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1、第二章传感器的一般特性第1页，本讲稿共60页绪论 2.1 传感器的静态特性 2.2 传感器的动态特性 2.3 传感器的动态特性分析 2.4 传感器技术指标 2.5 提高传感器性能的方法 2.6 传感器的标定第2页，本讲稿共60页绪论绪论传感器的一般特性传感器的一般特性-传感器的传感器的输入输入与与输出输出间间 的关系特性的关系特性 稳态稳态（静态或准静态）：信号不随时间变化或（静态或准静态）：信号不随时间变化或 缓慢变化。缓慢变化。动态动态（周期或瞬态变化）：信号随时间变化而变化。（周期或瞬态变化）：信号随时间变化而变化。第3页，本讲稿共60页传感器输入与输出之间作用中的误差因素传感器输入与输
2、出之间作用中的误差因素稳定性稳定性(零漂零漂)传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性温漂温漂分辨力分辨力冲击与振动冲击与振动电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响 输出输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的衡量传感器特性的主要技术指标主要技术指标第4页，本讲稿共60页 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性2.1.1 静态模型静态模型2.1.2 线性度线性度2.1.3 灵敏度灵
3、敏度2.1.4 迟滞迟滞2.1.5 重复性重复性2.1.6 分辨率分辨率2.1.7 长期稳定性长期稳定性2.1.8 温度稳定性温度稳定性 2.1.9 抗干扰稳定性抗干扰稳定性2.1.10 阈值阈值2.1.11 总精度总精度第5页，本讲稿共60页 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性1 1静态特性：静态特性：静态特性：静态特性：传感器在被测量处于稳定状态时的输入传感器在被测量处于稳定状态时的输入Y 输输出出X之间的关系之间的关系2.1.1 静态模型静态模型:静态特性可用下列多项式代数方程表示静态特性可用下列多项式代数方程表示 式中：式中：y输出量；输出量；x输入量；输入量；a0零点输出；零点
4、输出；a1理论灵敏度；理论灵敏度；a2、a3、an非线性项系数非线性项系数特例：特例：1），），2），），3）图示例图示例y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn第6页，本讲稿共60页1 1）理想）理想a a0=a=a1=a=a2 a an =0特点：完全线性化特点：完全线性化2 2）仅有偶次非线性项）仅有偶次非线性项特点：无对称性，线性范围特点：无对称性，线性范围窄。窄。3 3）仅有奇次非线性项）仅有奇次非线性项特点：有对称性，线性范围特点：有对称性，线性范围宽。易补偿。宽。易补偿。y y（x x）=-y(-x)=-y(-x)y=a1x+a2x2+a4x 4+线性范围较窄线性范围较窄线
5、性范围较宽线性范围较宽y=a1x+a3x3+a5x5+y=a1x 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性2第7页，本讲稿共60页 可以考虑消除传感器中电气元件的偶次分量来改善线性范围，可以考虑消除传感器中电气元件的偶次分量来改善线性范围，常用的方法就是使电气元件常用的方法就是使电气元件对称排列对称排列，形成，形成差动差动工作方式，如工作方式，如差动式差动式传感器一边输出传感器一边输出 y1=a1x+a2x2 +a3x3-+anxn另一边反向输出另一边反向输出 y2=-a1x+a2x2-a3x3(-1)naxny=y1-y2=2（a1x+a3x3+a5x5+-）由上式可使差动式传感器消除了偶次
6、项，使线性得到改善，灵敏度由上式可使差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，灵敏度提高一倍。提高一倍。2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性3第8页，本讲稿共60页图图 0 06 6 传感器的线性度传感器的线性度实际的输出实际的输出 输入曲线与拟合曲线输入曲线与拟合曲线(工作曲线，一般为直线工作曲线，一般为直线)间必有偏差，间必有偏差，其最大偏差的相对值其最大偏差的相对值 EL 即为线性度。即为线性度。EL=maxYFS100%最大偏差最大偏差输出满量程值输出满量程值传感器的传感器的静态模型常为多项式静态模型常为多项式 y=a0+a1x+a2x2+a3x3+在经过零点校正后（即在经过零点校
7、正后（即a0 =0 0）y=a1x+a2x2+a3x3+2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性4 2.1.2 线性度线性度 EL(non-linearity)FS-Full Scale第9页，本讲稿共60页 测量范围与量程测量范围与量程Y YFSFSv测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值（测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值（X Xmaxmax)。v测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值 (X Xminmin)。v测量范围：测量范围：-50-50150,0150,050,-5050,-50 50,2050,20100100v量程：测量
8、上限和测量下限的代数差。量程：测量上限和测量下限的代数差。量程量程=X=Xmaxmax-X-Xminmin+1000c-500c量程量程100100（5050）150150第10页，本讲稿共60页 获取拟合直线方法：获取拟合直线方法：(a)端点连线法：端点连线法：检测系统输入输出曲线的两端点连线检测系统输入输出曲线的两端点连线特点特点：算法算法：简单、方便，偏差大，与测量值有关简单、方便，偏差大，与测量值有关(c)最小二乘法最小二乘法：计算：有计算：有n个测量数据个测量数据:(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)，(n2)残差：残差：i=yi (a+b xi)残差平方和最小：残差平方和
9、最小：2i=min使得正负行程的非线性偏差相等且最小使得正负行程的非线性偏差相等且最小(b)最佳直线法：最佳直线法：算法算法：特点特点：精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）：精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）算法算法：简单实用，三点作图法（两高一低简单实用，三点作图法（两高一低/两低一高）两低一高）特点特点：精度高：精度高xyxy 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性5第11页，本讲稿共60页非线性原因：非线性原因：误差因素误差因素传传 感感 器器输入输入 x输入输入 y=f(x)温温度度湿湿度度压压力力冲冲击击振振动动磁磁场场电电场场摩摩擦擦间间隙隙松松动动迟迟滞滞蠕蠕变变变变形形老老化化
10、外界干扰外界干扰第12页，本讲稿共60页2.1.3 2.1.3 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 Sn（或或 K）(sensitivity)Sn 的定义是输出增量与输入增量的比值。即的定义是输出增量与输入增量的比值。即灵敏度灵敏度 纯线性传感器灵敏纯线性传感器灵敏 度为常数：度为常数：S S n n=a a 1 1。非线性传感器灵敏非线性传感器灵敏 度度S S n n与与x有关。有关。2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性6第13页，本讲稿共60页 2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性7图图 0 0迟滞现象迟滞现象 2.1.4 迟滞（回差迟滞（回差EH）(hysteresis)回差回差EH 反映
11、了传感器的输入量在正向行程和反向行程全量程反映了传感器的输入量在正向行程和反向行程全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不重合程度。多次测试时，所得到的特性曲线的不重合程度。m：正反行程输出值的最大偏差正反行程输出值的最大偏差迟滞现象迟滞现象第14页，本讲稿共60页图图 0 0重复性重复性 2.1.5 重复性重复性 Ex（不重复性）不重复性）(repeatability)重复性重复性 Ex 反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时，反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不一致程度。所得到的特性曲线的不一致程度。maxmax 最大不重复误差最大
12、不重复误差 不重复误差属于随机误差，按标准误差处理比不重复误差属于随机误差，按标准误差处理比较合适。较合适。t n是与第是与第 i 个校准点的测量次数个校准点的测量次数n有关的置信因子有关的置信因子(见物理实验见物理实验)。yij 为某校准点为某校准点 i 的第的第 j 个输出值，个输出值，yi 为该为该点输出值的算术平均值点输出值的算术平均值。2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性8第15页，本讲稿共60页2.1.6 分辨率（分辨率（xmin）(resolution)在规定的测量范围内，传感器所能检测出输入量的最小变化值在规定的测量范围内，传感器所能检测出输入量的最小变化值1。有时也用相对
13、与输入的满量程的相对值表示有时也用相对与输入的满量程的相对值表示2。即。即xmin xFS100%xFS 输入量的满量程值输入量的满量程值2、分辨率、分辨率-是相对数值：是相对数值：1、分辨力、分辨力-是绝对数值，如是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms，说明说明：能检测的最小被测量的变换量能检测的最小被测量的变换量相对于相对于 满量程的百分数，如：满量程的百分数，如：0.1%,0.02%2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性9第16页，本讲稿共60页2.1.7 长期稳定性（长期稳定性（stability）传感器在相当长的时间内仍保持其原性能的能力。传感器在相当长的时间内仍保持其原
14、性能的能力。测测试试时时先先将将传传感感器器输输出出调调至至零零点点或或某某一一特特定定点点，相相隔隔4h、8h或或一一定定的的工工作作次次数数后后，再再读读出出输输出出值值，前前后后两两次次输输出出值值之之差差即即为为稳稳定定性性误误差差。它它可可用用相相对对误误差差表表示示,也可用绝对误差表示。也可用绝对误差表示。稳定性稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生是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的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。零点漂移。2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性10第17页，本讲稿共60页 2.1 传感器的静态特性传感器
15、的静态特性11测测试试时时先先将将传传感感器器置置于于一一定定温温度度(如如20),将将其其输输出出调调至至零零点点或或某某一一特特定定点点，使使温温度度上上升升或或下下降降一一定定的的度度数数(如如5或或10),再再读读出出输输出出值值，前前后后两两次次输输出值之差即为温度稳定性误差。出值之差即为温度稳定性误差。2.1.92.1.92.1.92.1.9抗干扰稳定性抗干扰稳定性抗干扰稳定性抗干扰稳定性2.1.8 2.1.8 2.1.8 2.1.8 温度稳定性温度稳定性温度稳定性温度稳定性温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温
16、度下输出量发生的变化。温度稳定性误差用温度每变化若干温度稳定性误差用温度每变化若干的绝对误差或相对误差表示的绝对误差或相对误差表示,每每引起引起的传感器误差又称为的传感器误差又称为温度误差系数温度误差系数。指传感器对外界干扰的抵抗能力，指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。第18页，本讲稿共60页 2.1.12.1.11 1 总精度总精度(总不确定度
17、总不确定度)一般可用方和根来表示（推荐），有时也可用代数和表示。一般可用方和根来表示（推荐），有时也可用代数和表示。方和根表示法：方和根表示法：代数和表示法：代数和表示法：2.1.10 2.1.10 阈值（死区）阈值（死区）有些传感器在零点附近存在严重的非线性；有些传感器在零点附近存在严重的非线性；噪声电平的干扰（噪声电平的幅度超过了零点附近的输出噪声电平的干扰（噪声电平的幅度超过了零点附近的输出)2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性12第19页，本讲稿共60页2.2 2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性2.2.1 动态模型动态模型2.2.2 传递函数传递函数第20页，本讲稿共60页
18、动态特性动态特性 被被测测量量随随时时间间变变化化的的形形式式可可能能是是各各种种各各样样的的，只只要要输输入入量量是是时时间间的的函函数数，则则其其输输出出量量也也将将是是时时间间的的函函数数。通通常常研研究究动动态态特特性性是是根根据据标标准准输输入入特特性性来考虑传感器的响应特性。来考虑传感器的响应特性。标准输入有三种：经常使用的是前两种。u正弦变化的输入正弦变化的输入u阶跃变化的输入阶跃变化的输入u线性输入线性输入动态特性：传感器在被测量随时间变化的条件下输入输出关系动态特性：传感器在被测量随时间变化的条件下输入输出关系动态特性：传感器在被测量随时间变化的条件下输入输出关系动态特性：传
19、感器在被测量随时间变化的条件下输入输出关系第21页，本讲稿共60页2.2.1 2.2.1 动态模型动态模型动态模型动态模型分析传感器动态特性，必须建立数学模型分析传感器动态特性，必须建立数学模型,根据相应的物理定律根据相应的物理定律,用线用线性常系数微分方程表示系统的输入性常系数微分方程表示系统的输入x与输出与输出y关系的数字方程式关系的数字方程式,通过通过对微分方程求解，得出动态性能指标。对微分方程求解，得出动态性能指标。ai、bi(i=0,1,)：系统结构特性参数系统结构特性参数,为为 常数，系统的阶次由输出量常数，系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为最高微分阶次决定。常见为O阶、一
20、阶、二阶系统阶、一阶、二阶系统优点：优点：概念清晰，输入概念清晰，输入-输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应缺点：缺点：求解方程麻烦，传感器调整时分析困难求解方程麻烦，传感器调整时分析困难 2.2 2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性1 1第22页，本讲稿共60页O阶系统：阶系统：例电位计、电子示波器例电位计、电子示波器一阶系统：一阶系统：例例:无质量单自由度振动系统、无质量单自由度振动系统、无源积分电路、液位温度计无源积分电路、液位温度计第23页，本讲稿共60页二阶系统：二阶系统：对于较为复杂的系统，微分方程的求解过程也很复杂，我们可以对于较为复杂
21、的系统，微分方程的求解过程也很复杂，我们可以根据根据信号与系统中的知识，利用传递函数（系统函数）来处理。信号与系统中的知识，利用传递函数（系统函数）来处理。在动圈式电表中，由永久磁钢所形成的磁场和通电在动圈式电表中，由永久磁钢所形成的磁场和通电线圈所形成的动圈磁场相互作用而产生的电磁转矩线圈所形成的动圈磁场相互作用而产生的电磁转矩使线圈产生偏转运动使线圈产生偏转运动,如图所示如图所示弹簧质量阻尼系统弹簧质量阻尼系统第24页，本讲稿共60页2.2.2 2.2.2 传递函数传递函数传递函数传递函数利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型，输出量的拉氏变利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域
22、的数学模型，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比：换与输入量的拉氏变换之比：优点：优点：表示了传感器本身特性与输入输出无关，只与系统结构特性参数表示了传感器本身特性与输入输出无关，只与系统结构特性参数表示了传感器本身特性与输入输出无关，只与系统结构特性参数表示了传感器本身特性与输入输出无关，只与系统结构特性参数有关，可通过实验求得有关，可通过实验求得有关，可通过实验求得有关，可通过实验求得。对对(S)=(S S)(S)进行反变换，即可得到进行反变换，即可得到Y(t)与与 X(t)关系。（微分方程的拉氏变换求解法）关系。（微分方程的拉氏变换求解法）Y(S)(anS n+an-1S n-1+an
23、-2S n-2+a1S+a0)=X(S)(bmS m+bm-1S m-1+bm-2S m-2+b1S+b0)2.2 2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性2 2第25页，本讲稿共60页对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联，串联对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联，串联系统与并联系统的传递函数如下图所示。系统与并联系统的传递函数如下图所示。图图 0 05 5 串联系统（串联系统（a a）和并联系统和并联系统（b b）（a）（b）串联系统：串联系统：总传递函数为各子系总传递函数为各子系统传递函数的积的。统传递函数的积的。并联系统：并联系统：总传
24、递函数为各子系总传递函数为各子系统传递函数的积和。统传递函数的积和。2.2 2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性3 3第26页，本讲稿共60页2.3 2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析2.3.1 频率响应特性频率响应特性2.3.2 阶跃响应特性阶跃响应特性第27页，本讲稿共60页传感器的频率响应是指各种传感器的频率响应是指各种频率不同频率不同而而幅幅值相同值相同的正弦量（信号）输入时，其输出的正弦量（信号）输入时，其输出的正弦信号的幅值、相位的正弦信号的幅值、相位(与输入量间的相与输入量间的相差）与频率之间的关系。即差）与频率之间的关系。即幅频特性和相幅频特性和相频特性。频特
25、性。2.3.1 频率响应特性频率响应特性第28页，本讲稿共60页2.3.1 2.3.1 频率响应特性频率响应特性频率响应特性频率响应特性输入：输入：输出：输出：频率响应特性频率响应特性输入量：输入量：输出量：输出量：频率响应函数：频率响应函数：系统频率特性：系统频率特性：稳态输出与输入稳态输出与输入幅值之比幅值之比和两者和两者相位差相位差是输入频率的函数：是输入频率的函数：幅幅-频频、相相频频正弦信号正弦信号-一系列，频率不同，幅值相等一系列，频率不同，幅值相等正弦信号正弦信号-观察：幅值、相位、频率观察：幅值、相位、频率(稳态稳态)2.3 2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析1
26、1第29页，本讲稿共60页典型的对数幅频特性曲线：典型的对数幅频特性曲线：理想幅频特性：理想幅频特性：相频特性：相频特性：相频特性相频特性 幅频特性幅频特性幅频特性：幅频特性：频响范围：频响范围：幅值比与频率关系幅值比与频率关系 0dB水平线水平线 （幅值不变）（幅值不变）误差误差 3dB对应的频率范围对应的频率范围通频带、频带、工作频带通频带、频带、工作频带相位与频率的关系相位与频率的关系A()：输出幅值与静态幅值比输出幅值与静态幅值比-系统的系统的动态灵敏度动态灵敏度（增益）（增益）2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析2(jj)是个复数，是个复数，可以用可以用e e 指数的形式
27、表示：指数的形式表示：(j)的实部的实部 (j)的虚部的虚部 第30页，本讲稿共60页a)零阶系统零阶系统：微分方程：微分方程：特特点点：a)属于静态环节：属于静态环节：d)实际零阶环节：缓慢变化，频率较低实际零阶环节：缓慢变化，频率较低-近似零阶环节近似零阶环节c)与时间无关，与频率无关，无滞后，与时间无关，与频率无关，无滞后，无惯性无惯性理想环节理想环节静态灵敏度系数静态灵敏度系数b)输出输出 输入输入又称：比例环节又称：比例环节幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：实实例例：电位计式角位移传感器电位计式角位移传感器微分方程：微分方程：静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：UEU0 2.3 传
28、感器的动态特性分析传感器的动态特性分析3第31页，本讲稿共60页b)一阶系统一阶系统：微分方程：微分方程：时间常数时间常数静态灵敏度静态灵敏度幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析4负号表示相位滞后负号表示相位滞后时间常数时间常数 越小，系统越小，系统的频率特性越好的频率特性越好传递函数：传递函数：频率特性：频率特性：第32页，本讲稿共60页 2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析5 1/时：时：A()=Sn()=0它表明传感器输出与它表明传感器输出与输入为线性关系；低输入为线性关系；低频低阻尼频低阻尼,无失真测无失真测试试无滞后无滞
29、后,1/时：时：A()()幅值衰减幅值衰减相位滞后相位滞后幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 对数图（伯德图）：对数图（伯德图）：一阶传感器的频率特性一阶传感器的频率特性00-10-20-90-45-20dB/10倍频失真失真近似零阶近似零阶第33页，本讲稿共60页c)二阶系统二阶系统：微分方程：微分方程：固有频率固有频率阻尼比阻尼比 2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析6传递函数传递函数幅频特性幅频特性相频特性相频特性频率特性频率特性第34页，本讲稿共60页当当/n0.3时时：与阻尼比有关与阻尼比有关当当 =0时，时，A(n)=,附近谐振附近谐振现象现象,较大时较大时,：A()
30、1时时：当当 1时时：当当=1时时：无过冲，无震荡，无过冲，无震荡，过阻尼过阻尼曲线上升慢，响应速度低曲线上升慢，响应速度低产生衰减震荡产生衰减震荡 欠阻尼欠阻尼曲线上升块，响应速度高曲线上升块，响应速度高临界阻尼临界阻尼一般取：一般取：=0.60.8最大超调量不超过最大超调量不超过2.5 -10 ,允许动态允许动态误差误差2 -5 2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析11 b)二阶环节二阶环节：二阶传感器的微分方程：二阶传感器的微分方程：y ys sn n2 21 1nt=01.510.60.2随阻尼比随阻尼比的不同，有的不同，有三种不同的解。三种不同的解。第40页，本讲稿共60
31、页2.3 传感器的动态特性分析传感器的动态特性分析12 弹簧弹簧(k)=a0阻阻尼尼(c)=a1质量质量(m)=a2静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：运动微分方程：运动微分方程：固有频率固有频率:阻尼比阻尼比:二阶传感器二阶传感器实例：实例：压电式动态测力传感器压电式动态测力传感器第41页，本讲稿共60页重要结论重要结论频响函数频响函数的含义是一系统对输入与输出皆为正弦信号传递关的含义是一系统对输入与输出皆为正弦信号传递关系的描述。它反映了系统稳态输出与输入之间的关系，也称系的描述。它反映了系统稳态输出与输入之间的关系，也称为正弦传递函数。为正弦传递函数。传递函数传递函数是系统对输入是正弦信号，
32、而输出是正弦叠加瞬态信号是系统对输入是正弦信号，而输出是正弦叠加瞬态信号传递关系的描述。它反映了系统包括传递关系的描述。它反映了系统包括稳态稳态和和瞬态瞬态输出与输入之间输出与输入之间的关系。的关系。如只研究稳态过程的信号，则用频响函数来分析系统。如研如只研究稳态过程的信号，则用频响函数来分析系统。如研究稳态和瞬态全过程信号，则用传递函数来分析系统。究稳态和瞬态全过程信号，则用传递函数来分析系统。第42页，本讲稿共60页 2.4 传感器技术指标传感器技术指标第43页，本讲稿共60页基本参数指标基本参数指标环境参数指标环境参数指标可靠性可靠性指标指标其他指标其他指标量程指标量程指标：量程范围、过
33、载能力等量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标：灵灵敏敏度度、分分辨辨力力、满满量量程程输输出出等等精度有关指标：精度有关指标：精精度度、误误差差、线线性性、滞滞后后、重重复复性性、灵敏度误差、稳定性灵敏度误差、稳定性 动态性能指标动态性能指标：固固定定频频率率、阻阻尼尼比比、时时间间常常数数、频频率率响响应应范范围围、频频率率特特性性、临临界界频频率率、临临界界速速度度、稳稳定定时时间间等等 温度指标温度指标：工工作作温温度度范范围围、温温度度误误差差、温温度度漂漂移移、温温度度系系数、热滞后等数、热滞后等 抗冲振指标抗冲振指标：允允许许各各向向抗抗冲冲振振的的频频率率、振振幅幅及及加加速
34、速度度、冲冲振振所所引引入入的误差的误差 其他环境参数其他环境参数：抗抗潮潮湿湿、抗抗介介质质腐腐蚀蚀等等能能力力、抗抗电电磁磁场场干干扰扰能能力等力等工作寿工作寿命、平命、平均无故均无故障时间、障时间、保险期、保险期、疲劳性疲劳性能、绝能、绝缘电阻、缘电阻、耐压及耐压及抗飞弧抗飞弧等等使用有关指标使用有关指标：供供电电方方式式（直直流流、交交流流、频频率率及及波波形形等等）、功功率率、各各项项分分布布参参数数值值、电电压压范围与稳定度等范围与稳定度等外外形形尺尺寸寸、重重量量、壳壳体体材材质质、结结构构特特点等点等安安装装方方式式、馈馈线线电电缆缆等等2.4 传感器技术指标传感器技术指标第4
35、4页，本讲稿共60页2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法2.5.1合理选择结构、材料和参数合理选择结构、材料和参数2.5.2差动技术差动技术2.5.3 补偿与修正技术补偿与修正技术2.5.4 平均技术平均技术2.5.5 屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制2.5.6 稳定性处理稳定性处理2.5.7集成化和智能化、微型化集成化和智能化、微型化第45页，本讲稿共60页 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法12.5.12.5.1合理选择结构、材料和参数合理选择结构、材料和参数合理选择结构、材料和参数合理选择结构、材料和参数根据实际需要与可能，在设计、制造传感器时合理选择其
36、结构、根据实际需要与可能，在设计、制造传感器时合理选择其结构、材料材料和参数，以确保高的性能价格比和参数，以确保高的性能价格比.2.5.22.5.2差动技术差动技术差动技术差动技术如一传感器如一传感器 y1=a0+a1x+a2x2+a3x3另一传感器另一传感器 y2=a0-a1x+a2x2-a3x3两者相减两者相减y=y1-y2=2（a1x+a3x3+-）总输出消除了零位输出和偶次方非线性项，减小非线性灵敏度增加一倍，如总输出消除了零位输出和偶次方非线性项，减小非线性灵敏度增加一倍，如差动式电阻应变式、电感式、电容式等差动式电阻应变式、电感式、电容式等.第46页，本讲稿共60页2.5 提高传感
37、器性能的方法提高传感器性能的方法22.5.3 2.5.3 2.5.3 2.5.3 补偿与修正技术补偿与修正技术补偿与修正技术补偿与修正技术 补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：针对传感器本身特性针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境针对传感器的工作条件或外界环境 对对于于传传感感器器特特性性，找找出出误误差差的的变变化化规规律律，或或者者测测出出其其大大小小和和方方向向，采采用用适适当当的的方方法法加加以以补偿或修正。补偿或修正。针对针对传感器工作条件或外界环境传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术进行误差补偿，也
38、是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。规律，然后引入温度补偿措施。补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。补偿与
39、修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。第47页，本讲稿共60页 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法3 2.5.4 2.5.4 2.5.4 2.5.4 平均技术平均技术平均技术平均技术 在在传传感感器器中中普普遍遍采采用用平平均均技技术术可可产产生生平平均均效效应应，其其原原理理是是利利用用若若干干个个传传感感单单元元同同时时感感受受被被测测量量，其其输输出出则则是是这这些些单单元元输输出出的的平平均均值值，若若将将每每个个单单元元可可能能带带来来的的误误差差均均可可看看作作随随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为机误差且服从正态
40、分布，根据误差理论，总的误差将减小为=/n式中式中 n传感单元数。传感单元数。可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。大信号量，即增大传感器灵敏度。第48页，本讲稿共60页 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法42.5.5 2.5.5 2.5.5 2.5.5 屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制 传传感感器器大大都都要要在在现现场场工工作作，现现场场的的条条件件往往往往是是难难以以充充分分预预料料的的，有有时时是是极极其其恶恶劣劣的的
41、。各各种种外外界界因因素素要要影影响响传传感感器器的的精精度度与与各各有有关关性性能能。为为了了减减小小测测量量误误差差，保保证证其其原原有有性性能能，就就应应设设法法削削弱弱或或消消除除外外界界因因素素对对传传感器的影响。其方法有：感器的影响。其方法有：u 减小传感器对影响因素的灵敏度减小传感器对影响因素的灵敏度u 降低外界因素对传感器实际作用的程度降低外界因素对传感器实际作用的程度对于电磁干扰，可以采用对于电磁干扰，可以采用屏蔽屏蔽、隔离隔离措施，也可用措施，也可用滤波滤波等方法抑制。等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采对于如温度、湿度、机械振动、气压
42、、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的用相应的隔离措施隔离措施，如，如隔热、密封、隔振隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行后对干扰信号进行分离或抑制分离或抑制，减小其影响。，减小其影响。第49页，本讲稿共60页 2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法5 2.5.6 2.5.6 稳定性处理稳定性处理 在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。续电路的关键元器件进行老化处理。提高传感器性能的稳定性措施：提高传感器性能的稳定性措施：对材料
43、、元器件或传感器整体进行必对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。造成传感器性能不稳定的原因是：造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，
44、尤其是对那些很难或无法定期标定的其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。场合。第50页，本讲稿共60页2.5.7集成化和智能化、微型化集成化和智能化、微型化 大大扩大传感器的功能、改善传感器的性能、减小成本大大扩大传感器的功能、改善传感器的性能、减小成本.2.5 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法6第51页，本讲稿共60页2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定2.6.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定2.6.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定第52页，本讲稿共60页 2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定1 1 传感器的标定分为传感器的标定
45、分为:A.静态标定静态标定线性度、灵敏度、滞后和重复性线性度、灵敏度、滞后和重复性B.动态标定动态标定频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比1 标定标定-定量描述的误差定量描述的误差,确定误差确定误差/确定特性的所有操作确定特性的所有操作量传过程量传过程:用户用户-厂家厂家-地区标准化地区标准化/计量机构计量机构-国家标准化国家标准化/计量机构（计量局）计量机构（计量局）（第一环）（第一环）（第二环）（第二环）（第三环）（第三环）最高标准最高标准/计量权计量权威威第53页，本讲稿共60页2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定2 2 标准系统比较式标准系统比较
46、式 标准被测量比较式标准被测量比较式 标定方式：标定方式：相同条件下相同条件下-被标定系统与已知的标准系统被标定系统与已知的标准系统-同一被测量同一被测量-比较输出结果比较输出结果-确定被标定确定被标定系统误差系统误差被标定系统被标定系统 -已知的标准量（长度已知的标准量（长度/重量等）重量等）检检测结果比较测结果比较 -偏差为系统误差偏差为系统误差标准仪器标准仪器/标准被测量标准被测量-标准追搠性标准追搠性第54页，本讲稿共60页2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定3 3 标定内容：标定内容：量程与范围量程与范围 零点设置零点设置 分辨力分辨力 非线性非线性 灵敏度灵敏度 频率相应特性频
47、率相应特性-标定报告标定报告 阶跃与其他输入的响应阶跃与其他输入的响应 外部环境（温度、湿度、光照度、振动、磁场等）的影外部环境（温度、湿度、光照度、振动、磁场等）的影响响第55页，本讲稿共60页2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定4 42.6.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定A.静态标准条件静态标准条件静态标准条件静态标准条件无加速度、振动、冲击、温度无加速度、振动、冲击、温度205，温，温 度不度不大于大于85%，大气压，大气压1018KpaB.标定仪器的精度等级标定仪器的精度等级标定仪器的精度等级标定仪器的精度等级标定仪器的精度等级至少要比被标定仪器的精度等级至少要比被标
48、定的传感器精度高一个等级标定的传感器精度高一个等级C.静态特性标定方法静态特性标定方法静态特性标定方法静态特性标定方法a.传感器全量程分成等间距传感器全量程分成等间距b.由小到大逐渐输入标准量值并记录相对应的输出值由小到大逐渐输入标准量值并记录相对应的输出值c.由大到小逐渐减少输入值，记录相对应的输出值由大到小逐渐减少输入值，记录相对应的输出值d.对传感器进行正、反行程往复循环，多次测试对传感器进行正、反行程往复循环，多次测试e.对数据进行处理，确定线性度、灵敏度、滞后和重复性对数据进行处理，确定线性度、灵敏度、滞后和重复性第56页，本讲稿共60页2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定5 5
49、yx 1X (kp)123456正行程Y (mv)反行程Y (mv)线性度、灵敏度、线性度、灵敏度、滞后和重复性滞后和重复性第57页，本讲稿共60页 2.6 2.6 传感器的标定传感器的标定6 62.6.2 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标定主要是研究传感器的动态响应，传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数时间常数 ，二阶传感器则有，二阶传感器则有固有频率固有频率 和和阻尼阻尼比比 两个参数。两个参数。一种较好的方法是通过测量传感器的阶跃响应，一种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。可以确定传感器的时间常数固有频率和阻尼比。第58页，本讲稿共60页本章要点传感器各项静态性能指标的定义及其意义。传感器各项静态性能指标的定义及其意义。传感器各项动态性能指标的定义及其意义。传感器各项动态性能指标的定义及其意义。有关参数的计算。有关参数的计算。第59页，本讲稿共60页完完第60页，本讲稿共60页