传感器原理及应用周春章基本特性.docVIP

第二章  传感器的基本特性 主要内容： 2.1 传感器静态特性 2.2传感器动态特性 要点： 静态特性；线形度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性 动态特性；数学模型、过度函数、频率特性、幅频特性 概述 传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。快变信号要考虑输出的动态特性，即随时间变化的特性；慢变信号要研究静态特性，即不随时间变化的特性。 例：放射性仪器不同性能的探测器测量性能差别   传感器的各种性能由传感器输入与输出之间的关系来描述，视传感器为具有输入输出的二端网络。 * 当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如温度、压力），讨论传感器的 静态特性，输入输出关系称静态特性。 * 当输入量（X）随时间变化时（如加速度、振动），讨论传感器的动态特性，输入输出 关系称动态特性。   2.1传感器静态特性 2.1.1线性度 传感器输入输出关系可以用多项式表示： 其中：X：输入量；Y：输出量； a0：x = 0时的输出（y）值； a1：理想灵敏度； a2, a3,……an：为非线性项系数 一个理想的传感器我们希望它们具有线性的输入输出关系，由于实际传感器输入总有非线性（高次项）存在，X-Y总是非线性关系。在小范围内用割线、切线近似代表实际曲线使输入输出线性化。近似后的直线与实际曲线之间存在的最大偏差称传感器的非线性误差——线性度，通常用相对误差表示： 式中： ΔLmax为最大非线行绝对误差 YFS 为满量程输出 γL为线性度 提出线性度的非线性误差，必须说明所依据的基准直线，按照依据基准直线不同有不同的线性度：理论线性度,端基线性度,独立线性度。   最小二乘法线性度设拟合直线方程 : ………① 取n个测点，第i个测点与直线间残差为： ……… ② 根据最小二乘法原理取所有测点的残差平方和为最小值： 求解k、b代入方程①作拟合直线，实际曲线与拟合直线的最大残差Δimax为非线性误差，最小二乘法求取的拟合直线拟合精度最高，也是最常用的方法。   2．1．2迟滞 传感器在正、反行程期间，输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。 例：一个电子秤称重 加砝码10g --- 50g --- 100g --- 200g 电桥输出0.5mv --- 2mv --- 4mv--- 10mv 减砝码输出1mv --- 5mv --- 8mv--- 10mv 产生这种现象的原因是由敏感元件材料的物理性质缺陷造成，如；弹性元件的滞后，铁磁体、铁电体在外加磁场、电场也有这种现象。 迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示 为正、反行程输出值间的最大差值 2．1．3重复性 传感器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。属于随机误差，可用标准偏差表示： σmax 最大标准差； （2—3）置信度，置信概率 2* 95.4;3 *99.7 或用最大重复偏差表示：   2．1．4灵敏度 在稳定条件下，输出微小增量与输入微小增量的比值。对线性传感器灵敏度就是直线的斜率： 对非线性传感器灵敏度为一变量 由于传感器输入一般为非电量，输出为电量灵敏度单位：mv/mmmv/℃ 等。传感器电压不同，需要除以总电压，灵敏度的定义应为每伏电压的灵敏度， 单位：mv/mm.vmv/℃.v 等。 2．1．5分辨率和阈值 分辨率是指传感器能够检测道德最小输入增量；阈值指输入小到某种程度时输出不再变化的ΔX称为阈值，或称门槛灵敏度，指输入零点附近的分辨能力。 存在门槛的原因有两个： 一是输入的变化量被传感器内部吸收反映不到输出； 二是传感器输出存在噪声，信号必须大于噪声电平。   2．1．6稳定性 表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力。理想情况，不随时间变化，实际情况，大多数传感器特性会随时间延长发生变化，如：放置长期不用、使用次数增度多、随温度漂移等。应对使用仪器的日、月、年变化情况做到有记录和数据。 例：射线仪器稳定性检查   2．2 传感器动态特性 传感器动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性： 通常除理想状态，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差，既反映了传感器的动态特性。下面用动态测温说明。 动态测稳的几种情况：  被测温度随时间快速变化T(t)；  传感器突然插入被测介质中；  传感器以扫描方式测量温度场分布。 设环境温度为T0 OC,水槽中水的温度为T OC，而且 T ＞ T0 ,用热电偶测温。把温度 传感器（热电偶）迅速插入水中。 理想情况；测试曲线在t0处温度从T0T是阶跃变化； 实际特性；热电偶输出的值是缓慢变