传感器技术-第一章-传感器技术基础

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1、第1章传感器技术基础重点:传感器的静态性能指标1.理想传感器应具有的特点1）传感器只敏感特定输入量，输出只对应特定输入；2）传感器的输出量与输入量呈惟一、稳定的对应关系，最好为线性关系；3）传感器的输出量可实时反映输入量的变化。实际中，传感器在特定的、具体的环境中使用，其结构、元器件、电路系统以及各种环境因素均可能影响传感器的整体性能。影响传感器性能的因素1.1传感器的一般数学模型模型：表示传感器的输入-输出关系及特性；传感器用来检测静态量——静态模型；检测动态量——动态模型。1.1.1静态模型在静态条件下(即输入量x对时间的各阶导数为零)得到的传感器数学模型。

2、该数学模型一般表达式为：输出量输入量零点输出理论灵敏度非线性项系数该特性方程与时间无关数学模型通常存在四种情况，如下图。（表示输入和输出之间关系的曲线称为特性曲线）希望传感器的输出与输入：①具有确定的对应关系，②呈线性关系且特性曲线过零点，如(a)图。1.1.2动态模型动态特性是考察传感器的输出及时反映输入量随时间变化的能力。传感器静态特性好，并不一定能很好地反映输入量随时间变化尤其是快速变化的状况，可能因此而存在严重的动态误差。在一定的量程范围和精度条件下，忽略传感器的非线性和随机变化等复杂因素，将传感器视为线性定常系统。传感器动态分析常用的数学模型有时域的微

3、分方程和对应频域的传递函数、频率响应函数以及状态方程等。1、微分方程2、传递函数1.2传感器的特性和指标1.2.1传感器的静态特性静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。（考虑非线性和随机因素的影响）1、线性度(非线性)表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线(工作直线)之间的吻合(或偏离)程度的指标。最大非线性误差(各输出平均值与拟合直线间的最大偏差)满量程输出（亦即测量范围）对于同一个传感器的同一条校准曲线，若选定的拟合直线不同，则计算得到的线性度值也会不同。拟合直线的确定原则：(1)使非线性误差尽可能小；(2)使用和计算方

4、便；常用的拟合方法有四种：(1)理论直线法，拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但最大非线性误差一般都较大(2)端点直线法，把输出曲线两端点的连线作为拟合直线(3)“最佳直线”法，保证传感器正反行程校准曲线对拟合直线的正、负偏差相等且为最小。拟合精度高。(4)最小二乘法。拟合精度高，但校准曲线相对于拟合直线的最大偏差绝对值不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。2、回差(迟滞)传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。—正反行程间输入量相同时，输出的最大差值。回程误差，常用绝对误差表示检测回程误差时

5、，可选择几个测试点。对应于同一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。迟滞特性xΔHmaxY3、重复性传感器在同一工作条件下，输入按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线不一致的程度。重复性反映的是校准数据的离散程度，即随机误差。重复特性xΔRmax1ΔRmax2y上一页下一页返回4、灵敏度传感器输出量增量与输入量增量之比即为其静态灵敏度。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率：非线性传感器的灵敏度不是常数，以表示上一页下一页返回用以表征传感器对输入量变化的反应能力。灵敏度的表达常包含电源电压因素，例如100(mv/mm.v)(a)

6、线性传感器(b)非线性传感器传感器的灵敏度5.分辨力传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。若用该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。6.阈值能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量（即零位附近的分辨力）7．量程又称“满度值”，表征传感器、检测系统能够承受最大输入量的能力，其数值是测量系统示值范围上、下限之差的模。当输入量在量程范围以内时，测量系统正常工作，并保证预定的性能。8．零位当输入量为零时，系统的输出量不为零的数值。零位值应从测量结果中设法消除。9.稳定性传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。10.漂移在一定时间内，传

7、感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。包括零点漂移和灵敏度漂移。又可分为时漂和温漂。11.静态误差(精度)评价传感器静态性能的综合性指标。指传感器在满量程范围内任一点输出值相对其理论值的可能偏离程度。表示测量值的不确定度。非线性误差、回差、重复性误差的合成。小结基本功能特性---决定系统的工作能力精度特性---决定系统在什么程度上能完成所要作的测量衡量传感器基本功能特性的指标--量程（测量范围）、灵敏度、分辨力（率）、动态范围（跨度与绝对分辨力之比）；精度特性指标--线性度、重复性、迟滞、死区、漂移、稳定性、精确度。2.3.2动态特性*1．传感器动态

8、分析的特殊性*测试动态被