检测与转换-第04章传感器的特性.ppt

* 第四章 传感器的特性 第一节 传感器的定义及分类 第二节 传感器的一般特性 第一节 传感器的定义及分类 　　在非电量测试技术中，首先遇到的是将各种非电量变换为电量，我们称能够完成这种变换功能的装置为传感器。 传感器的分类： （1）根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等。 （2）根据工作原理可分为：电阻式、电感式、电容式及电势式等。 传感器的分类： （3）根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字信号。 （4）根据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器，有源传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器等；无源传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容式传感器等。 第二节 传感器的一般特性 　　静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输出－输入关系。衡量传感器静态特性的重要指标是：线性度、迟滞、重复性和灵敏度。 一、传感器的静态特性 　　传感器如果没有迟滞及蠕变效应，其静态特性就可用下列多项式代数方程表示： （一）线性度 (4—1) 式中，x为输入量(被测量)；y为输出量；a0为零位输出；a1为传感器的灵敏度，常用k表示；a2，…，an为非线性项的特定常数。 　　这种多项式代数方程可能有四种情况： （1）理想线性，在这种情况下 　　　　　　　　　　　　　　　　， 因此得到： 因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为 　　（2）在坐标原点附近相当范围内输出－输入特性基本呈线性。在这种情况下，式（4—1）中除线性项外只存在奇次非线性项，即： 　　对应的曲线为 　　（3）输出一输入特性曲线不对称，这时在式（4—1)）中，除线性项外非线性项只是偶次项，即： 　　（4）普通情况的表达式是式（4—1）所对应的特性。 　　非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理想直线作为基准直线算出来的，因此，基准直线不同所得出的线性精度就不一样。一般并不要求拟合直线必须通过所有的检测点，而只要找到一条能反映校准数据的一般趋势同时又使误差绝对值为最小的直线就行。 下面介绍几种不同线性度的定义和表达方法。 　　（1）端基线性度——把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线，作为传感器特性的拟合直线，其方程式为： 式中，y为输出量；x为输入量；b为y轴上的截距；k为直线的斜率。 端基线性度的拟合直线 　　压力传感器的输出——输入实测曲线，根据端基法作拟合直线，其方程式对应于式可得： 所以 式中，p为被测压力；pＳ为传感器的测量压力范围；U为传感器的输出值；U0为零点输出平均值；UF.S.为满量程输出平均值。 　　（2）平均选点线性度——为了寻找较理想的拟合直线，可将测量得到的n个检测点分成数目相等的两组：前半部n／2个检测点为一组，后半部n／2个检测点为另一组。两组检测点各自具有“点系中心”。检测点都分布在各自的点系中心周围，通过这两个“点系中心”的直线就是所要的拟合直线。其斜率和截距可以分别求得。 前半部n／2个检测点的点系中心A的坐标为： 后半部n／2个检测点的点系中心B点坐标为： 通过这两个点系中心 　　　　　和 　　　　　的直线的斜率为： 直线在y轴上的截距为： 　　把斜率和截距代入直线方程式，即得平均选点法的拟合直线，再由此求出非线性误差。平均选点法求得的拟合直线。 平均选点的拟合直线 　　（3）最小二乘法线性度——拟合直线方程通式。假定实际校准点有n个，对应的输出值是y，则第i个校准数据与拟合直线上相应值之间的残差为： 最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使　　　　　　为最小值 　　　　　 　　也即使　　　　　对k和b的一阶偏导数等于零，从面求出b和k的表达式，即： 从以上两式求出k和b为： 于是，可得最小二乘法最佳拟合直线方程： 式中， （二）迟滞 　　迟滞特性表明了传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出――输入曲线不重合的程度。即对应于同一大小的输入信号，传感器正反向行程的输出信号大小不相等。迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料的内摩擦、积塞灰尘等。迟滞大小一般由实验确定，其值以满量程输出UF.S.的百分数表示： 式中，△max为输出值在正反行程间的最大差值。 （三）重复性 　　重复性表示传感器在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不一致的程度。特性曲线一致，重复性就好，误差也小。 　　重复性误差eｚ可从曲线△imax最大者求出，由于校准的循环次数不同，其最大偏值也不一样，故用此法求出的值不太可靠。根据标准偏差计算重复性指标是比较合理的方法。分