第2章 传感器的基本特性（课件）- 《传感器检测技术》同步教学（机工版）

传感器与检测技术 第2章　 传感器的基本特性 概 述 传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。快变信号要考虑输出的动态特性，即随时间变化的特性；慢变信号要研究静态特性，即不随时间变化的特性。 概 述 传感器的各种性能由传感器输入与输出之间的关系来描述，视传感器为具有输入输出的二端网络。 当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。 当输入量（X）随时间变化时（如加速度、振动），讨论传感器的动态特性，输入输出关系称动态特性。 概 述 传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。 传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。 概 述 稳定性(零漂) 传感器 温度 供电 各种干扰稳定性 温漂 分辨力 冲击与振动 电磁场 线性 滞后 重复性 灵敏度 输入 误差因素 外界影响 传感器输入输出作用图 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，有时也可以对外界条件加以限制。 衡量传感器特性的主要技术指标 2.1 传感器的静态特性 传感器的静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。衡量传感器静态特性的重要指标是:线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。 一、线性度 通常为了标定和数据处理，要求传感器的输出-输入关系是线性关系，并能正确无误的反映被测量的真值，但实际上只有在理想情况下，传感器的输入静态特性才呈直线性。 传感器如果没有迟滞及蠕变效应，其静态性就可以用下列多项式代数方程来表示： 其中： X：输入量；Y：输出量； a0：x = 0时的输出（y）值； a1：理想灵敏度； a2, a3,……an：为非线性项系数 2.1 传感器的静态特性 一个理想的传感器我们希望它们具有线性的输入输出关系，由于实际传感器输入总有非线性（高次项）存在，X-Y总是非线性关系。在小范围内用割线、切线近似代表实际曲线使输入输出线性化。近似后的直线与实际曲线之间存在的最大偏差称传感器的非线性误差（线性度）。线性度通常用相对误差表示： 式中： ΔLmax为最大非线性绝对误差 YFS 为满量程输出 γL为线性度 2.1 传感器的静态特性 提出线性度的非线性误差，必须说明所依据的基准直线，按照依据基准直线不同有不同的线性度,例如：端基线性度,平均选点线性度和最小二乘线性度等. 2.1 传感器的静态特性 线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数 线性度是以一定的拟合曲线作为基准来确定的，因而线性度和直线的拟合方法有关。 ①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合； ④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥ 最小包容拟合 2.1 传感器的静态特性 二、灵敏度 对非线性传感器灵敏度为一变量 对于线性传感器灵敏度为一常量 在稳定条件下，输出微小增量与输入微小增量的比值。 2.1 传感器的静态特性 一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即输入-输出特性为线性。但灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，系统的稳定性就差。 传感器检测系统的灵敏度具有传递特性。（相乘关系） 解：该仪器的灵敏度为 V/mm 习题1.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。 2.1 传感器的静态特性 习题2.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下： 铂电阻温度传感器： 0.45Ω/℃ 电桥： 0.02V/Ω 放大器： 100(放大倍数) 笔式记录仪： 0.2cm/V 求：(1)测温系统的总灵敏度； (2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。 2.1 传感器的静态特性 解：（1）测温系统的总灵敏度为 （2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为 ℃ 2.1 传感器的静态特性 三、分辨率 分辨率是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。分辨率可