(fù)性重復(fù)性%100max FSR

10、yR |傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。其反映的是測量結(jié)果時所得特性曲線不一致的程度。其反映的是測量結(jié)果偶然誤差的大小，而并不表示與真實值的差別。偶然誤差的大小，而并不表示與真實值的差別。也可用絕對誤差來表示也可用絕對誤差來表示| 重復(fù)誤差重復(fù)誤差：返回返回上頁上頁下頁下頁五、靈敏度五、靈敏度|靈敏度誤差靈敏度誤差:xyk %100kkS|靈敏度：靈敏度： 傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比。量之比。如：如：0.2mV/mm下頁下頁上頁上頁返回返回六、分辨率六

11、、分辨率 指傳感器能檢測到的被測信號的最小指傳感器能檢測到的被測信號的最小變化量，也可用該值與滿量程的百分比表變化量，也可用該值與滿量程的百分比表示。示。下頁下頁上頁上頁返回返回七七、 穩(wěn)定性穩(wěn)定性l 穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。能參數(shù)的能力。l 穩(wěn)定性包含穩(wěn)定度和環(huán)境影響兩個方面：穩(wěn)定性包含穩(wěn)定度和環(huán)境影響兩個方面：n 穩(wěn)定度一般以室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定時間間隔穩(wěn)定度一般以室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異來表示（時間漂移），如異來表示（時間漂移

12、），如: 1.3mv/8h下頁下頁上頁上頁返回返回n 環(huán)境影響，環(huán)境影響，是指在外界的干擾下，傳感器輸是指在外界的干擾下，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。l 傳感器的漂移傳感器的漂移 零點漂移、溫度漂移、靈敏度零點漂移、溫度漂移、靈敏度漂移等。漂移等。 %TYFSaxm100溫漂下頁下頁上頁上頁返回返回 傳感器對各種外界干擾的抵抗能力。傳感器對各種外界干擾的抵抗能力。 例如抗沖擊和振動能力、抗潮濕的能力、抗電例如抗沖擊和振動能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等，是反映傳感器在規(guī)定時間內(nèi)是磁場干擾的能力等，是反映傳感器在規(guī)定時間內(nèi)是否正常工

13、作的一種綜合性質(zhì)量指標(biāo)。否正常工作的一種綜合性質(zhì)量指標(biāo)。l 可靠度可靠度R(t)l 可靠壽命可靠壽命l 失效率失效率 (t) 八八、可靠性、可靠性下頁下頁上頁上頁返回返回 1.2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性 傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性（測量傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性（測量值大小、變化規(guī)律）值大小、變化規(guī)律）非平穩(wěn)平穩(wěn)隨機其它線性階躍非周期復(fù)雜正弦周期規(guī)律動態(tài)輸入信號經(jīng)常采用的輸入信號為單位階躍輸入量和正弦輸入量經(jīng)常采用的輸入信號為單位階躍輸入量和正弦輸入量| 可從時域和頻域兩個方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析；可從時域和頻域兩個方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析；| 動態(tài)特性好的傳感器應(yīng)具有較短的暫態(tài)響應(yīng)時間和較寬的頻率動態(tài)特性好的傳感器應(yīng)具有較短的暫態(tài)響應(yīng)時間和較寬的頻率響應(yīng)特性；響應(yīng)特性；| 實際傳感器較復(fù)雜，存在動態(tài)誤差，研究動態(tài)特性就是從測量實際傳感器較復(fù)雜，存在動態(tài)誤差，研究動態(tài)特性就是從測量誤差的角度分析動態(tài)誤差產(chǎn)生的原因及改善措施。誤差的角度分析動態(tài)誤差產(chǎn)生的原因及改善措施。| 動態(tài)響應(yīng)特性通常通過實驗給出傳感器與階躍響應(yīng)曲線和幅頻動態(tài)響應(yīng)特性通常通過實驗給出傳感器與階躍響應(yīng)曲線和幅頻特性曲線上的某些特征值來表示儀器的動態(tài)響應(yīng)特性；特性曲線上的某些特征值來表示儀器的動態(tài)響應(yīng)特性；| 大部分傳感器的動態(tài)特性可近似用一階或二階系統(tǒng)來描述，