传感器与检测技术教学课件作者赵勇第1章节传感器基本特性课件

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1、第1章传感器基本特性Contents传感器的静态特性1传感器的动态特性23传感器的静态特性1.1.1线性度和非线性误差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。从传感器的性能看，希望具有线性关系，但实际遇到的传感器大多为非线性，这时传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示——输出量；——输入量；——零点输出；——理论灵敏度；——非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式不同。传感器的静态特性1.1.1线性度和非线性误差在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线

2、性度，通常用相对误差来表示，即——最大非线性误差；——满量程输出。由此可见，非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。传感器的静态特性常用拟合方法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最小包容拟合等。(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合传感器的静态特性最小二乘拟合方法设拟合直线方程为若实际校准测试点有n个，则第

3、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，即也就是使对k和b一阶偏导数等于零，即（1-3）（1-4）传感器的静态特性在获得k和b之值后入式（1-3）即可得到拟合直线，然后按式（1-4）求出残差的最大值即为非线性误差。从而求出k和b的表达式为传感器的静态特性1.1.2迟滞（回差）由于传感器的机械部分存在磨擦和间隙、敏感元件结构材料的缺陷，传感器内部具有弹性元件、电感、电容等储能元件，在输入量作满量程变化时，对于同一输入量，传感器的正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出－输入曲线的不重合程度

4、的指标叫做迟滞。通常用正反行程输出的最大差值计算，并以相对值表示。迟滞特性如图所示。H为最大迟滞量A为输出最大幅值迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表于。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。迟滞的影响因素包括传感器机械结构中的摩擦、游隙、各结构材料受力变形的滞后现象等。传感器的静态特性1.1.3重复性传感器的重复性是其偶然误差的极限值。传感器在某校准点处的重复性可计算为在该校准点处的一组测量值的样本标准偏差在一定置信度下的极限值，并以其满量程输出

5、的百分比来表示，而传感器的重复性则取为各校准点处重复性的最大者。计算公式如下：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，如图所示。各条特性曲线越靠近，重复性越好。——包含因子，——最大的样本标准偏差，可从m个校准点的2m个标准偏差估值S中选取最大者。传感器的静态特性1.1.4灵敏度和灵敏度误差这里所说的输入量的变化必须很慢且不致引起输出量的动态响应。如果有动态响应则必须采用达到稳态后的输出量。传感器在第i个测量点处的灵敏度可用下式计算传感器的灵敏度是输出变化量与相应的输入变化量之比，或者说是单位输入下所得

6、到的输出。—在第i个测量点上传感器的输入变化量；——在第i个测量点上由引起的传感器的输出变化量。传感器的静态特性线性传感器的灵敏度为一常数，计算公式为灵敏度是一个有量纲的量，其量纲取决于传感器输出量的量纲和输入量的量纲之比。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，应以dy/dx表示。由于某种误差，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传感器的静态特性1.1.5测量范围和量程传感器所能测量的最大被测量（即输入量）的数值称为测量上限，最小被测量则称为测量下限。用测量下限和测量上限表示的测量

7、区间则称为测量范围，简称范围。测量范围有单向的（只有正向或负向）、双向对称的、双向不对称的和无零值的。测量上限和测量下限的代数差为量程。量程的计算公式为——测量范围的上限值；——测量范围的下限值。满量程输出又称校准满量程输出，为工作特性所决定的最大输出和最小输出的代数差。满量程输出的计算公式为——工作特性所决定的最小输出值。——工作特性所决定的最大输出值；传感器的静态特性1.1.6分辨力和阈值——在第i个测量点上能产生可观测输出变化的最小输入变化量；——在整个量程内取最大的分辩力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化

8、量。有时用该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。计算公式如下传感器的静态特性1.1.7稳定性和零漂、温漂稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其原性能的能力。漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在