《传感器应用技术》课件第1章.ppt

图1-11变换压力的弹性敏感元件(a)弹簧管；(b)波纹管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圆筒；(f)薄壁半球弹簧管又称波登管，是弯成C形的各种空心管。它用来把压力变成自由端的位移。波纹管直径一般为12～160mm，测量范围约为102~107Pa。它用来把压力变成轴向位移。等截面薄板又称为平膜片，是周边固定的圆薄板。它用来把压力变为薄板的位移或应变。膜盒是由两片波纹膜片压合而成，比平膜片灵敏度高，用于小压力的测量。薄壁圆筒和薄壁半球灵敏度较低，但较坚固，常用于特殊环境。2)分辨力传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。它往往受噪声的限制，所以一般用相当于噪声电平(N)的若干倍(C)的被测量表示，即(C取1~5)式中，M为最小检测量。实际中，分辨力可用传感器的输出值来表示。模拟式传感器以最小刻度的一半所代表的输入量来表示，数字式传感器则以末位显示一个字所代表的输入量来表示。3)测量范围和量程在允许的误差范围内，传感器能够测量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之间的范围称为测量范围，表示为ymin～ymax。上限值与下限值的差称为量程，表示为yF.S＝ymax－ymin。如某温度计的测量范围是-20~100℃，量程则为120℃。4)误差特性(1)线性度：即非线性误差。为了便于对传感器进行标定和数据处理，要求传感器的特性为线性关系，而实际的传感器特性常呈非线性，这就需要对传感器进行线性化。传感器的静态特性是在标准条件下校准(标定)的，即在没有加速度、振动、冲击，且温度为(20±5)℃、湿度不大于85%RH、大气压力为(101327±7800)Pa（(760±60)mmHg)的条件下，用一定等级的设备，对传感器进行反复循环测试，得到的输入和输出数据用表格列出或画出曲线，这条曲线称为校准曲线。传感器的校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差(ΔLmax)与满量程值(yF.S)的百分比称为线性度，用γL表示，即(1-4)由此可知非线性误差是以一定的拟合直线为基准算出来的，基准直线不同，所得线性度也不同。根据求得拟合直线的方法，可分为端基线性度、平均选点线性度和独立线性度，如图1-4所示。图1-4传感器的线性度示意图(a)端基线性度；(b)平均选点线性度；(c)独立线性度①端基拟合直线是由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的一条直线。这种拟合方法简单直观，应用较广，但拟合精度很低，尤其对非线性比较明显的传感器，拟合精度更差。②平均选点拟合直线的求法是将若干点的测量数据分成前后数目相等的两组，分别求出两组数据相应的输入和输出数据的平均值，即(1-5a)(1-5b)③独立线性度也称最小二乘法线性度，它的拟合直线方程是用最小二乘法求得的，在全量程范围内各处误差都最小。这种方法拟合精度最高，但计算很复杂。(2)迟滞：指在相同工作条件下，传感器正行程特性与反行程特性不一致的程度，如图1-5所示。其数值为对应同一输入量的正行程和反行程输出值间的最大偏差ΔHmax(或最大偏差的一半)与满量程输出值的百分比。用γH表示为或(1-6a)(1-6b)图1-5传感器的迟滞特性(3)重复性：指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性，如图1-6所示。在数值上用各测量值正、反行程标准偏差最大值σ的两倍或三倍与满量程的百分比表示，记作γK，即(1-7)图1-6传感器的重复性从误差的性质上讲，重复性误差属于随机误差。可参考第3章按照随机误差的分析方法，由各次校准测量数据间的最大误差Δim求出标准误差σ，即(1-8)式(1-7)中，σ前的系数为置信因数。若误差完全按正态分布，置信因数取2时，置信概率为95%；若置信因数取3时，置信概率为99.73%。(4)零漂和温漂：传感器无输入(或某一输入值不变)时，每隔一定时间，其输出值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比，即为零漂。温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。2.动态特性动态特性是描述传感器在被测量随时间变化时的输出和输入的关系。对于加速度等动态测量的传感器必须进行动态特性的研究，通常是用输入正弦或阶跃信号时传感器的响应来描述的，即传递函数和频率响应。有关知识可参考《自动控制原理》或《信号与系统》等教