传感器静动态性能详解.ppt

机器人足球与人工智能 2.4 传感器的静动态特性 2.4.1 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，研究静态特性主要考虑其非线性、滞后、重复、灵敏度、分辨力等方面。 1 线性度 线性度又称非线性，是表征传感器输出——输入校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差，即 式(2-1) 式中 ΔLmax——输出平均值与拟合直线间的最大偏差； yF.S.——理论满量程输出值。 传感器的输出——输入关系或多或少地存在非线性问题，在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表示： 式（2-2） 式中 y — 输出量； x — 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。静态特性曲线可实际测试获得，在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。 下面介绍几种目前常用的拟合方法： （1）理论直线法 以传感器的理论特性线作为拟合直线，它与实际测试值无关。优点是简单、方便，但通常ΔLmax很大。 （2）端点线法 以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。其方程式为 式（2-3） 式中 b和k——分别为截距和斜率，这种方法也很简便，但通常ΔLmax也很大。 （3）“最佳直线”法 这种方法以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小，由此所得的线性度称为“独立线性度”。显然，这种方法的拟合精度最高。通常情况下，“最佳直线”只能用图解法或通过计算机解算来获得。 （4）最小二乘法 这种方法按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。 最小二乘法的拟合精度很高，但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。 几种不同的拟合方法如图2-1所示 2 回差（滞后）（Hysteresis） 回差是反映传感器在正（输人量增大）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。通常用正反行程输出的最大差值ΔHmax计算，并以相对值表示（见图2-2）。 图2－2 回差（滞后）特性 3 重复性（Repeatability） 重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。 重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属随机误差，因此应根据标准偏差计算，即 4 灵敏度（Sensitivity） 灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即 ，非线性传感器的灵敏度不是常数，应以 表示。 实用上由于外源传感器的输出量与供给传感器的电源电压有关，其灵敏度的表达往往需要包含电源电压的因素。例如某位移传感器，当电源电压为1V时，每1mm位移变化引起输出电压变化100 mV，其灵敏度可表示为 100（ ）。 5 分辨力（Resolution） 分辨力是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。有时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（Threshold） 阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给出噪声电平。 7 稳定性（Stability） 又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。 8 漂移（Drift) 漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括