传感器的动态特性与静态特性_第二章.ppt

传感系统描述 通常的工程检测问题总是处理输入量或被测量x(t)、系统的传输或转换特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系. (1)如果系统的特性已知,通过对输出信号的观察分析,就能推断其相应的输入信号或被测量。这就是通常的测量 (2)如果输入信号已知,通过对输出信号的观察分析,就能推断出检测系统的特性。这就是通常的系统或仪器的标定过程。 (3)如果输入和系统的特性已知,则可推断和估计系统的输出量 理想的测量仪器或检测系统应该具有单值的、确定的输入—输出关系,而且最好是一个单向系统和线性系统。 所谓单向系统,即检测系统对被测量的反作用力可以忽略。 例如测零件尺寸,则要求检测系统的测量力足够小,在测量过程中使零件不致受力作用而变形。 又如振动测量时,要求传感器的质量很小,使其对被测振动体的固有频率的影响可忽略不计。当然非接触式测量最好。 所谓线性系统,即输出与输入成线性关系。 在静态测量中,系统的线性关系虽然总是所希望的,但不是必需的(因为静态测量中用校正曲线或输出补偿技术作非线性校正尚不因难); 在动态测量中,测量系统本身应该力求是线性系统。这不仅因为在动态测量中作非线性校正目前还相当困难,且还只能对线性系统作较完善的数学处理与分析。实际的测量系统不可能在较大工作范围内完全保持线性,因此只能在一定的误差范围内和在一定的工作范围内作线性处理,也即只能在误差允许的范围内工作。 传感器的一般特性分析与标定 在生产过程和科学实验中, 要对各种各样的 参数进行检测和控制, 就要求传感器能感受被测 非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量, 这取决于传感器的基本特性,即输出—输入特性。 传感器的一般特性分析与标定 2.1 传感器的静态特性 定义 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的 输出输入关系。 2.1 传感器的静态特性 2.1.1 传感器的静态数学模型 传感器作为感受被测量信息的器件，希望 它按照一定的规律输出有用信号，因此需要研 究描述传感器的方法，来表示其输入— 输出关 系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校 准与使用。 描述传感器最有效的方法是传感器的数学 模型。 2.1.1 传感器的静态数学模型 在静态条件下，若不考虑迟滞及蠕变，则传 感器的输出量y与输入量x的关系可由一代数方程 表示，称为传感器的静态数学模型，即 2.1.1 传感器的静态数学模型 设a0=0，即不考虑零位输出，则静态特性曲 线过原点。一般可分为以下几种典型情况。 2.1.1 传感器的静态数学模型 2.无奇次非线性项 当a3=a5=…=0时，静态特性为 2.1.1 传感器的静态数学模型 3.无偶次非线性项 当a2=a4=…=0时，静态特性为 2.1.1 传感器的静态数学模型 4.一般情况 特性曲线过原点，但不对称。 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 借助实验方法确定传感器静态特性的过程称 为静态校准。 当满足静态标准条件的要求，且使用的仪器 设备具有足够高的精度时，测得的校准特性即为 传感器的静态特性。 由校准数据可绘制成特性曲线，通过对校准 数据或特性曲线的处理，可得到数学表达式形式 的特性，及描述传感器静态特性的主要指标。 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 1.线性度 传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称 为传感器的线性度，又称非线性误差。 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 选择拟合直线的方法 （1）端点直线法，对应的线性度称端点线性度。简单直观，拟合精度较低。最大正、负偏差不相等。 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 （2）端点平移直线法，对应的线性度称独立线 性度。最大正、负偏差相等。 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 (3)最小二乘拟合直线法 设拟合直线方程为y = b + kx 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 即得到k和b的表达式 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 2.灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出改 变量与引起此变化的输入改变量之比。常用Sn表 示灵敏度，其表达式为 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 3.迟滞（迟环） 在相同工作条件下做全量程范围校准时，正行程（输 入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输 入特性曲线不重合。 2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标 4.重复性 重复性是指传感器在输入量按同一