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1、,第1章 概述,传感器概述 传感器的一般特性 传感器的标定和校准,上一页,返 回,下一页,1.1 传感器概述,1. 1 传感器的定义 1. 2 传感器的组成 1. 3 传感器分类,上一页,下一页,返 回,1. 1 传感器的定义,根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87） 传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。,上一页,下一页,返 回,包含的概念：, 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这
2、种量可以是气、光、电量，但主要是电量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,上一页,下一页,返 回,1. 2传感器的组成,敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量 转换电路上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出,上一页,下一页,返 回,1. 3 传感器分类,工作机理：物理型、化学型、生物型,物理型传感器：物理基础的基本定律。 场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律,构成原理,结构型:物理学中场的定律 物性型:物质定律,能量转换,能量控制型 能量转换型,物理原理：电参量式传感器、磁电式传感器等,用 途： 位移、压
3、力、振动、温度,上一页,下一页,返 回,1.4 传感器的一般特性,1.4.1 传感器的静特性1.4.2 传感器的动特性,上一页,下一页,返 回,1.4.1 传感器的静特性,输出与输入间关系微分方程,静特性：输入量为常量，或变化极慢 动特性：输入量随时间较快地变化时,微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时， 可得到静特性（动特性的特例） 表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系 希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。,上一页,下一页,返 回,静特性指标,一、线性度 二、灵敏度 三、迟滞 四、重复性 五、零点漂移 六、温度漂移,上一页,下一页,返 回,1、线性度,静特性,输 出 量
4、,输 入 量,零点输出,理论灵敏度,非线性项系数,直线拟合线性化 非线性误差或线性度,最大非线性误差 满量程输出,上一页,下一页,返 回,直线拟合线性化,出发点 获得最小的非线性误差,拟合方法： 理论拟合； 过零旋转拟合；端点连线拟合；端点连线平移拟合；最小二乘拟合；最小包容拟合,上一页,下一页,返 回,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,上一页,下一页,返 回,过零旋转拟合,曲线过零的传感器。拟合时，使,上一页,下一页,返 回,端点连线拟合,把输出曲线两端点的连线作为拟合直线,上一页,下一页,返 回,端点连线平移拟合,在端点连线拟合基础上使
5、直线平移，移动距离为原先的一半,y,L1,上一页,下一页,返 回,最小二乘拟合,原理:,上一页,下一页,返 回,最小二乘拟合方法,上一页,下一页,返 回,2、灵敏度,传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度,表征传感器对输入量变化的反应能力,上一页,下一页,返 回,表征传感器对输入量变化的反应能力,(a) 线性传感器 (b) 非线性传感器图 1.4.2 传感器的灵敏度,上一页,下一页,返 回,3、迟滞,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,正反行程间输出的最大差值。,迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差表示 检测回程误差时，可选择几个测
6、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。,上一页,下一页,返 回,迟滞特性,上一页,下一页,返 回,4、重复性,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,正行程的最大重复性偏差 反行程的最大重复性偏差,取较大者为,上一页,下一页,返 回,重复特性,y,上一页,下一页,返 回,5. 零点漂移,传感器在无输入时，每隔一段时间进行读数，其输出量偏离零值，即为零点漂移,零漂,式中 Y0 最大零点偏差；YFS 满量程输出。,上一页,下一页,返 回,6、温漂,传感器在外界温度下，输出量发生偏移的程度，其定义为,温漂,式中 max 输出最大偏差
7、；T 温度变化范围；YFS 满量程输出。,上一页,下一页,返 回,7.分辨力与阈值,分辨力是传感器能检测到的最小输入量。分辨力可以用绝对值来表示，也可以用相对值来表示。 传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。,8. 静态误差合成,静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出量与其理论输出值的偏离程度。 求取方法：把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差，看成是随机分布，求出其标准差,取2,或3,值，即为传感器的静态误差。,静态误差是一项综合指标，可以把几个单项误差综合而得：,1.4.2 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
8、能力。 为什么要研究传感器动态特性？ 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, 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
9、传递函数为式中 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越小越好,上一页,下一页,返 回, 二阶传感器的单位阶跃响应,二阶传感器的传递函数为,式中 n 传感器的固有频率； 传感器的阻尼比。,在单位阶跃信号作用下，传感器输出的拉氏变换为,上一页,下一页,返 回,对Y（s）进行拉氏反变换，即可得到单位阶跃响应。 图1.4.6为二阶传感器的单位
10、阶跃响应曲线。,传感器的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率n 。 在实际使用中，为了兼顾有短的上升时间和小的超调量， 一般传感器都设计成欠阻尼式的，阻尼比一般取在0.60.8之间。 带保护套管的热电偶是一个典型的二阶传感器。,上一页,下一页,返 回, 瞬态响应特性指标,时间常数是描述一阶传感器动态特性的重要参数，越小，响应速度越快。二阶传感器阶跃响应的典型性能指标可由图1.4.7表示，,上一页,下一页,返 回,各指标定义如下： 上升时间tr 输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所用的时间。 响应时间ts 系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。 峰值时间tp 阶
11、跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。 超调量 传感器输出超过稳态值的最大值A，常用相对于稳态值的百分比表示。,上一页,下一页,返 回,2. 频率响应特性,传感器对正弦输入信号的响应特性频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。（1）零阶传感器的频率特性（2）一阶传感器的频率特性（3） 二阶传感器的频率特性（4）频率响应特性指标,上一页,下一页,返 回,（1）零阶传感器的频率特性,零阶传感器的传递函数为,频率特性为,零阶传感器的输出和输入成正比，并且与信号频率无关。 因此，无幅值和相位失真问题，具有理想的动态特性。 电位器式传感器是零阶系统的一个例子。 在实际应用中，许多高阶系统在变
12、化缓慢、频率不高时， 都可以近似的当作零阶系统来处理。,上一页,下一页,返 回, 一阶传感器的频率特性,将一阶传感器的传递函数中的s用j代替， 即可得到频率特性表达式,幅频特性,相频特性,上一页,下一页,返 回,(a) 幅频特性 (b) 相频特性1.4.8 一阶传感器的频率特性,时间常数越小，频率响应特性越好。 当 1时，A ()1， ()， 表明传感器输出与输入为线性关系，相位差与频率成线性关系， 输出 y ( t ) 比较真实地反映输入x ( t ) 的变化规律。 因此，减小可以改善传感器的频率特性。,上一页,下一页,返 回, 二阶传感器的频率特性,二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相
13、频特性分别为,上一页,下一页,返 回,图 1.4.9 二阶传感器的频率特性,上一页,下一页,返 回, 频率响应特性指标, 频带 传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。 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。 固有频率n 二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。,上一页,下一页,返 回,1.5 传感器的标定和校准,传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定工作可分为如下几个方面，1. 新研制的传感器需进行
14、全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；2. 经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。,上一页,下一页,返 回,传感器的标定,静态标定:目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 动态标定:目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。,上一页,下一页,返 回,1.5 传感器的标定和校准,1.5.1 传感器的静态标定 1.5.2 传感器的动态标定,1.5.1 传感器的静态标定,1. 静态标准条件 2. 标定仪器设备精度等级的确定 3. 静态特性标定的方法,上一页,下一页,返 回,1. 静态标准条件,没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（205）、相对湿度不大于85% ，大气压力为1017kPa的情况。,上一页,下一页,返 回,2. 标定仪器设备精度等级的确定,对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。 标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。,上一页,下一页,返 回,
