傳感器特性教學(xué)課件

第一章傳感器的一般特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性1.2第1章傳感器的一般特性傳感器的靜態(tài)特性1.11.2改善傳感器性能的技術(shù)途徑1.3傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)

1.4輸入信號(hào)有兩種形式：靜態(tài)信號(hào)（靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)—變化緩慢的量）動(dòng)態(tài)信號(hào)（快速變化的信號(hào)，周期或瞬變）傳感器輸入—輸出特性也有兩種：靜態(tài)特性——靜態(tài)輸入下輸入與輸出的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性——反映對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的響應(yīng)能力第1章傳感器的一般特性第1章傳感器的一般特性一、傳感器的靜態(tài)特性設(shè)x……穩(wěn)態(tài)輸入，y……對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸出第1章傳感器的一般特性

傳感器的靜態(tài)特性是指輸入信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值，輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)輸出與輸入之間的關(guān)系.…----是非線性項(xiàng)的系數(shù)----零位輸出----傳感器的靈敏度（線性靈敏度）常用k表示2.關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱在輸入X=0較大的范圍有較好的線性。3.

線性差，一般很少采用4.其余不為零1.理想線性關(guān)系討論：第1章傳感器的一般特性第1章傳感器的一般特性1.線性度（非線性誤差）

傳感器的理想輸入—輸出特性應(yīng)是線性的。第1章傳感器的一般特性傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性等。

線性度是以一定的擬合直線作基準(zhǔn)與校準(zhǔn)曲線作比較，其不一致的最大偏差與理論滿量程輸出值的百分比來進(jìn)行計(jì)算：式中：YFS＝y(tǒng)max－ymin——滿量程第1章傳感器的一般特性

對(duì)于非理想直線特性的傳感器，需要進(jìn)行非線性校正，常采用以下方法。第1章傳感器的一般特性

（1）端基法：實(shí)際特性上分別對(duì)應(yīng)于測(cè)量下限xmin和測(cè)量上限xmax的點(diǎn)A和B的連線稱端點(diǎn)擬合直線。特點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，但由于數(shù)據(jù)依據(jù)不充分，且計(jì)算的線性度值往往偏大，因此不能充分發(fā)揮傳感器的精度潛力。AB第1章傳感器的一般特性（2）最小二乘法

把所有校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)都標(biāo)在坐標(biāo)圖上，用最小二乘法擬合的直線y=a+kx，其校準(zhǔn)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的擬合直線的點(diǎn)之間的殘差平方和為最小。校準(zhǔn)點(diǎn)擬合直線第1章傳感器的一般特性

對(duì)k和a一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出a和k的表達(dá)式特點(diǎn)：擬合精度高，計(jì)算復(fù)雜。第1章傳感器的一般特性即得到k和b的表達(dá)式將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Δmax即為非線性誤差。優(yōu)點(diǎn)：

①消除偶次項(xiàng)使非線性誤差大大減?、陟`敏度提高一倍③消除了零點(diǎn)漂移(3)利用差動(dòng)測(cè)量方法改善線性度

利用兩個(gè)性能相同的傳感器進(jìn)行差動(dòng)測(cè)量。即一個(gè)傳感器感受正方向變化，一個(gè)感受負(fù)方向的變化：第1章傳感器的一般特性2．靈敏度

傳感器輸出變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為靜態(tài)靈敏度。

第1章傳感器的一般特性①線性傳感器校準(zhǔn)曲線的斜率就是靜態(tài)靈敏度②非線性傳感器靈敏度等于所對(duì)應(yīng)的最小二乘法擬合直線的斜率3．精確度（精度）精度指標(biāo)有三個(gè)：精密度、正確度、精確度第1章傳感器的一般特性（一）精密度δ

表示相同條件下對(duì)某一對(duì)象重復(fù)多次測(cè)量得到的測(cè)量結(jié)果的分散性，實(shí)際反映隨機(jī)誤差大小。（二）正確度ε

測(cè)量結(jié)果與真值的偏離程度。反映系統(tǒng)誤差（三）精確度τ

表示綜合誤差的大小，τ=δ+ε，常用相對(duì)誤

差表示（a）準(zhǔn)確度高而精密度低（b）準(zhǔn)確度低而精密度高（c）精確度高精度反映了測(cè)試系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合影響,在測(cè)量中我們希望得到精確度高的結(jié)果。

（四）精度等級(jí)----表示測(cè)量結(jié)果的可靠性規(guī)定條件下允許的最大絕對(duì)誤差滿量程值之比：如（0.001、0.005、0.02、0.05、…、1.5、2.5、4、…）第1章傳感器的一般特性4．遲滯

遲滯特性說明傳感器加載（輸入量增大）和卸載（輸入量減?。┹斎搿敵鎏匦郧€不重合的程度。

產(chǎn)生原因：傳感器機(jī)械部分存在摩擦、間隙、松動(dòng)、積塵等第1章傳感器的一般特性

重復(fù)性是指?jìng)鞲衅鬏斎氚赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。第1章傳感器的一般特性5．重復(fù)性重復(fù)性反應(yīng)隨機(jī)誤差的大小，重復(fù)性好并不代表測(cè)量精度高，但重復(fù)性差則測(cè)量精度肯定差。

最小檢測(cè)量是反映傳感器能確切反映被測(cè)量的最低極限量。

M—最小檢測(cè)量C—系數(shù)

N—噪聲電平K—傳感器的靈敏度此值愈小，表示探測(cè)微小信號(hào)的能力愈強(qiáng)，主要受噪聲的限制數(shù)字傳感器一般用分辨率為:最低一位數(shù)字所代表輸入量的大小。6、最小檢測(cè)量和分辨率第1章傳感器的一般特性指當(dāng)輸入恒為零，輸出初值為零時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間后，輸出偏離零點(diǎn)的值，用相對(duì)大小來表示：第1章傳感器的一般特性----最大零點(diǎn)偏差（這段時(shí)間內(nèi)）

造成零漂的因素可隨機(jī)因素的影響，也有材料性能變化。7、零點(diǎn)漂移零漂=指在輸入恒定的情況下，所有其它因素都保持不變時(shí)，由溫度變化引起的輸出值的偏離程度。用每℃的相對(duì)大小表示：----溫度變化范圍----輸出最大偏差溫漂=8、溫漂第1章傳感器的一般特性測(cè)量的目的:獲得被測(cè)量的真值。真值:在一定的時(shí)間和空間環(huán)境條件下，被測(cè)量本身所具有的真實(shí)數(shù)值。誤差公理：所有測(cè)量結(jié)果都帶有誤差誤差來源：儀器誤差、理論方法誤差、環(huán)境影響誤差等。測(cè)量的目標(biāo)：減小測(cè)量誤差，使測(cè)量結(jié)果盡可能接近真值。補(bǔ)充:測(cè)量誤差一、測(cè)量誤差的基本概念二、測(cè)量誤差的表示方法：1.絕對(duì)誤差ΔA=x-A0(ΔA具有符號(hào)和量綱)實(shí)際應(yīng)用中常用實(shí)際值（高一級(jí)以上的測(cè)量?jī)x器或計(jì)量器具測(cè)量所得之值）來代替真值（相對(duì)真值A(chǔ)0)。

測(cè)量精度不僅與它的絕對(duì)誤差的大小，而且與這個(gè)量本身的大小有關(guān)。例如：如何比較測(cè)量長(zhǎng)度為10m和1m（絕對(duì)誤差為1cm）的測(cè)量精度？補(bǔ)充:測(cè)量誤差補(bǔ)充:測(cè)量誤差補(bǔ)充:測(cè)量誤差補(bǔ)充:測(cè)量誤差補(bǔ)充:測(cè)量誤差補(bǔ)充:測(cè)量誤差補(bǔ)充:測(cè)量誤差傳感器的動(dòng)態(tài)特性不僅取決于其的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而且與輸入信號(hào)有關(guān)。研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性實(shí)質(zhì)就是建立輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)三者之間的關(guān)系——數(shù)學(xué)建模。二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性1）微分方程2）傳遞函數(shù)3）頻率響應(yīng)函數(shù)4）階躍響應(yīng)函數(shù)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述：第1章傳感器的一般特性

微分方程是最基本的數(shù)學(xué)模型，求解微分方程，就可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)和復(fù)雜的測(cè)試信號(hào)，求解微分方程比較困難，甚至成為不可能。為此，根據(jù)數(shù)學(xué)理論，不求解微分方程，而應(yīng)用拉普拉斯變換求出傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等來描述動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述1）線性微分方程:第1章傳感器的一般特性

系統(tǒng)的初始條件為零時(shí)，輸出y(t)的拉氏變換Y(s)和輸入x(t)的拉氏變換X(s)之比稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，記為H(s)。2）傳遞函數(shù)定義：

當(dāng)系統(tǒng)的初始條件為零時(shí)，對(duì)微分方程進(jìn)行拉氏變換，可得:則傳遞函數(shù)第1章傳感器的一般特性H(s)與輸入信號(hào)x(t)及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性完全由H(s)

決定。H(s)只反映系統(tǒng)傳輸特性，而和系統(tǒng)具體物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。即同一形式的傳遞函數(shù)可表征具有相同傳輸特性的不同物理系統(tǒng)。H(s)的分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（分母中s的冪次n代表系統(tǒng)微分方程的階數(shù)），分子則和系統(tǒng)與外界之間的關(guān)系，如輸入（激勵(lì)）點(diǎn)的位置、輸入方式、被測(cè)量及測(cè)點(diǎn)布置情況有關(guān)。傳遞函數(shù)與微分方程完全等價(jià)，可以相互轉(zhuǎn)化。傳遞函數(shù)的特點(diǎn)：第1章傳感器的一般特性

H(s)是在復(fù)頻域中表達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而微分方程則是在時(shí)域表達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而且這兩種動(dòng)態(tài)特性的表達(dá)形式對(duì)于任何輸入信號(hào)形式都適用。當(dāng)n=1----一階傳感器的傳遞函數(shù)當(dāng)n=2----二階傳感器的傳遞函數(shù)當(dāng)n≥3----高階傳感器的傳遞函數(shù)當(dāng)n=0----零階傳感器的傳遞函數(shù)第1章傳感器的一般特性第1章傳感器的一般特性第1章傳感器的一般特性常用動(dòng)態(tài)測(cè)試輸入信號(hào)有：?jiǎn)挝粵_擊信號(hào)；單位階躍信號(hào)；單位斜坡信號(hào)；單位正弦信號(hào)。傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)1.零階傳感器的階躍響應(yīng):階躍響應(yīng)與輸入成正比。

y(t)=kx(t)第1章傳感器的一般特性2.一階傳感器的階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型為：求解得：曲線是指數(shù)上升的，當(dāng)時(shí)一般認(rèn)為，時(shí)，y可達(dá)到穩(wěn)定值，即y=k顯然τ越小,動(dòng)態(tài)特性越好第1章傳感器的一般特性第1章傳感器的一般特性3.二階傳感器的階躍響應(yīng)數(shù)學(xué)模型為：動(dòng)態(tài)特征量：按阻尼比不同，階躍響應(yīng)可分為三種情況：第1章傳感器的一般特性③適當(dāng)?shù)倪^沖，可加快上升的時(shí)間，通常取ζ=0.7

兼過沖量小，上升時(shí)間短。比較以上幾種情況可知：①當(dāng)ζ＜1，即久阻尼時(shí)，階躍響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生過沖。②阻尼ζ愈大（＞1時(shí)），上升時(shí)間愈長(zhǎng)，達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間愈長(zhǎng)。第1章傳感器的一般特性

在研究傳感器時(shí)域動(dòng)態(tài)特性時(shí)，為表征傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用上升時(shí)間trs、響應(yīng)時(shí)間tst、過調(diào)量c等參數(shù)來綜合描述。上升時(shí)間trs─

輸出指示值從最終穩(wěn)定值的5％或10％變到最終穩(wěn)定值的95％或90％所需的時(shí)間；響應(yīng)時(shí)間tst─

從輸入量開始起作用到輸出指示值進(jìn)入穩(wěn)定值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。最終穩(wěn)定值的允許范圍常取所允許的測(cè)量誤差值z(mì)r，如tst=5S(±2%)；過調(diào)量c─

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。

二階傳感器階躍響應(yīng)的典型指標(biāo)第1章傳感器的一般特性Ⅰ.結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇

Ⅱ.差動(dòng)技術(shù)

Ⅲ.平均技術(shù)

Ⅳ.穩(wěn)定性處理

Ⅴ.屏蔽、隔離與干擾抑制

Ⅶ.零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)

Ⅷ.補(bǔ)償與校正

Ⅸ.集成化、智能化與信息融合第1章傳感器的一般特性第三節(jié)改善傳感器性能的技術(shù)途徑任何一種傳感器在裝配完后都必須按設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的性能鑒定。使用一段時(shí)間后（中國計(jì)量法規(guī)定一般為一年）或經(jīng)過修理，也必須對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，以便確保傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求。傳感器標(biāo)定就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確立器輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)的用途輸入可以是靜態(tài)的也可以是動(dòng)態(tài)的。因此傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定二種。第四節(jié)傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)

第1章傳感器的一般特性傳感器的靜態(tài)特性標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定:在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，用實(shí)驗(yàn)方法求傳感器的靜態(tài)特性曲線的過程。傳感器本身存在某些隨機(jī)因素時(shí)，可在相同條件下進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，求同一輸入條件下的平均值，作靜態(tài)特性曲線。有回差的測(cè)試裝置，正行程和反行程組成一個(gè)循環(huán)。相同條件下多次循環(huán)測(cè)量，求出平均值，得到正反行程的靜態(tài)特性曲線。第1章傳感器的一般特性求作擬合直線，