傳感器的一般特性

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容2.1 2.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.2 2.2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性2.3 2.3 傳感器的動態(tài)特性分析傳感器的動態(tài)特性分析2.4 2.4 傳感器技術指標傳感器技術指標2.5 2.5 提高傳感器性能的方法提高傳感器性能的方法2.6 2.6 傳感器的標定傳感器的標定傳感器的傳感器的輸入輸入與與輸出輸出間間 的關系特性。的關系特性。穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)( (靜態(tài)或準靜態(tài)靜態(tài)或準靜態(tài)) )：信號不隨時間變化或緩：信號不隨時間變化或緩慢變化；慢變化；動態(tài)動態(tài)( (周期或瞬態(tài)變化周期或瞬態(tài)變化) )：信號隨時間變化：信號隨時間變化而變化。而變化。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性(零漂零漂)

2、溫度溫度供電供電各種干擾穩(wěn)定性各種干擾穩(wěn)定性溫漂溫漂分辨力分辨力沖擊與振動沖擊與振動電磁場電磁場線性線性滯后滯后重復性重復性靈敏度靈敏度輸入輸入誤差因素誤差因素外界影響外界影響輸出輸出傳感器輸入與輸出之間作用中的誤差因素取決傳感器輸入與輸出之間作用中的誤差因素取決于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加于傳感器本身，可通過傳感器本身的改善來加以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。以抑制，有時也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性衡量傳感器特性的主要技術指標的主要技術指標傳感器傳感器靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入Y輸出輸出X之間的關系。

3、之間的關系。靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程表示：靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程表示： 式中：式中：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、a3、 、 an-非線性項系數(shù)非線性項系數(shù)特例：特例：1 1) )，2 2) )，3 3) )圖示例圖示例y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度1)理想理想 ，a0=a2 an=0特點：完全線性化特點：完全線性化2)僅有偶次非線性項僅有偶次非線性項特點：無對稱性，線性范圍窄。特點：無對稱性，線性范圍

4、窄。3)僅有奇次非線性項僅有奇次非線性項特點：有對稱性，線性范圍寬。易補償。特點：有對稱性，線性范圍寬。易補償。y(x) = -y(-x)y = a1x + a2x2 + a4x 4+ y = a1x + a3x3 + a5x5 + y =a1x2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度可以考慮消除傳感器中電氣元件的偶次分量來改善線可以考慮消除傳感器中電氣元件的偶次分量來改善線性范圍，常用的方法就是使電氣元件性范圍，常用的方法就是使電氣元件對稱排列對稱排列，形成，形成差動差動工作方式，如差動式工作方式，如差動式傳感器一邊輸出：傳感器一邊輸出：y1=a

5、1x+a2x2 +a3x3 +anxn另一邊反向輸出：另一邊反向輸出：y2=-a1x+a2x2 -a3x3 + (-1)naxn y = y1 - y2 =2( a1x+ a3x3 + a5x5 +)由上式可使差動式傳感器消除了偶次項，使線性得到由上式可使差動式傳感器消除了偶次項，使線性得到改善，靈敏度提高一倍。改善，靈敏度提高一倍。2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度USCRR+RTACDBRR+RTR+R+RTR+R+RTEImaxFSymxyxmaxFS

6、ymxyxmaxFSymxyx實際的輸出實際的輸出-輸入曲線與擬合曲線輸入曲線與擬合曲線(工作曲線，一般為直工作曲線，一般為直線線)間必有偏差，其最大偏差的相對值間必有偏差，其最大偏差的相對值 EL 即為即為線性度線性度。EL=maxYFS100%最大偏差最大偏差輸出滿量程值輸出滿量程值傳感器的靜態(tài)模型常為多項式傳感器的靜態(tài)模型常為多項式 y = a0+a1x + a2x2 + a3x3 +在經(jīng)過零點校正后在經(jīng)過零點校正后(即即a0 = 0), y = a1x + a2x2 + a3x3 +2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度 測量范圍與量程測

7、量范圍與量程YFSv測量上限：傳感器所能測量的最大被測量的數(shù)值測量上限：傳感器所能測量的最大被測量的數(shù)值(Xmax) 。v測量下限：傳感器所能測量的最小被測量的數(shù)值測量下限：傳感器所能測量的最小被測量的數(shù)值 (Xmin) 。 v測量范圍：測量范圍：-50150,050,-50 50,20100v量程：測量上限和測量下限的代數(shù)差量程：測量上限和測量下限的代數(shù)差,量程量程=Xmax-Xmin-500c2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度獲取擬合直線方法：獲取擬合直線方法：(a) (a) 端點連線法：端點連線法：算法算法：檢測系統(tǒng)輸入輸出曲線的兩：檢

8、測系統(tǒng)輸入輸出曲線的兩端點連線端點連線; ;特點特點：簡單、方便，偏差：簡單、方便，偏差大，與測量值有關大，與測量值有關(b) (b) 最佳直線法：最佳直線法：算法算法：使得正負行程的非線性偏差：使得正負行程的非線性偏差相等且最小相等且最小; ;特點特點：精度最高，計算：精度最高，計算法法( (迭代、逐次逼近迭代、逐次逼近). ).簡單實用，三簡單實用，三點作圖法點作圖法( (兩高一低兩高一低/ /兩低一高兩低一高) )xyxy2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度(c) 最小二乘法最小二乘法：算法算法: :計算計算n個測量數(shù)據(jù)個測量數(shù)據(jù): (x

9、1,y1), (x2,y2), , (xn,yn)，(n2)殘差：殘差： i = yi(a+bxi) 殘差平方和最?。簹埐钇椒胶妥钚。?i=min特點特點: :精度高精度高22)(iiiiiixxnyxyxnb222)(iiiiiiixxnyxxyxa2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度獲取擬合直線方法：獲取擬合直線方法：誤差因素誤差因素傳傳 感感 器器輸入輸入 x輸入輸入 y = f(x)溫溫度度濕濕度度壓壓力力沖沖擊擊振振動動磁磁場場電電場場摩摩擦擦間間隙隙松松動動遲遲滯滯蠕蠕變變變變形形老老化化外界干擾外界干擾2 2.1 .1 傳感器的靜

10、態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.1 2.1.1 線性度線性度非線性的原因：非線性的原因：Sn 的定義是輸出增量與輸入增量的比值。即的定義是輸出增量與輸入增量的比值。即x yxy ixyxxySn ixxinxdydS 2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.2 2.1.2 靈敏度靈敏度Sn (或或 K) 純線性傳感器靈敏度為常數(shù)：純線性傳感器靈敏度為常數(shù)：S n=a 1。 非線性傳感器靈敏度非線性傳感器靈敏度S n與與x有關。有關。m FSymxyx%max100FSmHyEE遲滯回差遲滯回差EH反映了傳感器的輸入量在正向行程和反向行程反映了傳感器的輸入量在正向行程和反向行程全

11、量程多次測試時，所得到的特性曲線的不重合程度。全量程多次測試時，所得到的特性曲線的不重合程度。 m：正反行程輸出值的最大偏差正反行程輸出值的最大偏差2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.3 2.1.3 遲滯遲滯(回差回差EH) (hysteresis)重復性重復性 Ex 反映了傳感器在輸入量按同一方向反映了傳感器在輸入量按同一方向(增或減增或減)全全量程多次測試時，所得到的特性曲線的不一致程度。量程多次測試時，所得到的特性曲線的不一致程度。%max100FSxyEmax 最大不重復誤差，最大不重復誤差，不重復誤差屬于隨機誤差，按標不重復誤差屬于隨機誤差，按標準誤差處理比較合

12、適。準誤差處理比較合適。2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.4 2.1.4 重復性重復性 Ex (不重復性不重復性)( repeatability )圖圖 0 0重復性重復性mx2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.4 2.1.4 重復性重復性 Ex (不重復性不重復性)( repeatability )1()(2 nnyynjiij %max100FSnxytEyij為某校準點為某校準點i的第的第j個輸出值，個輸出值，yi為該點輸出值的算術平為該點輸出值的算術平均值，均值，tn是與第是與第i個校準點的測量次數(shù)個校準點的測量次數(shù)n有關的置信因子有關的置

13、信因子(見見物理實驗物理實驗)。在規(guī)定的測量范圍內(nèi)，傳感器所能檢測出輸入量的最在規(guī)定的測量范圍內(nèi)，傳感器所能檢測出輸入量的最小變化值。有時也用相對與輸入滿量程的相對值表示。即小變化值。有時也用相對與輸入滿量程的相對值表示。即xFS-輸入量的滿量程值輸入量的滿量程值xmin xFS100%說明：分辨力是絕對數(shù)值，如說明：分辨力是絕對數(shù)值，如0.01mm，0.1g，10ms。分。分辨率是相對數(shù)值：能檢測的最小被測量的變換量相對于辨率是相對數(shù)值：能檢測的最小被測量的變換量相對于 滿滿量程的百分數(shù)，如：量程的百分數(shù)，如： 0.1%, 0.02%。2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1

14、.5 2.1.5 分辨率分辨率( xmin ) ( resolution )2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.6 2.1.6 穩(wěn)定性穩(wěn)定性(stability)(stability)時間穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。零點漂移。測測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即

15、為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤差表示差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤差表示,也可用絕對誤差也可用絕對誤差表示。表示。2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.6 2.1.6 穩(wěn)定性穩(wěn)定性(stability)(stability)溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。測試時先將傳感器置于一定溫度下輸出量發(fā)生的變化。測試時先將傳感器置于一定溫度(如如20),將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或?qū)⑵漭敵稣{(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)下降一定的度數(shù)(如如5或或10),再讀出

16、輸出值，前后兩次再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干每變化若干的絕對誤差或相對誤差表示的絕對誤差或相對誤差表示,每每引起的傳感引起的傳感器誤差又稱為器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)溫度誤差系數(shù)。2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.6 2.1.6 穩(wěn)定性穩(wěn)定性(stability)(stability)抗干擾穩(wěn)定性抗干擾穩(wěn)定性指傳感器對外界干擾的抵抗能力，指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。評價這些能力、抗潮濕的能

17、力、抗電磁場干擾的能力等。評價這些能力比較復雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具力比較復雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。體分析。222HxLEEEE方和根表示法：方和根表示法：代數(shù)和表示法：代數(shù)和表示法：HxLEEEE 有些傳感器在零點附近存在嚴重的非線性；有些傳感器在零點附近存在嚴重的非線性； 噪聲電平的干擾噪聲電平的干擾(噪聲電平幅度超過了零點附近的輸出噪聲電平幅度超過了零點附近的輸出)2 2.1 .1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2.1.7 2.1.7 閾值閾值( (死區(qū)死區(qū)) )2.1.2.1.8 8 總精度總精度( (總不確定度總不確定度) )一般可用方和

18、根來表示一般可用方和根來表示(推薦推薦)，有時也可用代數(shù)和表示。，有時也可用代數(shù)和表示。被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。通常研究動態(tài)特性是根據(jù)通常研究動態(tài)特性是根據(jù)標準輸入特性標準輸入特性來考慮傳感器的響來考慮傳感器的響應特性。標準輸入有三種：應特性。標準輸入有三種：正弦變化的輸入正弦變化的輸入階躍變化的輸入階躍變化的輸入線性輸入線性輸入2 2. .2 2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性例：動態(tài)測溫例：動態(tài)測溫 設環(huán)境溫度為設環(huán)境溫度為T0

19、,水槽中水的溫度為水槽中水的溫度為T,而且而且T T0 傳感器突然插入被測介質(zhì)中；傳感器突然插入被測介質(zhì)中； 用熱電偶測溫用熱電偶測溫,理想情況測試曲線理想情況測試曲線T是階躍變化的；是階躍變化的； 實際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個過渡過程實際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個過渡過程2 2. .2 2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學模型分析傳感器動態(tài)特性，必須建立數(shù)學模型, ,根據(jù)相應的物理根據(jù)相應的物理定律定律, ,用用表示系統(tǒng)的輸入表示系統(tǒng)的輸入x x與輸出與輸出y y關系關系的數(shù)字方程式的數(shù)字方程式, ,通過對微分方程求解，得出動態(tài)性能指標。通過對微

20、分方程求解，得出動態(tài)性能指標。xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111ai、bi (i=0,1,)為系統(tǒng)結構特性常參數(shù)，系統(tǒng)的階次由輸為系統(tǒng)結構特性常參數(shù)，系統(tǒng)的階次由輸出量最高微分階次決定。常見為出量最高微分階次決定。常見為0階、階、1階、階、2階系統(tǒng)階系統(tǒng)優(yōu)點：優(yōu)點：概念清晰，輸入概念清晰，輸入- -輸出關系明了。輸出關系明了。缺點：缺點：求解方程麻求解方程麻煩，傳感器調(diào)整時分析困難。煩，傳感器調(diào)整時分析困難。2 2. .2 2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性2.2.1 2.2.1 傳感器的數(shù)學模型傳感器的數(shù)學模型0

21、階系統(tǒng)：階系統(tǒng)：例電位計、電子示波器例電位計、電子示波器)()(00txbtya1階系統(tǒng)：階系統(tǒng)：例例: : 無質(zhì)量單自由度振動系統(tǒng)、無質(zhì)量單自由度振動系統(tǒng)、無源積分電路、液位溫度計無源積分電路、液位溫度計)()()(001txbtyadttdya2 2. .2 2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性2.2.1 2.2.1 傳感器的數(shù)學模型傳感器的數(shù)學模型2 2階系統(tǒng)：階系統(tǒng)：)()()()(001222txbtyadttdyadttyda彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)在信息論和工程控制中，通常采用一些足以反映系統(tǒng)動態(tài)在信息論和工程控制中，通常采用一些足以反映系統(tǒng)動態(tài)特性的函數(shù)，將系統(tǒng)的輸出與

22、輸入聯(lián)系起來。這些函數(shù)有特性的函數(shù)，將系統(tǒng)的輸出與輸入聯(lián)系起來。這些函數(shù)有傳遞函數(shù)、頻率響應函數(shù)和脈沖響應函數(shù)等等。傳遞函數(shù)、頻率響應函數(shù)和脈沖響應函數(shù)等等。2 2. .2 2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性2.2.1 2.2.1 傳感器的數(shù)學模型傳感器的數(shù)學模型利用拉氏變換，將微分方程轉(zhuǎn)換成為復數(shù)域的數(shù)學模型，利用拉氏變換，將微分方程轉(zhuǎn)換成為復數(shù)域的數(shù)學模型，輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比：輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比：01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm優(yōu)點：優(yōu)點：對對(S)=(S)(S)進行反變換，即可得到進行反變換，即

23、可得到Y(t)與與X(t) 關系。關系。(微分方程的拉氏微分方程的拉氏變換求解法變換求解法) Y( S )( anS n + an-1S n-1 + an-2S n-2 + a1S + a0 ) =X( S )( bmS m + bm-1S m-1 + bm-2S m-2 + b1S + b0 )2 2. .2 2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性2.2.2 2.2.2 傳感器的傳遞函數(shù)傳感器的傳遞函數(shù)01110111)()()()()()()()()(ajajajabjbjbjbjXjYjHnnnnmmmmH(j )-系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)，簡稱頻率響應或頻率特性。系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)，簡稱頻率響

24、應或頻率特性。通常通常(j)是個復數(shù)，可以用是個復數(shù)，可以用e指數(shù)的形式表示：指數(shù)的形式表示：傅立葉變換得到頻率響應函數(shù)：傅立葉變換得到頻率響應函數(shù)：jeAjXjYjH)()()()(2 2. .2 2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性2.2.3 2.2.3 傳感器的頻率響應函數(shù)傳感器的頻率響應函數(shù)2 2. .2 2 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性2.2.3 2.2.3 傳感器的頻率響應函數(shù)傳感器的頻率響應函數(shù)其中其中2I2Rj)()(|)(|)(HHHA稱為傳感器的稱為傳感器的，表示輸出與輸入幅值之比隨頻率，表示輸出與輸入幅值之比隨頻率的變化。的變化。 )()(tgarc)(RIHH稱為傳

25、感器的稱為傳感器的，表示輸出超前輸入的角度；，表示輸出超前輸入的角度；通常輸出總是滯后于輸入，故總是負值。通常輸出總是滯后于輸入，故總是負值。 )(A)( 傳感器的種類和形式很多，一般一個高階系統(tǒng)的傳感傳感器的種類和形式很多，一般一個高階系統(tǒng)的傳感器總可以看成是由若干個零階、器總可以看成是由若干個零階、 一階和二階系統(tǒng)組合而成一階和二階系統(tǒng)組合而成的的, , 既可以簡化為一階或二階系統(tǒng)。所以分析了一階和二既可以簡化為一階或二階系統(tǒng)。所以分析了一階和二階系統(tǒng)的動態(tài)特性，就可以對各種傳感器的動態(tài)特性有基階系統(tǒng)的動態(tài)特性，就可以對各種傳感器的動態(tài)特性有基本了解。研究動態(tài)特性可以從時域和頻域兩個方面采

26、用瞬本了解。研究動態(tài)特性可以從時域和頻域兩個方面采用瞬態(tài)響應法和頻率響應法來分析。態(tài)響應法和頻率響應法來分析。2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析傳感器對傳感器對的響應特性的響應特性, , 稱為頻率響應特性。稱為頻率響應特性。頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。特性。 零階系統(tǒng)零階系統(tǒng)：微分方程：微分方程：xbya0000/abSn靜態(tài)靈敏度系數(shù)靜態(tài)靈敏度系數(shù)幅頻特性：幅頻特性：nSA)(相頻特性：相頻特性：0)(2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.1 2.3.1 傳感器的頻率

27、響應傳感器的頻率響應特點：特點：a)屬于靜態(tài)環(huán)節(jié)；屬于靜態(tài)環(huán)節(jié)；b)輸出輸出 輸入，輸入，又稱：比例環(huán)又稱：比例環(huán)節(jié)；節(jié)； c)與時間無關，與頻率無關，無滯后，與時間無關，與頻率無關，無滯后，無慣性。屬于無慣性。屬于理想環(huán)節(jié)；理想環(huán)節(jié)；d)實際零階環(huán)節(jié)：緩慢變化，頻率較低實際零階環(huán)節(jié)：緩慢變化，頻率較低 。近似。近似零階環(huán)節(jié)。零階環(huán)節(jié)。實例：電位計式角位移傳感器實例：電位計式角位移傳感器KUUE180/0微分方程：微分方程：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：180/EUK UEU0零階系統(tǒng)零階系統(tǒng)：2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.1 2.3.1 傳感器的頻率響應傳

28、感器的頻率響應一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)：微分方程：微分方程：)()()(0001txabtydttdyaa01/aa時間常數(shù)：時間常數(shù)：1/00abSn幅頻特性：幅頻特性：傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：頻率特性：頻率特性：歸一化靈敏度：歸一化靈敏度：相頻特性：相頻特性：1111)(01ssaasH1)(1)(jjH2)(11)(A)arctan()(2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.1 2.3.1 傳感器的頻率響應傳感器的頻率響應一階傳感器的頻率特性如下圖所示一階傳感器的頻率特性如下圖所示A( )0.10.20.30.50.71.020.1 0.20.5 1.025100.1 0.

29、20.5 1.02510020406080() 當當1時，有時，有A() 1， () 0，表明傳感器的輸出與，表明傳感器的輸出與輸入呈線性關系，且相位差也很小；輸出能比較真實地反輸入呈線性關系，且相位差也很??；輸出能比較真實地反映輸入的變化。映輸入的變化。因此因此, 減小減小可改善傳感器的頻率特性。可改善傳感器的頻率特性。一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)：2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.1 2.3.1 傳感器的頻率響應傳感器的頻率響應2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.1 2.3.1 傳感器的頻率響應傳感器的頻率響應微分方程：微分方程：xbyadtd

30、yadxyda00122220/aan固有頻率固有頻率阻尼比阻尼比2012/aaa傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：頻率特性：頻率特性：二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)：2221)(nnsssHn2n2-11)(jjH2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.1 2.3.1 傳感器的頻率響應傳感器的頻率響應幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)：212n222n4-1)(A2nn-12arctan)(二階傳感器的幅頻特性和相頻特性曲線二階傳感器的幅頻特性和相頻特性曲線可見，傳感器的頻率響應特性好壞，主要取決于傳感器的可見，傳感器的頻率響應特性好壞，主要取決于傳感器的和和當當l， / n1時時

31、：A()l，幅頻特性平直，輸出與輸，幅頻特性平直，輸出與輸入為線性關系；入為線性關系；()很小，很小，()與與為線性關系。此時，系統(tǒng)的輸出為線性關系。此時，系統(tǒng)的輸出y(t)真實準確地再現(xiàn)輸入真實準確地再現(xiàn)輸入x(t)的波形，這是測試設備應有的性能。的波形，這是測試設備應有的性能。0.10.20.51.02510A()0.31.00.010.030.050.13510( )040801201600.10.20.51.025100.10.20.40.60.81.01.00.80.60.40.20.10.52 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.1 2.3.1 傳感器的頻率

32、響應傳感器的頻率響應二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)：結論：為了使測試結果能精確地再現(xiàn)被測信號的波形，結論：為了使測試結果能精確地再現(xiàn)被測信號的波形，在傳感器設計時，必須使其阻尼比在傳感器設計時，必須使其阻尼比0時時, x(t)=ssX1)(sssXsHsY111)()()(進行拉氏反變換，進行拉氏反變換， 得其單位階躍響應信號為得其單位階躍響應信號為 tety1)(輸入信號輸入信號x(t)的拉氏變換為的拉氏變換為 傳感器輸出的拉氏變換為傳感器輸出的拉氏變換為一階系統(tǒng)階系統(tǒng)：2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.2 2.3.2 傳感器的階躍響應傳感器的階躍響應由左圖可見由左圖可見,

33、一階傳感器系統(tǒng)一階傳感器系統(tǒng)存在慣性存在慣性, 它的它的輸出不能立即輸出不能立即復現(xiàn)輸入信號復現(xiàn)輸入信號, 而是從零開始而是從零開始, 按指數(shù)規(guī)律上升按指數(shù)規(guī)律上升, 最終達到穩(wěn)最終達到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應態(tài)值。理論上傳感器的響應只在只在t趨于無窮大時才達到穩(wěn)趨于無窮大時才達到穩(wěn)態(tài)值態(tài)值, 但實際上當?shù)珜嶋H上當t=4時其輸時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的出達到穩(wěn)態(tài)值的98.2%, 可以認為已達到穩(wěn)態(tài)可以認為已達到穩(wěn)態(tài)。越小越小, 響應響應曲線越接近于輸入階躍曲線曲線越接近于輸入階躍曲線, 因此因此, 是一階傳感器重要是一階傳感器重要的性能參數(shù)。的性能參數(shù)。一階系統(tǒng)階系統(tǒng)：2 2. .3 3 傳感器動

34、態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.2 2.3.2 傳感器的階躍響應傳感器的階躍響應2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.2 2.3.2 傳感器的階躍響應傳感器的階躍響應2222)(nnnsssH )2()(222nnnssssY 二階傳感器的傳遞函數(shù)二階傳感器的傳遞函數(shù)二階傳感器的單位階躍響應：二階傳感器的單位階躍響應：傳感器輸出的拉氏變換傳感器輸出的拉氏變換: : 二階傳感器對階躍信號的響應在很大程度上取決于阻尼二階傳感器對階躍信號的響應在很大程度上取決于阻尼比比和固有頻率和固有頻率n。固有頻率。固有頻率n由傳感器主要結構參數(shù)所由傳感器主要結構參數(shù)所決定決定, n

35、越高越高, 傳感器的響應越快。傳感器的響應越快。二階系統(tǒng)階系統(tǒng)：)sin(1/1)(22ttetydn左圖為二階傳感器的單位階躍響左圖為二階傳感器的單位階躍響應曲線。阻尼比應曲線。阻尼比直接影響超調(diào)量直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)。和振蕩次數(shù)。1, 過阻尼過阻尼, 無超調(diào)無超調(diào)也無振蕩也無振蕩, 達到穩(wěn)態(tài)時間較長。達到穩(wěn)態(tài)時間較長。=1時響應時間最短。時響應時間最短。1, 欠阻尼欠阻尼, 衰減振蕩衰減振蕩,達到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨達到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨的減小而變長。的減小而變長。=0,臨界阻尼臨界阻尼,超超調(diào)量為調(diào)量為100%,產(chǎn)生等幅振蕩產(chǎn)生等幅振蕩,達不達不2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器

36、動態(tài)特性分析2.3.2 2.3.2 傳感器的階躍響應傳感器的階躍響應二階系統(tǒng)階系統(tǒng)：到穩(wěn)態(tài)。但實際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整到穩(wěn)態(tài)。但實際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整最大超調(diào)量不超過最大超調(diào)量不超過2.5%-10%,允許動態(tài)誤差允許動態(tài)誤差2%-5%。2 2. .3 3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析2.3.2 2.3.2 傳感器的階躍響應傳感器的階躍響應時間常數(shù)時間常數(shù) ：系統(tǒng)輸出值上升系統(tǒng)輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值到穩(wěn)態(tài)值yc的的63.2%所需的時所需的時間；間；上升時間上升時間Tr：傳感器輸出傳感器輸出從穩(wěn)態(tài)值從穩(wěn)態(tài)值yc的的10%上升到上升到90%所需時間；所需時間；響應時間響應時間Ts：輸出輸出

37、值達到允許范圍值達到允許范圍%的所需時的所需時間；間；超調(diào)量超調(diào)量a1：響應曲線第一響應曲線第一次超過穩(wěn)態(tài)值次超過穩(wěn)態(tài)值yc的峰高：的峰高：ymax-yc；衰減率；衰減率 ：相鄰兩個波峰：相鄰兩個波峰階躍響應特性指標階躍響應特性指標：(或波谷或波谷)高度下降的百分數(shù)；高度下降的百分數(shù)；穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差ess：無限長時間后，無限長時間后，傳感器穩(wěn)態(tài)值與目標值偏差的相對誤差。傳感器穩(wěn)態(tài)值與目標值偏差的相對誤差。2 2. .4 4 傳感器的技術指標傳感器的技術指標基本參數(shù)指標基本參數(shù)指標環(huán)境參數(shù)指標環(huán)境參數(shù)指標可靠性指標可靠性指標其他指標其他指標量程指標：量程指標：量程范圍、量程范圍、過載能力等過載

38、能力等靈敏度指標：靈敏度指標：靈敏度靈敏度、分辨力、滿量程輸出、分辨力、滿量程輸出等等精度有關指標：精度有關指標：精度精度、誤差、線性、滯后、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、重復性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性穩(wěn)定性 動態(tài)性能指標：動態(tài)性能指標：固定固定頻率、阻尼比、時間常頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應范圍、頻數(shù)、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間等界速度、穩(wěn)定時間等溫度指標：溫度指標：工作溫工作溫度范圍、溫度誤差、度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等數(shù)、熱滯后等抗沖振指標：抗沖振指標：允許允許各向抗沖振的頻率各向抗沖振的頻率、振幅

39、及加速度、振幅及加速度、沖振所引入的誤差沖振所引入的誤差其他環(huán)境參數(shù)：其他環(huán)境參數(shù)：抗抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕潮濕、抗介質(zhì)腐蝕等能力、抗電磁場等能力、抗電磁場干擾能力等干擾能力等工作壽命、工作壽命、平均無故障平均無故障時間、保險時間、保險期、疲勞性期、疲勞性能、絕緣電能、絕緣電阻、耐壓及阻、耐壓及抗飛弧等抗飛弧等使用有關指標：使用有關指標：供電方式供電方式( (直流、直流、交流、頻率及波交流、頻率及波形等形等) )、功率、各、功率、各項分布參數(shù)值、項分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定電壓范圍與穩(wěn)定度等度等外形尺寸、重量外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結、殼體材質(zhì)、結構特點等構特點等安裝方式、饋線安裝方式、饋線電纜

40、等電纜等2 2. .5 5 提高傳感器性能的方法提高傳感器性能的方法合理選擇結構、材料和參數(shù)根據(jù)實際需要與可能，在設計、制造傳感器時合理選根據(jù)實際需要與可能，在設計、制造傳感器時合理選擇其結構、擇其結構、 材料和參數(shù)，以確保高的性能價格比材料和參數(shù)，以確保高的性能價格比.差動技術如第一傳感器輸出如第一傳感器輸出y1=a0+a1x+a2x2+a3x3；另一傳感器；另一傳感器 y2=a0-a1x+a2x2-a3x3；兩者相減兩者相減y=y1-y2=2(a1x+ a3x3+)?？傒敵鱿肆阄惠敵龊团即畏椒蔷€性項，減小非線性，總輸出消除了零位輸出和偶次方非線性項，減小非線性，靈敏度增加一倍，如靈敏度

41、增加一倍，如差動式電阻應變式、電感式、電容式差動式電阻應變式、電感式、電容式等。等。2 2. .5 5 提高傳感器性能的方法提高傳感器性能的方法補償與修正技術補償與修正技術的運用大致針對兩種情況：補償與修正技術的運用大致針對兩種情況： 針對傳感器本身特性：針對傳感器本身特性：對于對于傳感器特性傳感器特性，找出誤差，找出誤差的變化規(guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當?shù)姆椒拥淖兓?guī)律，或者測出其大小和方向，采用適當?shù)姆椒右匝a償或修正。以補償或修正。 針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境：針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境：針對針對傳感器工傳感器工作條件或外界環(huán)境作條件或外界環(huán)境進行誤差補償，也是提高傳感

42、器精度的進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現(xiàn)場不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補償措施。找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補償措施。平均技術在傳感器中普遍采用平均技術可產(chǎn)生在傳感器中普遍

43、采用平均技術可產(chǎn)生平均效應平均效應，其原，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差看作隨機誤差且服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總的誤差將減小為將減小為=/n式中：式中：n-傳感單元數(shù)?？梢姡趥鞲衅髦欣闷骄夹g不傳感單元數(shù)。可見，在傳感器中利用平均技術不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。靈敏度。2 2. .5

44、5 提高傳感器性能的方法提高傳感器性能的方法屏蔽、隔離與干擾抑制傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感分預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關性能。為了減小測量誤差，保證其原有器的精度與各有關性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其性能，就應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法有：減小傳感器對影響因素的靈敏度；降低外界因素方法有：減小傳感器對影響因素的靈敏度；降低外界因素對傳感器實際作用的程度。對于電磁干擾，可以采

45、用對傳感器實際作用的程度。對于電磁干擾，可以采用屏蔽屏蔽、隔離隔離措施，也可用措施，也可用濾波濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應的的隔離措施隔離措施，如，如隔熱、密封、隔振隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行量后對干擾信號進行分離或抑制分離或抑制，減小其影響。，減小其影響。2 2. .5 5 提高傳感器性能的方法提高傳感器性能的方法穩(wěn)定性處理造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是：隨著時間的推移和隨著時間的推

46、移和環(huán)境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將環(huán)境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。發(fā)生變化。傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場合。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措很難或無法定期標定的場合。提高傳感器性能的穩(wěn)定性措施：施：對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩(wěn)磁如永磁材料的時間老化、溫度老化、

47、機械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。在使用傳感器時，若測量處理、電氣元件的老化篩選等。在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關要求較高，必要時也應對附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關鍵元器件進行老化處理。鍵元器件進行老化處理。2 2. .5 5 提高傳感器性能的方法提高傳感器性能的方法標定是定量描述的誤差標定是定量描述的誤差,確定誤差確定誤差/確定特性的所有操作確定特性的所有操作的過程。的過程。傳感器的標定分為傳感器的標定分為:靜態(tài)標定靜態(tài)標定-線性度、靈敏度、線性度、靈敏度、滯后和重復性；滯后和重復性；動態(tài)標定動態(tài)標定-頻率響應、時間常數(shù)、固有頻頻率響應、

48、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比。率和阻尼比。儀表精度等級儀表精度等級(去掉儀表誤差的去掉儀表誤差的“ ”號和號和“%”)用戶用戶- - 廠家廠家-地區(qū)標準化地區(qū)標準化/ /計量機構計量機構-國家標準化國家標準化/ /計量機構計量機構( (計量局計量局) )( (第一環(huán)第一環(huán)) )( (第二環(huán)第二環(huán)) )( (第三環(huán)第三環(huán)) )最高標準最高標準/ /計量權威計量權威 a=0.005, 0.01, 0.02, 0.05；0.1, 0.2, ( 0.4), 0.5；1.0, 1.5, 2.5, (4.0)；等；等 級標準表級標準表 級標準表級標準表 工業(yè)用表工業(yè)用表2 2. .6 6 傳感器的標定傳感器

49、的標定 目的：目的：通過各種試驗建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關通過各種試驗建立傳感器的輸入量與輸出量之間的關系，確定傳感器在不同使用條件下的誤差關系。系，確定傳感器在不同使用條件下的誤差關系。方法：方法：利用一定等級的儀器及設備利用一定等級的儀器及設備( (如標準如標準壓力、加速度、位移等壓力、加速度、位移等) )作為作為，輸入至待標定的傳感，輸入至待標定的傳感器中，得到傳感器的輸出量；然后將傳感器的器中，得到傳感器的輸出量；然后將傳感器的與與作比較，從而得到一系列曲線作比較，從而得到一系列曲線( (稱為稱為標定曲線標定曲線) )；通過；通過對曲線的分析處理，得到其動靜態(tài)特性的過程。對曲線

50、的分析處理，得到其動靜態(tài)特性的過程。2 2. .6 6 傳感器的標定傳感器的標定標定內(nèi)容：標定內(nèi)容： 零點設置；零點設置； 量程與范圍；量程與范圍； 分辨力；分辨力； 非線性；非線性； 靈敏度；靈敏度； 頻率相應特性；頻率相應特性； 階躍與其他輸入的響應；階躍與其他輸入的響應； 外部環(huán)境外部環(huán)境(溫度、濕度、光照度、振動、磁場等溫度、濕度、光照度、振動、磁場等)的影響的影響.2 2. .6 6 傳感器的標定傳感器的標定A.靜態(tài)標準條件靜態(tài)標準條件無加速度、振動、沖擊、溫度無加速度、振動、沖擊、溫度205，溫度不大于溫度不大于85%，大氣壓，大氣壓1018Kpa。B. 標定儀器的精度等級至少要比

51、被標定儀器的精度等級至少要比被標定的傳感器精度高一個等級。標定的傳感器精度高一個等級。C.靜態(tài)特性標定方法靜態(tài)特性標定方法a.傳感器全量程分成等間距；傳感器全量程分成等間距；b.由由小到大逐漸輸入標準量值并記錄相對應的輸出值；小到大逐漸輸入標準量值并記錄相對應的輸出值；c.由大由大到小逐漸減少輸入值，記錄相對應的輸出值；到小逐漸減少輸入值，記錄相對應的輸出值；d.對傳感器對傳感器進行正、反行程往復循環(huán)，多次測試；進行正、反行程往復循環(huán)，多次測試；e.對數(shù)據(jù)進行處理，對數(shù)據(jù)進行處理，確定線性度、靈敏度、滯后和重復性。確定線性度、靈敏度、滯后和重復性。2 2. .6 6 傳感器的標定傳感器的標定2

52、.6.1 2.6.1 傳感器的靜態(tài)特性標定傳感器的靜態(tài)特性標定活塞壓力計標定壓力示意圖活塞壓力計標定壓力示意圖 壓力標定曲線壓力標定曲線2 2. .6 6 傳感器的標定傳感器的標定2.6.1 2.6.1 傳感器的靜態(tài)特性標定傳感器的靜態(tài)特性標定 某某測溫傳感器的測量范圍為測溫傳感器的測量范圍為01000，根據(jù)工藝，根據(jù)工藝要求要求，溫度指示值的誤差不允許超過，溫度指示值的誤差不允許超過 7，試問應如何，試問應如何選擇選擇傳感器傳感器的精度等級才能滿足以上要求的精度等級才能滿足以上要求?%7 . 0%100010007%100maxmax量程此精度介于此精度介于0.5級和級和1.0級之間，若選擇精度等級為級之間，若選擇精度等級為1.0級級的傳感器，其允許最大絕對誤差為的傳感器，其允許最大絕對誤差為 10，超過了工藝要，超過了工藝要求的允許誤差，故應選擇求的允許誤差，故應選擇0.5級的精度才能滿足工藝要求。級的精度才能滿足工藝要求。 解：根據(jù)工藝要求，傳感器的精度應滿足：解：根據(jù)工藝要求，傳感器的精度應滿足：2 2. .6 6 傳感器的標定傳感器的標定 標定數(shù)據(jù)表標定數(shù)據(jù)表 輸入