传感器的一般特性分析

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1、第2章传感器的一般特性2.1概述2.2传感器的静态特性2.3传感器的动态特性数学模型基本特性指标根据被测输入量静态特性（稳态或准静态）动态特性（周期变化或瞬态）静态特性指标动态特性指标静态数学模型动态数学模型传感器要将各种信息量变换为电量，描述这种变换的输入与输出的关系表达了传感器的基本特性。描述传感器基本特性的方法：2.1概述静态特性：指在静态信号的作用下，描述传感器的输入、输出之间的一种关系。2.2传感器的静态特性一、传感器的静态模型条件：不考虑传感器滞后、蠕变情况下x—输入量；y—输出量；a0—零位输出；a1—传感器的线性灵敏度：K、S；a2……an—非线性项待定常数。传感器静态模

2、型的几个特例(a0=0)yxcyxbyxa迟滞线性度灵敏度重复性分辨力精度稳定性漂移阈值二、传感器的静态特性指标(1)迟滞（回差滞环）现象：传感器的滞回误差1.迟滞现象和回差EH如图，对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应于某一输出量为yi，在x连续减小的过程中，对应于输出量为yd，yi和yd二者不相等，这种现象称为迟滞现象。(2)滞环误差：(3)迟滞大小通常由实验确定，最大滞环率（回差EH）：迟滞特性能表明传感器在正向输入量增大行程和反向输入量减小行程期间，输入输出特性曲线不重合的程度。正反行程输出值间的最大差值。传感器实际的输出—输入关系曲线偏离拟合直线的程度，称为传感

3、器的线性度或非线性误差。输出-输入实际曲线与拟合直线之间的最大偏差输出满量程值eL=±△maxYFS×100%传感器的线性度2.线性度eL（非线性误差）拟合直线：在输入量变化允许的范围内，可以用满足一定条件的直线来近似地代表实际曲线或其一段，该直线即称为“拟合直线”（工作曲线）。工作曲线的拟合方法有多种。选定的工作曲线不同，线性度亦不相同。选定工作曲线的原则是（保证最可能小的线性误差,计算与使用方便）。我们最常采用的是最小二乘法进行曲线拟合。1.2传感器的一般特性过零旋转拟合端点连线拟合端点平移拟合几种直线拟合方法理论拟合最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小例：用最小二乘法求拟合直线。

4、分别对k和b求一阶导数，并令其=0，设拟合直线残差可求出b和k例：有一压力传感器，校验数据如表1所示，求迟滞误差、最小二乘法拟合直线方程及线性度。表1压力传感器校验数据及数据处理表迟滞误差数据正行程输出平均值0.00270.20180.40080.60000.79950.9995反行程输出平均值0.00350.20270.40200.60120.80050.9995滞环误差0.00080.00090.00120.00120.00100.0000求迟滞误差：解为了求最小二乘法拟合直线方程，就是要确定方程系数b和K。为此，首先对三次正、反行程校验输出值平均，计入表中。校验数据点数n=6，并根

5、据前面计算公式，列表求出:由此可得K=0.3987V/MPa，b=0.0028V，则直线方程为y=0.3987x+0.0028(V)再将各校验点的输入值代入直线方程即可得到理论拟合直线上对应点的输出值yi，计入表中。由此可得实验曲线与拟合直线间各校验点的非线性误差i=yiyi。最大非线性误差max=0.0005MPa，所以非线性误差为求解线性度重复性表示传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时所得特性曲线的不一致程度。yx0max2max1(2)按相同输入条件多次测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小；(3)传感器重复性误差与迟滞现象相同，主要由传感器

6、机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生。3.重复性Ez(4)不重复性误差一般属于随机误差的性质—置信系数(2~3)可用标准偏差表示如标准偏差服从高斯(正态)分布，标准偏差可按贝塞尔公式计算：稳态下传感器的输出增量与输入增量的比值。即？纯线性传感器与非线性传感器的灵敏度有何区别传感器灵敏度4.灵敏度Sn（或K）5.分辨力（△xmin）在规定的测量范围内，传感器所能检测出最小输入变化量。分辨率用相对于输入满量程的相对值表示。即△xminxFS×100%xFS——输入量的满量程值6.漂移传感器在外界的干扰下，输出量发生了与输入量无关的变化。主要有“零点漂

7、移”和“灵敏度漂移”，这两种漂移又可分为“时间漂移”和“温度漂移”。7.静态误差（精度）(1)将非线性、滞后、重复性误差几何、代数法综合偏大(2)将全部校准数据相对于拟合直线求标准偏差偏小(3)将非线性、迟滞视为系统误差，重复性视为随机误差提高传感器性能的技术途径:通常，由单一敏感元件与单一变送器组成的传感器，其输出-输入特性较差，如果采用差动、对称结构和差动电路（如电桥）相结合的差动技术，可以达到消除零位值、减小非线性、提高灵敏度