传感器原理及应用第2章 .ppt

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1、第二章传感器特性2.1传感器的静态特性2.2传感器的动态特性2.3传感器的定标与校准2传感器的特性主要是指传感器输出与输入之间的关系。描述方法：特性方程和特性指标特性数学方程：理论上可以用微分方程来描述传感器输入输出之间的关系。特性指标：在工程应用中，任何测量装置性能的优劣总要以一系列的指标参数衡量。这些指标称之为特性指标。它通常根据输入(传感器所测量的量)的性质来决定采用何种指标体系来描述。当被测量(输入量)为常量，或变化极慢时，一般采用静态指标体系，其输入与输出的关系为静态特性；当被测量(输入量)随时间较快地变化时，则采用动态指标体系，其输入与输出的关系为动态特性。§2.1传感器的基本

2、特性传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项系数取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。§2.1传感器的基本特性快变信号考虑输出的动态特性,即随时间变化的特性；慢变信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。冲击与振动传感器输入与输出相互作用稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响输出取决于传感器本身，通过传感器本身的改善来加以抑制，也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标§2.1传感器的基本特性静态特性曲线可实际测量。在测得特性曲线之后，可以说问题已

3、经解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望是线性关系。一、传感器的静态特性传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，静态特性数学模型可用下列多项式代数方程表示：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。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn§2.1传感器的基本特性一、传感器的静态特性1、线性度§2.1传感器的基本特性线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。Δymax最大非线性误差；yFS为满量程输出。在非线性误差不太大的情况下，总是采用直

4、线拟合的办法来线性化。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性度。通常用相对误差表示：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。拟合方法：①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；一、传感器的静态特性1、线性度§2.1传感器的基本特性a)理论拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合直线拟合方法一、传感器的静态特性1、线性度§2.1传感器的基本特

5、性①理论拟合拟合直线为传感器的理论特性直线，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说较大。以0作为起始点，满量程输出为终止点。xyΔymaxXmax②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。方法：以输出曲线的零点输出和满量程输出值连接成拟合直线。xy③端点连线平移拟合(独立线性度)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方法：做两条与端基直线平行的直线，使之恰好包围所有的标定点，以与两直线等距离的直线作为拟合直线。yxΔymaxΔy1Δy30yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法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

6、Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式。设拟合直线方程：④最小二乘法拟合即得到k和b的表达式为系数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值Lmax即为非线性误差。最小二乘法拟合一、传感器的静态特性1、线性度最小二乘法拟合各种直线拟合方法的特点一、传感器的静态特性1、线性度§2.1传感器的基本特性0yx⊿HmaxyFS迟滞特性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。传感器在

7、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。迟滞特性一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示一、传感器的静态特性2、迟滞§2.1传感器的基本特性式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。△Rmax1正行程的最大重复性偏差△Rmax2反行程的最大重复性偏差yx0⊿Rmax2⊿Rmax1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。重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动