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传感器 主讲:吴海彬 机械工程及自动化学院 主要分类 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。 设拟合直线方程: 即得到k和b的表达式 2.迟滞 3.重复性 * * 按照物理原理分类: ★电参量式传感器:电阻式、电感式、电容式等; ★磁电式传感器:磁电感应式、霍尔式、磁栅式等; ★压电式传感器:声波传感器、超声波传感器; ★光电式传感器:一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等; ★气电式传感器:电位器式、应变式; ★热电式传感器:热电偶、热电阻; ★波式传感器:超声波式、微波式等; ★射线式传感器:热辐射式、γ射线式; ★半导体式传感器:霍耳器件、热敏电阻; ★其他原理的传感器:差动变压器、振弦式等。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器,也可看成电参量式传感器。 传感器的特性 传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上,将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时,即得到静态特性。因此,传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。 当输入量随时间较快地变化时,这一关系称为动态特性。 当输入量为常量,或变化极慢时,这一关系称为静态特性; 传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下,输出输入不会符合所要求的线性关系,同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素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图大致如图所示。 传感器除了描述输出输入关系的特性之外,还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。 稳定性(零漂) 传感器 温度 供电 各种干扰稳定性 温漂 分辨力 冲击与振动 电磁场 线性 滞后 重复性 灵敏度 输入 误差因素 外界影响 传感器输入输出作用图 输出 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。 衡量传感器特性的主要技术指标 静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后,可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便,希望得到线性关系。这时可采用各种方法,其中也包括硬件或软件补偿,进行线性化处理。 一、静态特性技术指标 1.线性度 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下,其静态特性可用下列多项式代数方程表示: 式中:y—输出量; x—输入量; a0—零点输出; a1—理论灵敏度; a2、a3、 … 、 an—非线性项系数。 各项系数不同,决定了特性曲线的具体形式。 y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn 通常用相对误差γL表示: ΔLmax一最大非线性误差; yFS—量程输出。 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 一般来说,这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下,总是采用直线拟合的办法来线性化。 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。 γL=±(ΔLmax/yFS)×100% ①理论拟合;②端点连线平移拟合;③端点连线拟合; ④过零旋转拟合;⑤最小二乘拟合;⑥ 最小包容拟合 直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合 0 y yi x y=kx+b xI 最小二乘拟合法 最小二乘法拟合 y=kx+b 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 Δi=yi-(kxi+b) 对k和b一阶偏导数等于零,求出a和k的表达式 将k和b代入拟合直线方程,即可得到拟合直线,然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。 0 y x ⊿Hmax yFS 迟滞特性 式中△ Hmax—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。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。 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。迟滞特性如图所示,它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即 y x 0 ⊿Rmax2 ⊿Rmax1 重复性误差可用正反行程的最大偏差
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