传感器课件1章d.ppt

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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1.1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。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动态模型考察传感器的输出及时反映输入量随时间

2、变化的能力。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。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

3、的确定原则：(1)使非线性误差尽可能小；(2)使用和计算方便；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

4、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，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xΔHmaxY上一页下一页返回3、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

5、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)线性传感器(b)非线性传感器传感器的灵敏度上一页下一页返回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.稳定性传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。8.漂移在一定时间内，传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。9.静态误差(精度)评价传感器静态性能的综合性指标。

6、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。1.2.2传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。理想情况下，输入信号和输出信号具有相同的时间函数。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。时域：瞬态响应法频域：频率响应法上一页下一页返回1.瞬态响应特性在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。理

7、想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。上一页下一页返回⑴一阶传感器的单位阶跃响应设x(t)、y(t)分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数，则一阶传感器的传递函数为式中τ——时间常数；K——静态灵敏度。由于在线性传感器中灵敏度K为常数，在动态特性分析中，K只起着使输出量增加K倍的作用。讨论时采用K=1。上一页下一页返回对于初始状态为零的传感器，当输入为单位阶跃信号时，X(s)=1/s,传感器输出的拉氏变换为则一阶传感器的单位阶跃响应为一阶传感器的时间常数

8、τ越小越好上一页下一页返回⑵二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的传