传感器技术基础课件重点.ppt

第一章 传感器技术基础 第一节 传感器的一般数学模型 (重点) 第二节 传感器的特性与指标 (重点) 第三节 改善传感器性能的技术途径 (了解) 第四节 传感器的标定与校准 (了解) 第五节 传感器材料与工艺 (补充) 第一节 传感器的一般数学模型 建立传感器的数学模型的必要性 传感器数学模型的静态与动态之分 静态模型是指在静态条件下得到的传感器数学模型。 传感器的静态模型可用一代数方程表示，即： 二、动态模型 （1）微分方程 传感器的动态模型用线性常系数微分方程来表示： 用微分方程作为传感器数学模型的特点： 优点：通过求解微分方程容易分清暂态响应与稳态响应。 缺点：求解微分方程很麻烦，尤其当需要通过增减环节来改变传感器的性能时显得很不方便。 （2）传递函数 由控制理论可知，对于用线性常系数微分方程表示的传感器，其传递函数为 ： 框图表示法为： 对于n个环节的串联系统： 对于n个环节的并联系统： 传感器特性：主要是指输出与输入之间的关系。 静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入之间的关系称为~； 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。 研究静态特性主要应考虑其非线性与随机变化等因素。 1、线性度：又称非线性 定义：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，即 目前常用的拟合方法有： 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： 最小二乘法准则的几何意义在于拟和直线精密度高即误差小。 将几组x分别带入以上五式，与y值相差最小的就是所求，（5）为所求。 2、回差（或称迟滞、滞后） 定义：传感器在正反行程中输出输入曲线的不重合程度称为迟滞。 迟滞特性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 3、重复性 定义：指传感器在输入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。 重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即 4、灵敏度与灵敏度误差 定义：传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入变化量 Δx之比即为其静态灵敏度，其表达式为 灵敏度误差用相对误差表示，即 5、分辨力与阈值 分辨力：是传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量，用绝对值表示。 分辨率：分辨力用与满量程的百分数表示时称为分辨率。 阈值：在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。 6、稳定性与漂移 稳定性：指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化。有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 漂移：指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着有与被测输入量无关的、不需要的变化。 漂移包括零点漂移与灵敏度漂移，两者又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。 7、误差表达 （1）绝对误差 测量结果与被测参量真值之间的差值的绝对值称为绝对误差。 绝对误差只能评估同一被测值的测量精度。 （2）相对误差 测量的绝对误差与被测量真值的比值称为相对误差，通常以百分数表示，即 相对误差可用来评价不同被测值的精度。 （3）引用误差 测量的绝对误差与仪表的满量程之比称为引用误差，它常以百分数表示，即 这一指标通常用来表征仪器本身的精度，而不是测量的精度。 8、精确度等级 0.1级量程为10A电流经标定，最大绝对误差为8mA，问该表是否合理？ 二、传感器的动态特性 动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它是传感器的输出值能够真实地再现随时间变化着的输入量能力的反映。 对于连续时间系统，用数学模型来描述动态特性，主要有三种形式： 时域中的微分方程 复频域中的传递函数H(S) 频率域中的频率特性H(jω) 标准输入有三种（经常使用的是前两种）。 正弦变化的输入 阶跃变化的输入 线性输入 （一）传感器的频率响应特性 频率响应特性：将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为~。 输入量为： 获得的输出量为： 代入动态模型表达式（微分方程）得： 称之为传感器的频率响应特性，简称频率特性。 物理意义：当正弦信号作用于传感器时，在稳定状态下的输出量与输入量的复数比。 又称为频率传递函数。 其指数形式为 称为传感器的动态灵敏度（或称增益）， 又称为幅频特性。 （二）传感器的阶跃响应特性 当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号： 其输出信号称为阶跃响应。 （三）传感器典型环节的动态响应 微分方程： 传递函数 频率特性 例3、以热电偶测温元件为例，如图。当热电偶接点温度T0低于被测