第二章传感器的一般特性

第二章

传感器的一般特性

绪论2.1 传感器的静态特性 2.2 传感器的动态特性 2.3 传感器的动态特性分析 2.4 传感器技术指标

2.5 提高传感器性能的方法2.6 传感器的标定

绪论传感器的一般特性-----传感器的输入与输出间 的关系特性 稳态(静态或准静态):信号不随时间变化或

缓慢变化。动态(周期或瞬态变化):信号随时间变化而变化。

传感器输入与输出之间作用中的误差因素取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以 抑制，有时也可以对外界条件加以限制。

外界影响冲击与振动 电磁场 温度 供电

输入

传感器

输出

线性 滞后 重复性 灵敏度 衡量传感器特性 的主要技术指标

各种干扰稳定性 温漂 稳定性(零漂) 分辨力

误差因素

绪论2.1 传感器的静态特性※ 2.2 传感器的动态特性 2.3 传感器的动态特性分析 2.4 传感器技术指标

2.5 提高传感器性能的方法2.6 传感器的标定

2.1 传感器的静态特性2.1.1 静态模型 2.1.2 线性度2.1.3 灵敏度 2.1. 4 迟滞 2.1.5 重复性 2.1.6 分辨率 2.1. 7 长期稳定性 2.1.8 温度稳定性 2.1.9 抗干扰稳定性 2.1.10 阈值 2.1.11 总精度

2.1 传感器的静态特性

1

静态特性：传感器在被测量处于稳定状态时的输入Y 输 出X之间的关系

2.1.1 静态模型:静态特性可用下列多项式代数方程表示

y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn式中：y—输出量； x—输入量； a0—零点输出； a1—理论灵敏度； a2、a3、 … 、 an—非线性项系数 特例：1),2),3)图示例

2.1 传感器的静态特性21)理想 a0= a2 …… an =0 特点：完全线性化

y =a1x

2)仅有偶次非线性项 特点：无对称性，线性范 围窄。

y = a1x + a2x2 + a4x 4+ ┅

线性范围较窄

3)仅有奇次非线性项 特点：有对称性，线性范 围宽。易补偿。 y(x) = -y(-x)

y = a1x + a3x3 + a5x5 + ┅

线性范围较宽

2.1 传感器的静态特性3可以考虑消除传感器中电气元件的偶次分量来改善线性范 围，常用的方法就是使电气元件对称排列，形成差动工作 方式，如差动式 ***传感器一边输出 y1=a1x+a2x2 +a3x3 ---+anxn ***另一边反向输出 y2=-a1x+a2x2 -a3x3 –(-1)naxn y = y1 - y2 =2( a1x+ a3x3 + a5x5 +-- ) 由上式可使差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善， 灵敏度提高一倍。

举例:差动电阻

举例:差动电阻

A R-ΔR +ΔRT R+ΔR +ΔRT

I

B

R-ΔR +ΔRTR+ΔR +ΔRT

D

E

C USC

2.1 传感器的静态特性42.1.2 线性度 EL( non-linearity )传感器的静态模型常为多项式 y = a0+a1x + a2x2 + a3x3 + ┅ 在经过零点校正后(即a0 = 0)y = a1x + a2x2 + a3x3 + ┅实际的输出 — 输入曲线与拟合曲线(工作曲线，一般为直线)间必有偏差， 其最大偏差的相对值 EL 即为线性度。yy y

y

FS

y FS

y FS

最大偏差

EL=

△max

YFS

×100%

max

max xm x xm x

max xm x

输出满量程值

FS-Full Scale

图 0-6 传感器的线性度

测量范围与量程YFS 测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值(Xmax) 测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值 测量范围：-50~150,0~50,-50~

。

(Xmin) 。

50,20~100 +1000c

量程：测量上限和测量下限的代数差。

量程= Xmax- Xmin量程=100-(-50)=150

-500c

2.1 传感器的静态特性5获取拟合直线方法：(a) 端点连线法： 算法： 特点： 检测系统输入输出曲线的两端点连线 简单、方便，偏差大，与测量值有关yΔ Δ

yΔ

x

(b) 最佳直线法： 算法：使得正负行程的非线性偏差相等且最小 特点：精度最高，计算法(迭代、逐次逼近) 简单实用，三点作图法(两高一低/两低一高) (c) 最小二乘法： 算法：

x

计算：有n个测量数据: (x1,y1), (x2,y2), … , (xn,yn), (n>2) 残差： i = yi – (a + b xi) 残差平方和最小： 2i=minb n xi yi xi yi n x ( xi )2 i 2

特点：精度高

a

2 x i yi xi xi yi

n xi2 ( xi )2

非线性原因：外界干扰温 度 湿 度 压 力 冲 击 振 动 电 磁 场 场

输入 x

传 感 器

输入 y = f(x)

摩 擦

间 隙

松 动

迟 蠕 滞 变

变 老 形 化

误差因素

2.1 传感器的静态特性62.1.3 灵敏度 Sn (或 K) ( sensitivity )Sn 的定义是输出增量与输入增量的比值。即

y Sn x① 纯线性传感器灵敏 度为常数：S n=a 1。 ② 非线性传感器灵敏 度S n与x有关。

y

y

y Sn x y x

dy Sn i dxx灵敏度

x xi

xi

x