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1、第第2章传感器的一般章传感器的一般特性特性第1页，共27页，编辑于2022年，星期一被测量被测量（非电量）（非电量）敏感元件敏感元件转换元件转换元件信号调理转换电路信号调理转换电路辅助电源辅助电源（非电量）（非电量）（电量）（电量）输出信号输出信号【输入信号】【输入信号】第2页，共27页，编辑于2022年，星期一二、传感器的静态特性二、传感器的静态特性1、测量范围（、测量范围（YFS)2 2、线性度线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的 实际关系曲线偏离直线的程度，又称为实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差非线性误差。非线性误差的数
2、学描述：非线性误差的数学描述：输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差；输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差；输出满量程值。输出满量程值。第3页，共27页，编辑于2022年，星期一 几种直线拟合方法几种直线拟合方法理论拟合理论拟合过零旋转拟合过零旋转拟合端点连线拟合端点连线拟合端点平移拟合端点平移拟合第4页，共27页，编辑于2022年，星期一3 3、迟滞性迟滞性 传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间其输出程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。迟滞性的数学描述迟滞
3、性的数学描述yxXFSYFSydyimaxmax正反行程输出值间的最大差值。第5页，共27页，编辑于2022年，星期一4、重复性、重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时化时,所得特性曲线不一致的程度所得特性曲线不一致的程度(波动性）。波动性）。重复性用极限误差表示的数学描述重复性用极限误差表示的数学描述 输出最大不重复误差；输出最大不重复误差；输出满量程值。输出满量程值。xyXFSYFS第6页，共27页，编辑于2022年，星期一 重复性用最大偏差表示的数学描述重复性用最大偏差表示的数学描述：标准偏差的估计值：标准偏差
4、的估计值第7页，共27页，编辑于2022年，星期一5 5、灵敏度灵敏度(S)灵敏度灵敏度S是指传感器的输出量增量是指传感器的输出量增量y 与引起输出与引起输出量增量量增量y的输入量增量的输入量增量x的比值的比值 灵敏度的数学描述：灵敏度的数学描述：线性传感器：线性传感器：S为常量，灵敏度就是它的静态特性为常量，灵敏度就是它的静态特性 的斜率。的斜率。非线性传感器非线性传感器:S为变量，灵敏度就是它某一工为变量，灵敏度就是它某一工 作点切线的斜率。作点切线的斜率。第8页，共27页，编辑于2022年，星期一6、分辨力分辨力描述传感器可以感受到的被测量最小变化的能力。描述传感器可以感受到的被测量最小
5、变化的能力。YX传感器分辨力可用传感器分辨力可用 表示。表示。或者或者第9页，共27页，编辑于2022年，星期一7、温度稳定性温度稳定性 传感器对于某一设定的输入量，当环境温度变化时，输传感器对于某一设定的输入量，当环境温度变化时，输出量会发生变化，这种变化体现了传感器的温度不稳定性。出量会发生变化，这种变化体现了传感器的温度不稳定性。温度稳定性用温度系数表示的数学描述：温度稳定性用温度系数表示的数学描述：Y1和和Y2表示温度为表示温度为T1和和T2的输出值。的输出值。第10页，共27页，编辑于2022年，星期一三、传感器的动态模型三、传感器的动态模型 在动态信号在动态信号(随时间变化的输入信
6、号）随时间变化的输入信号）作用下，描述传感器输作用下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。出与输入量间的一种函数关系。1 1、用微分方程描述的动态模型用微分方程描述的动态模型2 2、用传递函数描述的动态模型用传递函数描述的动态模型拉氏变换拉氏变换第11页，共27页，编辑于2022年，星期一四、四、传感器的动态特性：传感器的动态特性：传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。应特性。1 1、动态特性的时域分析瞬态响应法动态特性的时域分析瞬态响应法 关于激励信号激励信号 阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。最常以传感器的阶跃函数、斜
7、坡函数、脉冲函数等。最常以传感器的单位阶跃响应单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。来评价传感器的动态性能指标。单位阶跃信号单位阶跃信号0 t01 t0 x(t)=XtA第12页，共27页，编辑于2022年，星期一 一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应 微分方程微分方程一阶传感器的传递函数：一阶传感器的传递函数：第13页，共27页，编辑于2022年，星期一传感器输出的拉氏变换为传感器输出的拉氏变换为一阶传感器的单位阶跃响应信号一阶传感器的单位阶跃响应信号第14页，共27页，编辑于2022年，星期一：最大偏离量：延滞时间：上升时间：峰值时间：响应时间阶跃响应阶跃响应第15页，共27
8、页，编辑于2022年，星期一2 2、动态特性的频域分析频率响应法（稳态响应法）动态特性的频域分析频率响应法（稳态响应法）关于关于激励信号激励信号通常利用通常利用正弦函数正弦函数。一阶传感器的频率响应一阶传感器的频率响应频率特性表达式频率特性表达式幅频特性幅频特性第16页，共27页，编辑于2022年，星期一相频特性相频特性第17页，共27页，编辑于2022年，星期一微分方程微分方程传递函数传递函数 二阶传感器的频率响应二阶传感器的频率响应 传感器的固有频率传感器的固有频率 传感器的阻尼比传感器的阻尼比第18页，共27页，编辑于2022年，星期一第19页，共27页，编辑于2022年，星期一第20页
9、，共27页，编辑于2022年，星期一五、五、传感器的无失真测试条件传感器的无失真测试条件1、一阶传感器无失真测试条件一阶传感器无失真测试条件一阶传感器输出与输入满足下列关系一阶传感器输出与输入满足下列关系或者一阶传感器的传递函数满足或者一阶传感器的传递函数满足第21页，共27页，编辑于2022年，星期一引起的失真引起的失真幅值失真幅值失真不是线性关系引起的失真不是线性关系引起的失真相位失真相位失真2、二阶传感器无失真测试条件二阶传感器无失真测试条件 对于正弦输入，阻尼比对于正弦输入，阻尼比 时，幅值时，幅值比在比较宽的范围内保持不变；比在比较宽的范围内保持不变；，传感器的传感器的 接近于直线，
10、产生的相位失真很小。接近于直线，产生的相位失真很小。第22页，共27页，编辑于2022年，星期一六、六、传感器的标定传感器的标定1、传感器的标定的种类传感器的标定的种类 静态标定静态标定 静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。动动态标定态标定 一阶传感器主要有一个时间常数一阶传感器主要有一个时间常数，二阶传感器则主要，二
11、阶传感器则主要有固定频率有固定频率n和阻尼比和阻尼比两个参数。两个参数。第23页，共27页，编辑于2022年，星期一2、传感器的静态特性标定、传感器的静态特性标定 静态标准条件静态标准条件 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。所谓静态标准是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参所谓静态标准是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20土土5C）、相对湿度不大于）、相对湿度不大于85，大气压力为，大气压力为101土土8kPa的情的情况。况。标定仪器设备的精度等
12、级的确定标定仪器设备的精度等级的确定 对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。所以在标定传感器时，指标，实际上也是确定传感器的测量精度。所以在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。级。第24页，共27页，编辑于2022年，星期一 静态特性标定的方法静态特性标定的方法 对传感器进行静态特性标定，首先是创造一个静态标准条对传感器进行静态特性标定，首先是创造一个静态标准条件。其次是选择与被标定传感器的精度要求
13、相适应一定等级的件。其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应一定等级的标定用的仪器设备。然后才能开始对传感器进行静态特性标定。标定用的仪器设备。然后才能开始对传感器进行静态特性标定。标定过程步骤：标定过程步骤：（1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；（2）根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点）根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点 的输入标准量值，并记录下与各输入相对应的输出的输入标准量值，并记录下与各输入相对应的输出 值；值；第25页，共27页，编辑于2022年，星期一（3）将输入值由大到小一点一点的减少下来，同时记）将输
14、入值由大到小一点一点的减少下来，同时记 录下与个输入值相对应的输出值；录下与个输入值相对应的输出值；（4）按（）按（2）（）（3）所述过程，对传感器进行正、反过）所述过程，对传感器进行正、反过 程往复循环多次测试，将得到的输出输入测试程往复循环多次测试，将得到的输出输入测试 数据用表格列出或画成曲线；数据用表格列出或画成曲线；（5）对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可）对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可 以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性 等静态特性指标。等静态特性指标。第26页，共27页，编辑于2022年，星期一3、传感器的动态特性标定、传感器的动态特性标定 传感器的动态特性标定主要是研究传感器的动态特性来确传感器的动态特性标定主要是研究传感器的动态特性来确定与动态响应有关的参数。定与动态响应有关的参数。一种比较好的方法是通过测量传感器的阶跃响应，可以确定一种比较好的方法是通过测量传感器的阶跃响应，可以确定传感器的时间常数，固有频率和阻尼比。传感器的时间常数，固有频率和阻尼比。第27页，共27页，编辑于2022年，星期一