《传感器与检测技术的理论基础ppt电子课件教案-第2章 传感器的基本特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术的理论基础ppt电子课件教案-第2章 传感器的基本特性（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性主要内容主要内容 2.1 传感器静态特性 2.2 传感器动态特性中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性概概 述：述：qq 传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种 变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。 对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信 号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感号与慢变信号，由于受传感器
2、内部储能元件（电感 、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同 。 快变快变 信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性； 慢变慢变 信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性 当输入量（当输入量（X X）为静态（常量）或变化缓慢的信）为静态（常量）或变化缓慢的信 号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特号时（如温度、压力），讨论传感器的静
3、态特 性，输入输出关系称性，输入输出关系称静态特性静态特性。 静态特性可以用函数式表示为静态特性可以用函数式表示为 静态特性包括：静态特性包括： 线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性 中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性1 1、线性度线性度 vv 传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性其中：其中： X X 输入量，输入量， Y Y 输出量；输出量； a a0 0 x = 0 x = 0 时的输出值时的输出值
4、a a1 1 理想灵敏度理想灵敏度 a a2, 2, a a3 3a an n 非线性项系数非线性项系数 中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性 vv 传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差 表示：表示： 最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差 满量程输出满量程输出 线性度线性度 YXYiXiLmaxY=kx+b中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性各种直线拟合
5、方法中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性2 2 、迟滞迟滞 vv 传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不 重合的现象称迟滞。重合的现象称迟滞。 2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性2 2 、迟滞迟滞v 迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性例：一电子秤例：一电子秤 增加砝码增加砝码 10g 10g 50g 50g 100g 100g 200g 200g 电桥输出电
6、桥输出 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 减砝码输出减砝码输出 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv 为正、反 行程输出值间的最大差值 中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性3 3 、重复性重复性2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性vv 传感器输入量按同一方向作多次测量时，传感器输入量按同一方向作多次测量时， 输出特性不一致的程度。输出特性不一致的程度。 vv 属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标
7、准偏差表示： 或用最大重复偏差表示：或用最大重复偏差表示：max max 最大标准差；最大标准差； （2 23 3） 置信度；置信度；中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性3 3 、重复性重复性2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性4 4 、灵敏度灵敏度2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性vv在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜
8、率：S = Y/X S = Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量： S = dy/dxS = dy/dx中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性5 5 、稳定性稳定性2.1 2.1 传感器静态特性传感器静态特性vv 表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力 例：例： 闪烁探测器闪烁探测器8 8小时长期稳定性测量散点图小时长期稳定性测量散点图 中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性6 6 、分辨率和阈值分辨率和阈值2.1
9、2.1 传感器静态特性传感器静态特性vv 分辨率分辨率 传感器能够检测到的最小输入增量；传感器能够检测到的最小输入增量； vv 阈值阈值 输入小到某种程度输出不再变化的输入小到某种程度输出不再变化的X X值；值； vv 门槛灵敏度门槛灵敏度 指输入零点附近的分辨能力。指输入零点附近的分辨能力。 当输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性 当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时, ,如如 : :加速度、振动等，加速度、振动等， 讨论传感器的讨论传感器的动
10、态特性动态特性。 这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。 用时域法表示成：用时域法表示成： 用频域法表示为：用频域法表示为： 中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性 动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的 响应特性：响应特性： 除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变 化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间 函数，这种输
11、入输出之间的差异就是动态误差；函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差； 传感器输出对时间变化的输入量的响应既反映了传感器输出对时间变化的输入量的响应既反映了 传感器的动态特性。传感器的动态特性。 中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性例：动态测温例：动态测温 设环境温度为设环境温度为T T0 0 , ,水槽中水的温度为水槽中水的温度为T,T,而且而且 T T T T0 0 传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中； 用热电偶测温用热电偶测温, ,理想情况测试曲线理想情况测试曲线T T是阶
12、跃变化的；是阶跃变化的； 实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程水温T热电偶环境温度To T To中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性补充内容（电路分析）EE复阻抗 中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性复频域变换中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性1. 瞬态响应特性1) 一阶传感器的单位阶跃响应 在工程上, 一般将下式:一阶传感器的传递函数：对初始状态为零的传感器, 当输入一个单位阶跃
13、信号 0 t01 t0 x(t)=2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性由于x(t)=1(t), x(s)= , 传感器输出的拉氏变换为 Y(s)=H(s)X(s)=一阶传感器的单位阶跃响应信号为2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性由图可见：1）传感器存在惯性, 它的输出不能立即复现输入信号, 而是从零开始, 按指数规律上升, 最终达到稳态值2）理论上只有时间达到无穷才能达到稳定，但当t=4时其输出达到
14、稳态值的98.2%, 可以认为已达到稳态。3）越小, 响应曲线越接近于输入阶跃曲线, 因此, 值是一阶传感器重要的性能参数。 频率响应 ：幅频特 性、相频 特性2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性将一阶传感器的传递函数中的s用j代替后, 即可得频率 特性表达式, 即相频特性 ()=-arctan() 幅频特性假设输入信号为正弦信号：2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性讨论：讨论： 一阶系统在时间常数1
15、, 为过阻尼, 无超调 也无振荡, 但达到稳态所需时间较长。时, A（）1, （）很小, 此时, 传感器的输 出y(t)再现了输入x(t)的波形。通常固有频率n至少应大于被 测信号频率的 35 倍, 即n（35）。 为了减小动态误差和扩大频率响应范围, 一般是提高传感器 固有频率n。 2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性3) 频率响应特性指标(1) 频带传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带, 对应有上、下截止频率。 (2) 时间常数用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小, 频带越宽。 (3) 固有频率n 二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。 中国矿业大学计算机学院传感器概论传感器概论第第2 2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性1 1 、 传递函数传递函数 2.2 2.2 传感器动态特性传感器动态特性传感器系统传感器系统输入激励输入激励 X X（t)
