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1、第第1章章 传感器的特性传感器的特性2023/2/232023/2/23现在学习的是第1页，共49页1.1 传感器的组成及分类传感器的组成及分类1.1.1 传感器的组成传感器的组成 传传感感器器的的作作用用主主要要是是感感受受和和响响应应规规定定的的被被测测量量，并并按按一一定定规规律律将将其其转转换换成成有有用用输输出出，特特别别是是完完成成非非电电量到电量的转换。量到电量的转换。传传感感器器的的组组成成：由由敏敏感感元元件件（有有时时又又称称为为预预变变换换器器）和和变变换换元元件件（有有时时又又称称为为变变换换器器）两两部部分分组组成成，见图见图1.1。图图1.1 传感器的一般组成传感器
2、的一般组成2023/2/232023/2/23现在学习的是第2页，共49页1.敏感元件敏感元件在在具具体体实实现现非非电电量量到到电电量量间间的的变变换换时时，并并非非所所有有的的非非电电量量都都能能利利用用现现有有的的技技术术手手段段直直接接变变换换为为电电量量，而而必必须须进进行行预预变变换换：即即先先将将待待测测的的非非电电量量变变为为易易于于转转换换成成电电量量的的另另一一种种非非电电量量。这种。这种能完成预变换的器件能完成预变换的器件称之为称之为敏感元件敏感元件。2.变换器变换器能能将将感感受受到到的的非非电电量量变变换换为为电电量量的的器器件件称称为为变变换换器器。例例如如：可可以
3、以将将位位移移量量直直接接变变换换为为电电容容、电电阻阻及及电电感感的的电电容容变变换换器器、电电阻阻及及电电感感变变换换器器；能能直直接接把把温温度度变变换换为为电电势势的的热热电电偶偶变变换换器。显然变换器是传感器不可缺少的重要组成部分器。显然变换器是传感器不可缺少的重要组成部分。2023/2/232023/2/23现在学习的是第3页，共49页如如果果把把传传感感器器看看作作一一个个二二端端口口网网络络，则则其其输输入入信信号号主主要要是是被被测测的的物物理理量量（如如长长度度、力力）等等时时，必必然然还还会会有有一一些些难难以以避避免免的的干干扰扰信信号号（如如温温度度、电电磁磁信信号号
4、）等等混混入入。严严格格地地说说，传传感感器器的的输输出出信信号号可可能能为为上上述述各各种种输输入入信信号号的的复复杂杂函函数数。就就传传感感器器设设计计来来说说，希希望望尽尽可可能能做做到到输输出出信信号号仅仅仅仅是是（或或分分别别是）是）某一被测信号某一被测信号的的确定性单值函数，确定性单值函数，且且最好呈线性关系。最好呈线性关系。对对使使用用者者来来说说，则则要要选选择择合合适适的的传传感感器器及及相相应应的的电电路路，保保证证整整个个测测量量设设备备的的输输出出信信号号能能唯唯一一、正正确确地地反反映映某某一一被被测测量量的的大大小小，而而对对其其它它干干扰扰信信号号能能加加以以抑抑
5、制制或或对对不不良良影影响响能能设设法加以法加以修正修正。2023/2/232023/2/23现在学习的是第4页，共49页传传感感器器可可以以做做得得很很简简单单，也也可可以以做做得得很很复复杂杂；可可以以是是无无源源的的网网络络，也也可可以以是是有有源源的的系系统统；可可以以是是带带反反馈馈的的闭闭环环系系统统，也也可可以以是是不不带带反反馈馈的的开开环环系系统统；一一般般情情况况下下只只具具有有变变换换的的功功能能，但但也也可可能能包包含含变变换换后后信信号号的的处处理理及及传传输输电电路路甚甚至至包包括括微微处处理理器器CPU。因因此此传传感感器器的的组组成成将将随随不不同同情情况况而异
6、而异。1.1.2 传感器的分类传感器的分类 传传感感器器的的分分类类方方法法很很多多，国国内内外外尚尚无无统统一一的的分分类类方方法法。一般按如下几种方法进行分类。一般按如下几种方法进行分类。1.按输入被测量分类按输入被测量分类这这种种方方法法是是根根据据输输入入物物理理量量的的性性质质进进行行分分类类。表表1.1给给出了传感器输入的基本被测量和由此派生的其它量。出了传感器输入的基本被测量和由此派生的其它量。2023/2/232023/2/23现在学习的是第5页，共49页表表1.1 传感器输入被测量传感器输入被测量2023/2/232023/2/23现在学习的是第6页，共49页 2.按工作原理
7、分类按工作原理分类这种分类方法以传感器的工作原理作为分类依据，见表这种分类方法以传感器的工作原理作为分类依据，见表1.2。表表1.2 传感器按工作原理的分类传感器按工作原理的分类2023/2/232023/2/23现在学习的是第7页，共49页3.按输出信号形式分类按输出信号形式分类 这种分类方法是根据传感器输出信号的不同来进行分类，这种分类方法是根据传感器输出信号的不同来进行分类，见表见表1.3。2023/2/232023/2/23现在学习的是第8页，共49页1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 可通过两个基本特性即传感器的可通过两个基本特性即传感器的静态特性和动态静态特性和动态特性特性来
8、表征一个来表征一个传感器性能的优劣。传感器性能的优劣。静态特性：静态特性：当被测量的各个值处于当被测量的各个值处于稳定状态稳定状态时，时，传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲传感器的输出值与输入值之间关系的数学表达式、曲线或数表。线或数表。动态特性：动态特性：指当指当被测量随时间变化被测量随时间变化时，传感器的时，传感器的输出与输入之间关系的数学表达式、曲线或数表。输出与输入之间关系的数学表达式、曲线或数表。2023/2/232023/2/23现在学习的是第9页，共49页静态校准：静态校准：借助实验的方法确定传感器静态特性的过程。借助实验的方法确定传感器静态特性的过程。校准特性：校准
9、特性：校准得到的静态特性。校准得到的静态特性。1.2.1 静态特性静态特性静特性指标：静特性指标：线性度性度迟滞滞重复性重复性精度精度 灵敏度灵敏度阈值分辨力分辨力漂移漂移2023/2/232023/2/23现在学习的是第10页，共49页1.线性度线性度人人们们为为了了标标定定和和数数据据处处理理的的方方便便，总总是是希希望望传传感感器器的的输输出出与与输输入入关关系系呈呈线线性性，并并能能准准确确无无误误地地反反映映被被测测量量的的真真值值，但但实际上这往往是不可能的。实际上这往往是不可能的。假假设设传传感感器器没没有有迟迟滞滞和和蠕蠕变变效效应应，其其静静态态特特性性可可用用下下列列多多项
10、式来描述：项式来描述：2023/2/232023/2/23现在学习的是第11页，共49页式中：式中：x输入量；输入量；y输出量；输出量；a0零位输出；零位输出；a1传感器的灵敏度，常用传感器的灵敏度，常用k表示；表示；a2，a3，an非线性项的待定常数。非线性项的待定常数。式式(1.1)即为即为传感器静态特性的数学模型传感器静态特性的数学模型。该多项式可。该多项式可能有能有四种四种情况，如图情况，如图1.2所示。所示。(1.1)2023/2/232023/2/23现在学习的是第12页，共49页设设ai0，a00。1)理想线性理想线性这种情况见图这种情况见图1.2(a)。此时。此时a0=a2=a
11、3=an=0于是：于是：y=a1x (1.2)因因为为直直线线上上任任何何点点的的斜斜率率都都相相等等，所所以以传传感器的感器的灵敏度灵敏度为：为：a1=k=常数常数（1.3）图图1.2 传感器静态特性曲线传感器静态特性曲线 2023/2/232023/2/23现在学习的是第13页，共49页2)输出输出-输入特性曲线关于原点对称输入特性曲线关于原点对称 如如图图1.2（b）。此此时时在在原原点点附附近近相相当当范范围围内内曲曲线线基基本本成成线线性性，式式（1.1）只只存存在在奇奇次次项：项：y=a1x+a3x3+a5x5+(1.4)3)输出输出-输入特性曲线不对称输入特性曲线不对称 这这时时
12、式式（1.1）中中非非线线性性项项只只是是偶偶次次项项，即：即：y=a1x+a2x2+a4x4+(1.5)对应曲线如图对应曲线如图1.2（c）所示。所示。图图1.2 传感器静态特性曲线传感器静态特性曲线 图图1.2 传感器静态特性曲线传感器静态特性曲线 2023/2/232023/2/23现在学习的是第14页，共49页4）普遍情况普遍情况 普普遍遍情情况况下下的的表表达达式式就就是是式式（1.1），对对应应的的曲曲线线如如图图1.2(d)所所示。示。当当传传感感器器特特性性出出现现如如图图1.2中中(b)、（c）、（d）所所示示的的非非线线性性情情况况时时，就就必必须须采采取取线线性性化化补补
13、偿偿措措施。施。图图1.2 传感器静态特性曲线传感器静态特性曲线 实际运用时，传感器数学模型的建立究竟应取几阶多项式，是一实际运用时，传感器数学模型的建立究竟应取几阶多项式，是一个数据处理问题。个数据处理问题。建立数学模型的古典方法是分析法。该法太复杂，有时甚至难以建立数学模型的古典方法是分析法。该法太复杂，有时甚至难以进行。进行。利用校准数据利用校准数据来建立数学模型，是目前普遍采用的一种方法，来建立数学模型，是目前普遍采用的一种方法，它很受人们重视，并得到了发展。它很受人们重视，并得到了发展。2023/2/232023/2/23现在学习的是第15页，共49页 传感器的传感器的静态特性静态特
14、性就是在就是在静态标准条件下静态标准条件下，利用校准数利用校准数 据确立的据确立的。静态标准条件静态标准条件是指没有是指没有加速度加速度、振动振动和和冲击冲击（除非这些参数本身（除非这些参数本身就是被测物理量），就是被测物理量），环境温度环境温度一般为一般为室温室温205，相对湿度不大于相对湿度不大于85%85%，大气压力大气压力为为101+-7KPa的情况的情况 。在这样的标准工作状态下，利用一。在这样的标准工作状态下，利用一定等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，得到的输出定等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，得到的输出-输入数据一输入数据一般用般用表格表格列出或列出或画成曲线画
15、成曲线。2023/2/232023/2/23现在学习的是第16页，共49页 通常测出的输出通常测出的输出-输入校准曲线与某一选定拟合直线输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻不吻合的程度合的程度，称之为传感器的，称之为传感器的“非线性误差非线性误差”，或称为，或称为“线性线性度度”。用。用相对误差相对误差表示其大小，即传感器的正、反行程平均表示其大小，即传感器的正、反行程平均校准曲线与拟合直线之间的最大偏差绝对值对满量程（校准曲线与拟合直线之间的最大偏差绝对值对满量程（F.S.）输出之比（输出之比（%）：）：（1.6）式中：式中：L非线性误差（线性度）；非线性误差（线性度）；|（yL）max|输出
16、平均值与拟合直线间的输出平均值与拟合直线间的最大偏差绝对值最大偏差绝对值；yF.S.满量程输出。满量程输出。F.S.是英文是英文full scale（满量程）的缩写。（满量程）的缩写。2023/2/232023/2/23现在学习的是第17页，共49页满满量量程程输输出出用用测测量量上上限限标标称称值值yH与与测测量量下下限限标标称称值值yL之之差的绝对值表示：差的绝对值表示：yF.S.=|yH-yL|非线性误差非线性误差的大小是以一定的的大小是以一定的拟合直线拟合直线作为作为基准直线基准直线而而算出来的。算出来的。基准直线不同，得出的线性度也不同。传感器在基准直线不同，得出的线性度也不同。传感
17、器在实际校准时所得的校准数据，总包括各种误差在内。实际校准时所得的校准数据，总包括各种误差在内。2023/2/232023/2/23现在学习的是第18页，共49页2023/2/232023/2/23现在学习的是第19页，共49页一一般般并并不不要要求求拟拟合合直直线线必必须须通通过过所所有有的的测测试试点点，而而只只要要找找到到一一条条能能反反映映校校准准数数据据的的趋趋势势同同时时又又使使误误差差绝绝对对值值为为最小的直线最小的直线就行。就行。由由于于采采用用的的拟拟合合直直线线即即理理论论直直线线不不同同，线线性性度度的的结结果果就就有有差差异异。因因此此，即即使使在在同同一一条条件件下下
18、对对同同一一传传感感器器作作校校准准实实验验时时，得得出出的的非非线线性性误误差差L也也就就不不一一样样，因因而而在在给给出出线线性度时，必须说明其所依据的拟合直线。性度时，必须说明其所依据的拟合直线。一一般般而而言言，这这些些拟拟合合直直线线包包括括理理论论直直线线、端端点点连连线线、最最小小二二乘乘拟拟合合直直线线、最最佳佳直直线线等等。与与之之对对应应的的有有理理论论线线性性度、端点连线线性度、最小二乘线性度、独立线性度度、端点连线线性度、最小二乘线性度、独立线性度等。等。2023/2/232023/2/23现在学习的是第20页，共49页 图图1.3 几种不同的拟合直线几种不同的拟合直线
19、 （a）理论直线理论直线（1）理论直线。理论直线。如图如图1.3(a)所示，所示，理论直线以传感器的理论特理论直线以传感器的理论特性直线（图示对角线）作为拟合直线，它与实际测试值无关性直线（图示对角线）作为拟合直线，它与实际测试值无关。其优点是简单、方便，但通常最大绝对偏差其优点是简单、方便，但通常最大绝对偏差（yL）max很大。很大。2023/2/232023/2/23现在学习的是第21页，共49页（2）端端点点连连线线。如如图图1.3(b)所所示示，它它是是以以传传感感器器校校准准曲曲线线两两端端点点间间的连线作为拟合直线的连线作为拟合直线。其方程式为：。其方程式为：y=b+kx 式式中中
20、b和和k分分别别为为截截距距和和斜斜率率。这这种种方方法法方方便便、直直观观，但但最最大绝对偏差大绝对偏差（yL）max也很大。也很大。图图1.3 几种不同的拟合直线几种不同的拟合直线 (b)端点连线端点连线2023/2/232023/2/23现在学习的是第22页，共49页 （3）最最小小二二乘乘拟拟合合直直线线。这这种种方方法法按按最最小小二二乘乘原原理理求求取取拟拟合合直直线线，该该直直线线能能保保证证传传感感器器校校准准数数据据的的残残差差平平方方和和最最小小。如如图图1.3(c)所所示示，若若用用y=kx+b表表示示最最小小二二乘乘拟拟合合直直线线，式式中中的的系系数数b和和k可根据下
21、述分析求得：可根据下述分析求得：图图1.3 几种不同的拟合直线几种不同的拟合直线 (c)最小二乘拟合直线最小二乘拟合直线2023/2/232023/2/23现在学习的是第23页，共49页按按最最小小二二乘乘法法原原理理，应应使使 最最小小。故故由由 ，分分别别对对k和和b求求一一阶阶偏偏导导数数并并令令其其等等于于零零，即即可可求求得得k和和b：设实际校准测试点有设实际校准测试点有n个，则第个，则第i个校准数据个校准数据yi与拟合直与拟合直线上相应值之间的残差为：线上相应值之间的残差为：i=yi-(b+kxi)2023/2/232023/2/23现在学习的是第24页，共49页式中式中:2023
22、/2/232023/2/23现在学习的是第25页，共49页 在在获获得得了了k和和b之之值值以以后后代代入入y=kx+b，即即可可得得拟拟合合直直线线，然然后后按按i=yi-(kx+b)求求出出残残差差的的最最大大值值（yL）max，就就求求出出了非线性误差。了非线性误差。最最小小二二乘乘法法的的拟拟合合精精度度很很高高，但但校校准准曲曲线线相相对对拟拟合合直直线线的的最最大大偏偏差差绝绝对对值值并并不不一一定定最最小小，最最大大正正、负负偏偏差差的的绝绝对值也不一定相等。对值也不一定相等。2023/2/232023/2/23现在学习的是第26页，共49页 （4 4）“最最佳佳直直线线”。这这
23、种种方方法法以以“最最佳佳直直线线”作作为为拟拟合合直直线线，该该直直线线能能保保证证传传感感器器正正、反反行行程程校校准准曲曲线线对对它它的的正正、负负偏偏差差相相等等并并且且最最小小，如如图图1.3(d)所所示示。由由此此所所得得的的线线性性度度称称为为“独独立立线线性性度度”。显显然然，这这种种方方法法的的拟拟合合精精度度最最高高。通通常常情情况况下下，“最佳直线最佳直线”只能用图解法或通过计算机解算来获得。只能用图解法或通过计算机解算来获得。图图1.3 几种不同的拟合直线几种不同的拟合直线 (d)“最佳直线最佳直线”2023/2/232023/2/23现在学习的是第27页，共49页2.
24、重复性重复性重重复复性性表表示示传传感感器器在在同同一一工工作作条条件件下下，被被测测输输入入量量按按同同一一方方向向做做全全程程连连续续多多次次重重复复测测量量时时，所所得得输输出出值值（所所得得校校准准曲曲线线）的的一一致致程程度度。它它是是反反映映传传感感器器精精密度密度的一个指标。的一个指标。通常用下式计算重复性：通常用下式计算重复性：式中，式中，YF.S.为理论满量程输出值，其计算式为：为理论满量程输出值，其计算式为：（1.7）2023/2/232023/2/23现在学习的是第28页，共49页式中：式中：xl对应于测量下限的输入值；对应于测量下限的输入值；xm对应于测量上限的输入值；
25、对应于测量上限的输入值；k理论特性直线的斜率。理论特性直线的斜率。式式（1.7）中中称称置置信信系系数数，通通常常取取2或或3。子子样样标标准准偏偏差差S S可可通通过过贝塞尔公式或极差公式贝塞尔公式或极差公式估算估算，即：，即：（1.7）2023/2/232023/2/23现在学习的是第29页，共49页而而2023/2/232023/2/23现在学习的是第30页，共49页式式中中：（m测测量量范范围围内内不不考考虑虑重重复复测测量量的的测测试试点点数数；j=1，2，m;n 重复测量次数；重复测量次数；yji的的含含义义是是：若若输输入入值值x=xj，则则在在相相同同条条件件下下进进行行n次次
26、重重复试验，获得复试验，获得n个输出值个输出值yj1yjn；i 重复测量序数；重复测量序数；算术平均值。算术平均值。或或(1.9)式中：式中：Wn极差，是指某一测量点校准数据的最大值与最极差，是指某一测量点校准数据的最大值与最 小小值之差；值之差；dn极差系数。极差系数。极差系数可根据所用数据的数目极差系数可根据所用数据的数目n由表由表1.4查得。查得。2023/2/232023/2/23现在学习的是第31页，共49页 理理论论与与实实践践证证明明，n不不能能太太大大，如如n大大于于12，则则计计算精度变差，这时要修正算精度变差，这时要修正dn。表表1.4 极差系数与测量次数的对应关系极差系数
27、与测量次数的对应关系2023/2/232023/2/23现在学习的是第32页，共49页3.迟滞迟滞迟滞表明传感器在迟滞表明传感器在正正（输入量增大）、（输入量增大）、反反（输入量减小）（输入量减小）行程期间行程期间，输出输出-输入曲线不重合的程度输入曲线不重合的程度。也就是说，对应于。也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等。相等。2023/2/232023/2/23现在学习的是第33页，共49页式中：（式中：（yH）max输出值在正、反行程间的最大差值；输出值在正、反行程间的最大差值；YF.S.理论满量程输出
28、值。理论满量程输出值。迟滞是传感器的一个性能指标，它反映了迟滞是传感器的一个性能指标，它反映了传感器的机械部分和传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点结构材料方面不可避免的弱点，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当，元件磨蚀、碎裂等。迟滞的大小一般由实验确定：当，元件磨蚀、碎裂等。迟滞的大小一般由实验确定：(1.10)2023/2/232023/2/23现在学习的是第34页，共49页4.精度（精确度）精度（精确度）精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标。一一般般用用方方和和根根法法或或代代数数和和法法计计算算精精度
29、度。用用线线性性度度、重重复复性性、迟迟滞滞三三项项的的方方和和根根或或简简单单代代数数和和表表示示（但但方方和和根根用用得得较较多）的精度计算式如下：多）的精度计算式如下：或或 =L+R+H (1.11b)(1.11a)2023/2/232023/2/23现在学习的是第35页，共49页当当一一个个传传感感器器或或传传感感器器测测量量系系统统设设计计完完成成，并并进进行行实实际际定定标标以以后后，人人们们有有时时又又以以工工业业上上仪仪表表精精度度的的定定义义给给出出其其精精度度。它它是是以以测测量量范范围围中中最最大大的的绝绝对对误误差差（测测量量值值与与真真实实值值的的差差）和和该该仪仪表
30、表的的测测量量范范围围之之比比来来测量测量，这种比值称为，这种比值称为相对（于满量程的）百分误差相对（于满量程的）百分误差。例例如如，某某温温度度传传感感器器的的刻刻度度为为0100，即即其其测测量量范范围围为为100。若若在在这这个个测测量量范范围围内内，最最大大测测量量误误差差不超过不超过0.5，则其相对百分误差为：，则其相对百分误差为：=0.5/100=0.5%去掉上式中相对百分误差的去掉上式中相对百分误差的“%”，称为仪表的精，称为仪表的精确度。它划分成若干等级，如确度。它划分成若干等级，如0.1级、级、0.2级、级、0.5级、级、1.0级等等。例中的温度传感器的精度即为级等等。例中的
31、温度传感器的精度即为0.5级。级。2023/2/232023/2/23现在学习的是第36页，共49页5.灵敏度灵敏度灵灵敏敏度度是是传传感感器器输输出出量量增增量量与与被被测测输输入入量量增增量量之之比比，用用k k来表示。来表示。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即：线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即：k=(y/x)灵敏度用输出、输入量之比表示。例如：某位移传感器在位移灵敏度用输出、输入量之比表示。例如：某位移传感器在位移变化变化1mm时，输出电压变化有时，输出电压变化有300mV，则其灵敏度为，则其灵敏度为300 mVmm。非线性传感器的灵敏度不是常数，其表示式为：非线性传感器的
32、灵敏度不是常数，其表示式为：2023/2/232023/2/23现在学习的是第37页，共49页有些情况下灵敏度有另一种含义，因为有许多传感器的有些情况下灵敏度有另一种含义，因为有许多传感器的输出电压与其电源电压有关，在同样输入量情况下，输出电输出电压与其电源电压有关，在同样输入量情况下，输出电压是不同的，这时压是不同的，这时灵敏度计算中还要考虑单位电源的作用灵敏度计算中还要考虑单位电源的作用。如若电源电压为如若电源电压为10 V，上例位移传感器的灵敏度应为，上例位移传感器的灵敏度应为30 mV(mmV)。6.阈值、分辨力阈值、分辨力当当一一个个传传感感器器的的输输入入从从零零开开始始极极缓缓慢
33、慢地地增增加加时时，只只有有在在达达到到了了某某一一最最小小值值后后才才测测得得出出输输出出变变化化，这这个个最最小小值值就就称称为为传传感感器器的的阈阈值值。在在规规定定阈阈值值时时，最最先先可可测测得得的的那那个个输输出出变变化化往往往往难难以以确确定定。因因此此，为为了了改改进进阈阈值值数数据据测测定定的的重重复复性性，最最好好给给输输出出变变化化规规定定一一个个确确定定的的数数值值，在在该该输输出出变变化化值值下下的的相相应输入就称为阈值应输入就称为阈值。2023/2/232023/2/23现在学习的是第38页，共49页分分辨辨力力是是指指当当一一个个传传感感器器的的输输入入从从非非零
34、零的的任任意意值值缓缓慢慢地地增增加加时时，只只有有在在超超过过某某一一输输入入增增量量后后输输出出才才显显示示有有变变化化，这这个个输输入入增增量量称称为为传传感感器器的的分分辨辨力力。有有时时用用该该值值相相对对满满量量程输入值百分数表示，则称为分辨率。程输入值百分数表示，则称为分辨率。阈值阈值说明了传感器的说明了传感器的最小可测出的输入量最小可测出的输入量。分辨力分辨力说明了传感器的说明了传感器的最小可测出的输入变化量最小可测出的输入变化量。2023/2/232023/2/23现在学习的是第39页，共49页7.时间漂移、零点和灵敏度温度漂移时间漂移、零点和灵敏度温度漂移漂漂移移量量的的大
35、大小小是是表表征征传传感感器器稳稳定定性性的的重重要要性性能能指指标标。传传感感器器的的漂漂移移有有时时会会致致使使整整个个测测量量或或控控制制系系统统处处于于瘫瘫痪痪。图图1.4示出了零点和灵敏度两种漂移的叠加。示出了零点和灵敏度两种漂移的叠加。时时间间漂漂移移通通常常是是指指传传感感器器零零位位随随时间变化时间变化的大小。的大小。国国内内外外对对漂漂移移指指标标尚尚无无统统一一规规定定，一一般般常常用用的的计计算算公公式式如如下下：时时间间漂漂移：移：(1.12)图图1.4 零点与灵敏度漂移零点与灵敏度漂移2023/2/232023/2/23现在学习的是第40页，共49页式式中中：y0（稳
36、稳定定t小小时时后后的的传传感感器器的的零零位位输输出出值值（注意，稳定时间可规定为大于（注意，稳定时间可规定为大于t小时的任意值）；小时的任意值）；y0传感器原先的零位输出值；传感器原先的零位输出值；yF.S.满量程输出值。满量程输出值。（1.14）灵敏度温度漂移：灵敏度温度漂移：（1.13）零点温度漂移：零点温度漂移：(1.12)2023/2/232023/2/23现在学习的是第41页，共49页 某某传传感感器器的的幅幅频频特特性性曲曲线线如如图图1.5所所示示，当当被被测测信信号号变变化化的的频频率率小小于于1时时，该该传传感感器器的的输输出出不不受受被被测测信信号号的的影影响响，能能正
37、正确地反映被测信号。确地反映被测信号。1.2.2 动态特性动态特性1.时域性能指标时域性能指标图图1.5 幅频特性曲线幅频特性曲线2023/2/232023/2/23现在学习的是第42页，共49页 通常在通常在阶跃函数作用下测定传感器动态性能的时域指阶跃函数作用下测定传感器动态性能的时域指标。标。一般认为，阶跃输入对一个传感器来说是最严峻的工一般认为，阶跃输入对一个传感器来说是最严峻的工作状态。如果在阶跃函数的作用下，传感器能满足动态性作状态。如果在阶跃函数的作用下，传感器能满足动态性能指标，那么，在其它函数作用下，其动态性能指标也必能指标，那么，在其它函数作用下，其动态性能指标也必定会令人满
38、意。定会令人满意。在理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的在理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应但在实际做过渡过程实验时，应保持阶跃输入信号在保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内传感器特性曲线的线性范围内。图。图1.6所示即为单位阶跃所示即为单位阶跃作用下传感器的动态特性。作用下传感器的动态特性。2023/2/232023/2/23现在学习的是第43页，共49页图图1.6 单位阶跃作用下传感器的动态特性单位阶跃作用下传感器的动态特性 2023/2/232023/2/23现在学习的是第44页，共49页 一一个
39、个正正式式的的传传感感器器产产品品在在出出厂厂时时要要标标定定它它的的指指标标。在在标标定定压压力力传传感感器器的的时时域域性性能能指指标标时时，常常用用激激波波管管与与瞬瞬态态示波器（或记录仪）作动态压力标定设备。示波器（或记录仪）作动态压力标定设备。通常用下述通常用下述四个指标四个指标来表示传感器的动态性能：来表示传感器的动态性能：时时间间常常数数T：输输出出值值上上升升到到稳稳定定值值y()的的63%所所需的时间。需的时间。上上升升时时间间tr：输输出出值值从从稳稳态态值值y()的的10%上上升升到到90%所需的时间。所需的时间。响响应应时时间间t5、t2：输输出出值值达达到到稳稳态态值
40、值的的95%或或98%所需的时间。所需的时间。2023/2/232023/2/23现在学习的是第45页，共49页 超超调调量量：在在过过渡渡过过程程中中，若若输输出出量量的的最最大大值值y(tp)y()，则响应无超调；若，则响应无超调；若y(tp)y()，则有超调，且：，则有超调，且：输出量输出量y(t)跟随输入量的时间快慢，是标定传感器动态性能的跟随输入量的时间快慢，是标定传感器动态性能的重要指标。确定这些性能指标的分析表达式以及技术指标的计算方法，重要指标。确定这些性能指标的分析表达式以及技术指标的计算方法，因不同阶次（如一阶、二阶或高阶次）传感器的动态数学模型而异。因不同阶次（如一阶、二
41、阶或高阶次）传感器的动态数学模型而异。具体计算方法可参阅自动控制原理方面的有关书籍。具体计算方法可参阅自动控制原理方面的有关书籍。2023/2/232023/2/23现在学习的是第46页，共49页 2.频域性能指标频域性能指标通通常常在在正正弦弦函函数数作作用用下下测测定定传传感感器器动动态态性性能能的的频频域域指指标标。在在标标定定压压力力传传感感器器的的频频域域性性能能指指标标时时，常常采采用用正正弦弦波波压力信号发生器。如图压力信号发生器。如图1.7中所示，频域常有如下指标：中所示，频域常有如下指标：通通频频带带b：对对数数幅幅频频特特性性曲曲线线上上幅幅值值衰衰减减3dB时时所所对应的
42、频率范围。对应的频率范围。工工作作频频带带g1或或g2：幅幅值值误误差差为为5%或或10%时时所所对对应的频率范围。应的频率范围。相位误差相位误差：在工作频带范围内相角应小于在工作频带范围内相角应小于5或或10，即为相位误差的大小。即为相位误差的大小。2023/2/232023/2/23现在学习的是第47页，共49页图图1.7 正弦压力作用于传感器的频域特性正弦压力作用于传感器的频域特性2023/2/232023/2/23现在学习的是第48页，共49页思考题与习题思考题与习题 1.传传感感器器的的输输出出-输输入入校校准准曲曲线线是是在在什什么么条条件件下下得得到到和和建建立立的的?2.传传感感器器的的静静态态、动动态态特特性性区区别别何何在在？衡衡量量传传感感器器的的静静态态、动态特性的主要指标有哪些？简述其含义。动态特性的主要指标有哪些？简述其含义。某线性位移测量仪，当被测位移由某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm4.5mm变到变到5.0mm5.0mm时，时，位移测量仪的输出电压由位移测量仪的输出电压由3.5V3.5V减至减至2.5V2.5V，求该仪器的灵敏度。，求该仪器的灵敏度。2023/2/232023/2/23现在学习的是第49页，共49页