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1、传感器原理及应用教程第1页，共47页，编辑于2022年，星期三2.1 2.1 传感器的组成和分类传感器的组成和分类传传感器的作用感器的作用传传感器的定感器的定义义传传感器的感器的组组成成传传感器的分感器的分类类第2页，共47页，编辑于2022年，星期三人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较眼（视觉）眼（视觉）耳（听觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉）舌（味觉）舌（味觉）感知外界信息感知外界信息 大脑大脑 肌体肌体2.1 2.1 传感器的组成和分类传感器的组成和分类1 1、传感器的地位和作用、传感器的地位和作用第3页，共47页，编辑于2022年，星期三第4页，共47页
2、，编辑于2022年，星期三传感器传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一术三大支柱之一 。第5页，共47页，编辑于2022年，星期三工工业业生生产产第6页，共47页，编辑于2022年，星期三智能建筑智能建筑降低能耗降低能耗提高操作者工提高操作者工作效率作效率提高楼宇内提高楼宇内部舒适程度部舒适程度提供高效的提供高效的设备管理手
3、段设备管理手段监控软件监控软件缩短投资回收周期缩短投资回收周期降低培训成本降低培训成本第7页，共47页，编辑于2022年，星期三航空航天宇宙飞船航空航天宇宙飞船 飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；振动测量；“阿波罗阿波罗1010”飞船对飞船对32953295个参数进行检测，其个参数进行检测，其中：中：温度传感器温度传感器559559个个压力传感器压力传感器140140个个信号传感器信号传感器501501个个遥控传感器遥控传感器142142个个整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体智能房
4、屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动显示、记录公路压力、温度、车流量）智能公路（自动显示、记录公路压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）未来世界未来世界第8页，共47页，编辑于2022年，星期三HumanwithSensors第9页，共47页，编辑于2022年，星期三传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空生物工程、甚至文物保护等等极
5、其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。项目，都离不开各种各样的传感器。血压测定方法和输出的结果血压测定方法和输出的结果第10页，共47页，编辑于2022年，星期三广广义义：传传感器感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定定规规律律转换转换成某种可用信号成某种可用信号输输出的出的器件和装置器件和装置。狭狭义义：能把外界非能把外界非电电信息信息转换转换成成电电信号信号输输出的器件。出的器件。国家国家标标准（准（GB76
6、65-87）：）：对传对传感器（感器（Transducer/Sensor）的定）的定义义：能能够够感受感受规规定的被定的被测测量并按照一定量并按照一定规规律律转换转换成可用成可用输输出信出信号的器件或装置。号的器件或装置。2 2、传感器的定义、传感器的定义第11页，共47页，编辑于2022年，星期三 测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化 的器件就是的器件就是传感器传感器。输入匹配输入匹配放大变换放大变换被测信号被测信号输出输出检测器件检测器
7、件信号处理信号处理广义传感器广义传感器第12页，共47页，编辑于2022年，星期三n传感器定义有以下含义传感器定义有以下含义它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置；测装置；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；量、生物量等；能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；是气、光、电物理量，主要是电
8、物理量；传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。n按使用场合不同又称为：按使用场合不同又称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：传感器功用：一感二传一感二传,即感受被测信息即感受被测信息,并传送出去。并传送出去。第13页，共47页，编辑于2022年，星期三3、传感器的组成、传感器的组成 辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路被测量被测量电量电量敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。一物理量的
9、元件。转换元件转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。成电路参量。基本转换电路基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。换电路），便可转换成电量输出。第14页，共47页，编辑于2022年，星期三实实际际上上，有有些些传传感感器器很很简简单单，有有些些则则较较复复杂杂，大大多多数数是是开环系统开环系统，也有些是带反馈的，也有些是带反馈的闭环系统闭环系统。由由敏敏感感元元件件和和转转换换元件组成的传感器元件组成的传感器由于空间的限制或者其他原因由于空间的限制或者其
10、他原因,转换电路常装入电箱中。然转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。由一个敏感元件组成的由一个敏感元件组成的最简单的传感器最简单的传感器质量块压电片第15页，共47页，编辑于2022年，星期三4.传感器的分类传感器的分类 物理型：物理型：化学型：利用电化学反应原理化学型：利用电化学反应原理 生物型：利用生物活性物质选择性生物型：利用生物活性物质选择性 结构型：取决于几何尺寸和形状结构型：取决于几何尺寸和形状物性型：取决于
11、材料性质物性型：取决于材料性质按按传感器的工作原理传感器的工作原理第16页，共47页，编辑于2022年，星期三 按被测量按被测量温度、温度、流量、流量、压力、湿度、浓度、力学量、磁学量、光学压力、湿度、浓度、力学量、磁学量、光学量、气体成分等量、气体成分等 根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号 根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器 传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器 按可变电参量：电阻型、电感型或电容型按可变电参量：电阻型、电感型或电容型 按
12、传感器技术发展：聋哑传感器按传感器技术发展：聋哑传感器(Dumb Sensor)(Dumb Sensor)、智能传感、智能传感器器(Smart Sensor)(Smart Sensor)、网络化传感器、网络化传感器(Networked Sensor)(Networked Sensor)其他分类其他分类第17页，共47页，编辑于2022年，星期三2.2 2.2 传感器的特性与主要性能指标传感器的特性与主要性能指标传感器的静态特性与主要性能指标传感器的静态特性与主要性能指标 传感器的动态特性与动态指标传感器的动态特性与动态指标第18页，共47页，编辑于2022年，星期三n定义：定义：传感器特性：指
13、输入传感器特性：指输入x x（被测量）与输出（被测量）与输出y y之间的关系之间的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系2.2传感器的特性与主要性能指标传感器的特性与主要性能指标2.2.1 1 传感器的静态特性与主要性能指标传感器的静态特性与主要性能指标 式中：式中：a a0 0输入量输入量x x为零时的输出量为零时的输出量;a a1 1,a,a2 2,a,an n非线性项系数非线性项系数。第19页，共47页，编辑于2022年，星期三1 1测量范围和量程测量
14、范围和量程 传感器所能测量到的最小被测量（输入）传感器所能测量到的最小被测量（输入）x xminmin与最大被测与最大被测量（输入）量（输入）x xmaxmax之间的范围称为传感器的测量范围之间的范围称为传感器的测量范围（measuring rangemeasuring range）,表示为表示为Y YFSFS或（或（x xminmin，x xmaxmax）。传感器测量范围的上限值与下限值之差传感器测量范围的上限值与下限值之差x xmaxmaxx xmin称为称为量程量程（spanspan）。例如一温度传感器的测量范围是）。例如一温度传感器的测量范围是-30-30+120,+120,那么那么该
15、传感器的量程为该传感器的量程为150 150。第20页，共47页，编辑于2022年，星期三2 2灵敏度与灵敏度误差灵敏度与灵敏度误差可见，传感器输出曲线的可见，传感器输出曲线的斜率斜率就是其灵敏度。对线性特性就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度s s是一常数，是一常数，与输入量大小无关。与输入量大小无关。传感器传感器输出的变化量输出的变化量 y y与引起该变化量的与引起该变化量的输入变化量输入变化量 x x之之比即为其比即为其静态灵敏度静态灵敏度(Sensitivity)(Sensitivity)，其表达式为，其表达式为线
16、性：线性：S=y/x非线性：非线性：S=dy/dx 第21页，共47页，编辑于2022年，星期三第22页，共47页，编辑于2022年，星期三静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行软件补偿，进行线性化处理线性化处理。3 3线性度线性度(Linearity)(Linearity)传感器的输出输入关系或多或少地存在非
17、线性。在不考虑迟滞、传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代静态特性可用下列多项式代数方程表示数方程表示：式中：式中：y y输出量；输出量；x x输入量；输入量；a a0 0零点输出；零点输出；a a1 1理论灵敏度；理论灵敏度；a a2 2、a a3 3、a an n非线性项系数。非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn第23页，共47页，编辑于2022年，星期三LLmaxmax一最大非线性
18、误差；一最大非线性误差；y yFSFS满量程输出。满量程输出。在采用直线拟合线性化时，全量程范围实际曲线与其拟合在采用直线拟合线性化时，全量程范围实际曲线与其拟合曲线之间的最大偏差与满量程输出值之比，就称为曲线之间的最大偏差与满量程输出值之比，就称为非线性非线性误差或线性度，误差或线性度，用相对误差用相对误差L表示：表示：一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是况下，总是采用直线拟合的办法采用直线拟合的办法来线性化。来线性化。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为
19、基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。考虑使用是否方便，计算是否简便。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；端端点连线平移拟合；点连线平移拟合；最小二乘拟合最小二乘拟合第24页，共47页，编辑于2022年，星期三第25页，共47页，编辑于2022年，星期三4 4迟滞迟滞0yxHmaxyFS迟滞特性迟滞特性式中式中 H Hmaxmax正反行程间
20、输出的最大差值。正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。值的最大者即为回程误差。传感器在正传感器在正(输入量增大输入量增大)反（输入量减小）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为行程中输出输入曲线不重合称为迟滞迟滞。迟滞差值：迟滞差值：正反行程的差值。正反行程的差值。迟滞误差：迟滞误差：传感器在全量
21、程范围内最大传感器在全量程范围内最大迟滞差值迟滞差值Hmax与满量与满量程输出值之比程输出值之比第26页，共47页，编辑于2022年，星期三5 5重复性重复性(Repeatability)(Repeatability)yx0Rmax2Rmax1重复性误差可用正反行程的最大重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即偏差表示，即重复性是指传感器在输入按同一方向重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续多次变动时所得特性曲做全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。线不一致的程度。或用标准差或用标准差计算，表示如下：计算，表示如下：RRmax1max1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏
22、差，RRmax2max2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。第27页，共47页，编辑于2022年，星期三分分辨辨力力用用绝绝对对值值表表示示,用用与与满满量量程程的的百百分分数数表表示示时时称称为为分分辨辨率率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。6 6分辨力与分辨率分辨力与分辨率分辨力（分辨力（resolutionresolution）:指指传传感器能感器能检测检测到的最小的到的最小的输输入增量入增量的的x xminmin的的绝对值绝对值。有些有些传传感器感器,当当输输入量入量连续变连续变化化时时,输输出量只作出量只作阶阶梯梯变变化化,则则
23、分分辨力就是辨力就是输输出量的每个出量的每个“阶阶梯梯”所代表的所代表的输输入量的大小。分入量的大小。分辨率反映了辨率反映了传传感器感器检测输检测输入微小入微小变变化的能力。化的能力。影响影响传传感器分辨力的因素很多，如机械运感器分辨力的因素很多，如机械运动动部件的摩擦、部件的摩擦、电电路中的路中的储储能元件和能元件和A/DA/D的位数。在的位数。在传传感器的感器的测测量范量范围围内，内，由于其由于其输输入入/输输出之出之间间呈非呈非线线性关系，所以在不同性关系，所以在不同输输入入时时分辨力不同，用分辨力不同，用max|max|x xminmin|表示表示传传感器的分辨力。用感器的分辨力。用满
24、满量程量程的百分数表示的百分数表示时时称称为为分辨率。分辨率。第28页，共47页，编辑于2022年，星期三被被测测量量可可能能以以各各种种形形式式随随时时间间变变化化，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。其其间间的的关关系系用用动动态态特特性方程描述。性方程描述。2.2.22.2.2、传感器的动态特性与动态指标、传感器的动态特性与动态指标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。指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。传感器动态特性方程就是指在动态测量时，传感器的输出量与输传感器动态特性方程就是指在动态测量时，传感器
25、的输出量与输入被测量之间随时间变化的函数关系。入被测量之间随时间变化的函数关系。它依赖于传感器本身的测量原理、结构，取决于系统内部机械的、它依赖于传感器本身的测量原理、结构，取决于系统内部机械的、电气的、磁性、光学的等各种参数，而且这个特性本身不因输入量、电气的、磁性、光学的等各种参数，而且这个特性本身不因输入量、时间和环境条件的不同而变化。时间和环境条件的不同而变化。使用传感器时，根据动态特性及使用条件确定使用方法，同时使用传感器时，根据动态特性及使用条件确定使用方法，同时估计给定条件下传感器动态误差、响应速度估计给定条件下传感器动态误差、响应速度(延迟时间延迟时间)和动态和动态灵敏度。灵敏
26、度。第29页，共47页，编辑于2022年，星期三传感器动态特性可用下列微分方程描述传感器动态特性可用下列微分方程描述下面只研究零阶、一阶、二阶系统：下面只研究零阶、一阶、二阶系统：第30页，共47页，编辑于2022年，星期三1 1零阶传感器动态特性指标零阶传感器动态特性指标零阶传感器的输出通过下列类型的方程与其输入相联系零阶传感器的输出通过下列类型的方程与其输入相联系 y(t)=kx(t)y(t)=kx(t)传感器的传输函数传感器的传输函数 G(s)=kG(s)=k传感器的频率特性传感器的频率特性 G(j)=kG(j)=k k k：静态灵敏度或放大系数。：静态灵敏度或放大系数。零阶传感器是比例
27、传感系统，传函恒定不变。因此，传感器零阶传感器是比例传感系统，传函恒定不变。因此，传感器的动态误差和延迟两者皆为零。的动态误差和延迟两者皆为零。上式的输入上式的输入输出关系要求传感器不包含任何储能元件。例如，输出关系要求传感器不包含任何储能元件。例如，用来测量线性位移和旋转位移的电位器型传感器。用来测量线性位移和旋转位移的电位器型传感器。第31页，共47页，编辑于2022年，星期三2 2一阶传感器动态特性指标一阶传感器动态特性指标在一阶传感器中包含一个储能元件和另一些耗能元件。在一阶传感器中包含一个储能元件和另一些耗能元件。输入输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t)由一阶微分方程描述
28、：由一阶微分方程描述：相应的传递函数为：相应的传递函数为：K K静态灵敏度静态灵敏度(静态增益静态增益)，K=1/aK=1/a0 0时间常数，时间常数，=a=a1 1/a/a0 0第32页，共47页，编辑于2022年，星期三 对初始状态为零的传感器对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号当输入一个单位阶跃信号第33页，共47页，编辑于2022年，星期三一阶传感器的单位阶跃响应信号为一阶传感器的单位阶跃响应信号为 相相应应的的响响应应曲曲线线如如图图2-72-7所所示示。由由图图可可见见,传传感感器器存存在在惯惯性性,它它的的输输出出不不能能立立即即复复现现输输入入信信号号,而而是是从从零
29、零开开始始,按按指指数数规规律律上上升升,最最终终达达到到稳稳态态值值。理理论论上上传传感感器器的的响响应应只只在在t t趋趋于于无无穷穷大大时时才才达达到到稳稳态态值值,但但实实际际上上当当t=4t=4时时其其输输出出达达到到稳稳态态值值的的98.2%,98.2%,可可以以认认为为已已达达到到稳稳态态。越越小小,响响应应曲曲线线越越接接近近于于输输入入阶阶跃跃曲曲线线,因因此此,值值是是一一阶阶传传感感器器重重要要的的性性能能参数。参数。第34页，共47页，编辑于2022年，星期三第35页，共47页，编辑于2022年，星期三二阶传感器包含两个储能元件和一些耗能元件。如，由质二阶传感器包含两个
30、储能元件和一些耗能元件。如，由质量、弹簧和阻尼器构成的加速度传感器，可变电感、分布量、弹簧和阻尼器构成的加速度传感器，可变电感、分布电容和匹配电阻构成的位移传感器，均为经典的二阶系统。电容和匹配电阻构成的位移传感器，均为经典的二阶系统。传感器输入传感器输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t)由二阶微分方程相联系：由二阶微分方程相联系：传递函数：传递函数：3 3二阶传感器动态特性指标二阶传感器动态特性指标时间常数，时间常数，；n n固有频率固有频率,n n=1/=1/阻尼系数，阻尼系数，；k k静态灵敏度，静态灵敏度，k k=b b0 0/a a0 0(常取为常取为1)第36页，共47页
31、，编辑于2022年，星期三2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0二阶传感器幅频与相频特性二阶传感器幅频与相频特性（a a）幅频特性）幅频特性 （b b）相频特性）相频特性当当00时时，在，在=1=1处处A A()()趋趋近无近无穷穷大，大，这这一一现现象称之象称之为谐为谐振。随着振。随着的增的增大，振大，振
32、荡现荡现象逐象逐渐渐不不明明显显。当当0.7070.707时时，不，不再出再出现现振振荡荡，这时这时A A()()将随着将随着的增的增大而大而单调单调下降。下降。阻尼系数的影响阻尼系数的影响A()第37页，共47页，编辑于2022年，星期三二阶传感器的阶跃响应二阶传感器的阶跃响应单位阶跃响应通式单位阶跃响应通式n n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特征方程特征方程根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：1 1）0 01(1(有有/欠阻尼欠阻尼)：该特征方程具有共轭复数根：该特征方程具有共轭复数根方程通解方程通解根据根据t t,y
33、ykAkA求出求出A A3 3；根据初始条件；根据初始条件求出A1、A2，则令x=A第38页，共47页，编辑于2022年，星期三其其曲曲线线如如图图,这这是是一一衰衰减减振振荡荡过过程程,越越小小,振振荡荡频频率率越越高高,衰衰减越慢。减越慢。tw0.021ttmm1(1(过阻尼过阻尼)：特征方程具有两个不同的实根：特征方程具有两个不同的实根3)=1(3)=1(临界阻尼临界阻尼)：特征方程具有重根：特征方程具有重根-1/,-1/,过渡函数为过渡函数为上两式表明，当上两式表明，当11时，该系统不再是振荡的，而是由两时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个
34、时个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。间常数不同。过渡函数为过渡函数为第40页，共47页，编辑于2022年，星期三杭州微图视觉科技有限公司杭州微图视觉科技有限公司赵工赵工 1385803497813858034978机器视觉系统机器视觉系统 工业相机工业相机 传感器传感器 工业镜头工业镜头第41页，共47页，编辑于2022年，星期三2.2 2.2 传感器的特性与主要性能指标传感器的特性与主要性能指标传感器的静态特性与主要性能指标传感器的静态特性与主要性能指标 传感器的动态特性与动态指标传感器的动态特性与动态指标第42页，共47页，编辑于2022年，星期三n定义：定义
35、：传感器特性：指输入传感器特性：指输入x x（被测量）与输出（被测量）与输出y y之间的关系之间的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系2.2传感器的特性与主要性能指标传感器的特性与主要性能指标2.2.1 1 传感器的静态特性与主要性能指标传感器的静态特性与主要性能指标 式中：式中：a a0 0输入量输入量x x为零时的输出量为零时的输出量;a a1 1,a,a2 2,a,an n非线性项系数非线性项系数。第43页，共47页，编辑于2022年，星期三1 1测
36、量范围和量程测量范围和量程 传感器所能测量到的最小被测量（输入）传感器所能测量到的最小被测量（输入）x xminmin与最大被测量与最大被测量（输入）（输入）x xmaxmax之间的范围称为传感器的测量范围之间的范围称为传感器的测量范围（measuring rangemeasuring range）,表示为表示为Y YFSFS或（或（x xminmin，x xmaxmax）。传感器测量范围的上限值与下限值之差传感器测量范围的上限值与下限值之差x xmaxmaxx xmin称为称为量程量程（spanspan）。例如一温度传感器的测量范围是）。例如一温度传感器的测量范围是-30-30+120,+1
37、20,那那么该传感器的量程为么该传感器的量程为150 150。第44页，共47页，编辑于2022年，星期三静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理线性化处理。3 3线性度线性度(Linearity)(Linearity)传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑传感器的输出输入关系
38、或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用静态特性可用下列多项式代数方程表示下列多项式代数方程表示：式中：式中：y y输出量；输出量；x x输入量；输入量；a a0 0零点输出；零点输出；a a1 1理论灵敏度；理论灵敏度；a a2 2、a a3 3、a an n非线性项系数。非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn第45页，共47页，编辑于2022年，星期三LLmaxmax一最大非线性误差；一最大非线性误差；y yFS
39、FS满量程输出。满量程输出。在采用直线拟合线性化时，全量程范围实际曲线与其拟合在采用直线拟合线性化时，全量程范围实际曲线与其拟合曲线之间的最大偏差与满量程输出值之比，就称为曲线之间的最大偏差与满量程输出值之比，就称为非线性误非线性误差或线性度，差或线性度，用相对误差用相对误差L表示：表示：一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是的情况下，总是采用直线拟合的办法采用直线拟合的办法来线性化。来线性化。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。是否方便，计算是否简便。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；端端点连线平移拟合；点连线平移拟合；最小二乘拟合最小二乘拟合第46页，共47页，编辑于2022年，星期三第47页，共47页，编辑于2022年，星期三