传感器与检测技术第01章

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1、第一章传感器的特性传感器的特性是指传感器所特有性质的总称；传感器的基本特性是指传感器的输出--输入特性；静态特性是指当被测量(输入量)为常量或变化极慢时传感器的输出--输入特性；动态特性是指当被测量(输入量)随时间较快地变化时传感器的输出--输入特性。1.1传感器的静态特性2传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，其主要指标：线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、静态误差、多种抗干扰能力等。3式中：a0——输入量x为零时的输出量；a1——传感器的灵敏度，常用K表示

2、。a2，…，an——非线性项系数。各项系数决定了特性曲线的具体形式。传感器的输出与输入关系：对静态特性而言，传感器的输入量x与输出量y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示：（忽略迟滞、蠕变等因素）y=a0+a1x+a2x2+…+anxn4种典型情况a理想线性bx奇次项的非线性cx偶次项的非线性dx奇、偶次项的非线性y=a1xy=a1x+a3x3+…y=a1x+a2x2+a4x4…y=a1x+a2x2+…+anxn1、线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。理想情况——线性，实际情况——非线性。在实际使用中处理办法：①引入各种非线性补偿环节

3、，②计算机软件进行线性化处理。③直线拟合：用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。传感器的线性度是指在全量程范围内校准曲线与拟合直线之间的最大偏差值。线性度也称为非线性误差，通常用相对误差来表示，即：式中：Δymax——最大非线性绝对误差；yFS——满量程输出值。拟合直线校准曲线直线拟合线性化出发点获得最小的非线性误差拟合方法：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合；④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合①理论拟合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，但一般说较大x

4、yΔymax②过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使xyΔy2Δy1③端点连线拟合（端基法）把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xy④端点连线平移拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原先的一半yxΔymaxΔy1设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法⑤最小二乘拟法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即Δi=yi-(kxi+b)对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式即得到k和b的表达式将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大

5、值Lmax即为非线性误差。2．迟滞0yx⊿HmaxyFS式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，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。定义：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现象称为迟滞。(2)迟滞误差:又称回程误差(回差)，一般以满量程输出的百分数表示,即3重复性（不重复性）yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。重复性误差也常用绝对误

6、差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，…，yin，算出最大值与最小值之差或3σ（标准误差或均方根误差）作为重复性偏差ΔRi，在几个ΔRi中取出最大值ΔRmax作为重复性误差。△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。4．灵敏度与灵敏度误差γs=(Δk/k)×100%由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。传感器输出的变

7、化量y与引起该变化量的输入变化量x之比即为其静态灵敏度，其表达式为分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。5．分辨力（率）与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。6．稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长