传感器基本特性详解.ppt

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 2 传感器基本特性 传感器的输出－输入关系特性是其基本特性。 传感器所测量的物理量基本上有两种形式，一种是稳态（静态或准静态）的形式，这种信号不随时间变化（或变化很缓慢）；另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种信号是随时间变化而变化的。由于输入物理量状态不同，传感器所表现出来的输出－输入特性也不同，因此存在所谓静态特性和动态特性。 传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等? 人们总是希望传感器的输出与输入具有确定的对应关系，而且最好呈线性关系。 传感器的静态特性 但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在着迟滞、蠕变、磨擦、间隙和松动等各种因素的影响，以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。 考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用大致如图1-1所示。图中的外界影响不可忽视，影响程度取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。图中的误差因素就是衡量传感器特性的主要技术指标。 传感器的静态特性 图1-1 传感器的输出-输入作用图 特性曲线：表征传感器输出—输入特性关系的曲线。 参比直线：用以评定传感器静态特性的某一理想直线。 线性：传感器输出—输入特性曲线接近或偏离参比直线的性质。 正行程：传感器输入增加的过程。 正行程特性曲线：正行程各校准点上传感器输出—输入特性关系的曲线。 反行程：传感器输入减小的过程。 正、反行程实际平均特性曲线：正、反行程算术平均值描绘成的传感器输出—输入特性关系曲线，又称实际平均特性曲线。 传感器的静态特性 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 大多数传感器的输出曲线是通过零点的，或者使用“零点调节”使它通过零点。某些量程下限不为零的传感器，也应将量程下限作为零点处理。 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。迟滞的影响因素包括传感器机械结构中