传感器技术1-传感器技术基础-中英对照.ppt

Sensor/Transducer Technology 传感器技术 Instructor: Dr. Jinbo Fu (符金波) Ph.D. of Mechanical Engineering, Penn State Univ., USA M.S. of Electrical Engineering, Penn State Univ., USA M.S. of Mechanical Engineering, Penn State Univ., USA M.E. of Precision Instrument, Tsinghua Univ., PRC B.E. of Precision Instrument, Tsinghua Univ., PRC Office Address: Room528, Central Building Tel: Email: 第一章：传感器技术基础 Chapter1: the basics of sensor technology 1.2 传感器的一般数学模型 General mathematical model 1.1 1.2 1.3 1.4 传感器的特性与指标 Characteristics and performance index 改善传感器性能的技术途径 Tech methods for performance improvement 传感器合理选用 (自学) Proper selection on sensors 1.5 传感器的标定与校准 Sensor calibration 1.1 传感器的一般数学模型 传感器的数学模型(mathematic model)是指传感 器的输入(input)输出(output)关系 传感器的静态模型(static model)： y=a0+a1x+a2x2+.+anxn 线性模型(linear model) ： y=a0+a1x 或 y=ax 动态模型(dynamic model) n微分方程(differential equation) (见课本11页，式1-3) n传递函数(transfer function) (见课本11页，式1-4) 1.2 传感器的特性与指标 传感器的静态特性(static characteristics) 静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态(stable status)时的输 入输出关系，也即当输入量为常量(constant)，或变化极慢时，这一 关系就称为静态特性。静态特性主要考虑非线性(nonlinearity)和随机 性(randomness)等因素。 线性度(degree of linearity) 线性度又称非线性，是表征传感器输出-输入校准曲线(calibration curve)与所选定的拟合直线(fitted straight line) （作为工作直线）之 间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差(relative error)来 表示线性度误差，即 传感器的静态特性(static characteristics) 线性度(degree of linearity) 选定的拟合直线(fitted straight line)不同计算所得的线性度 数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性 误差，并应考虑使用与计算方便。下面是几种常用的拟合 方法： 理论直线法(Method of theoretic line) 端点直线法(Method of end-point line) 最佳直线法(Method of best line) 最小二乘法(Method of least squares) 1.2 传感器的特性与指标 1.2 传感器的特性与指标 传感器的静态特性(Static characteristics) 回差(Hysteresis) （滞后delay、迟滞lag） （请注意回差与线性度的差别） 重复性(Repeatability) n重复性反映传感器的重复精度(precision of repeating)，用统 计指标(statistic index) 表示。重复性误差(repeatability error) 反映的是校准数据(calibration data)的离散程度(degree of dispersion)，属随机误差(random error) 。 1.2 传感器的特性与指标 传感器的静态特性(Static characteristics) 灵敏度(Sensitivity) 分辨力（分辨率）(Resolution) n分辨力是指在规定测量范围(range of measurement)内 能测出的输入量的最小变化量(minimum change)。有时 用该值相对满量程(Full Scale F.S.)输入值之百分数 (percentage)表示，则称为分辨率。分辨力与精度 (precision)和灵敏度不同。 1.2 传感器的特性与指标 传感器的静态特性(Static characteristics) 阈值(Threshold) n阈值是指能使传感器输出端(port of output)产生可测变化量的 最小被测输入量值(minimum input of measurement) ，实际 上是零位(zero point)附近的分辨力。 稳定性(Stability) n又称长期(long term)稳定性，即传感器在相当长的时间内仍 保持其性能(performance)的能力。 n稳定性用一段时间后的传感器输出与起始标定(initial calibration)时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效 期(period of expiration)来表示。 1.2 传感器的特性与指标 传感器的静态特性(Static characteristics) 漂移(Drift) n漂移是指在一定时间间隔(time frame)内，传感器的 输出量存在与被测量无关的(unrelated) 、不需要的 (unnecessary)变化。漂移包括零点漂移(zero drift) 和灵敏度漂移(sensitivity drift)。 n零点漂移和灵敏度漂移又分为时间漂移(time drift) 和温度漂移(temperature drift) 。 1.2 传感器的特性与指标 传感器的静态特性(Static characteristics) 静态误差（精度）(Precision) n静态误差是评价传感器的综合性能指标(overall performance index) n指传感器在满量程(full range)内的任何一点输出值相对其理论 值(theoretical value)的可能偏离程度 (degree of deviation) ， 它表示采用该传感器进行静态测量(static measurement)时所 得结果的不确定度(uncertainty)。 n一般表示为一定置信概率下的相对误差(relative error)。 1.2 传感器的特性与指标 传感器的动态特性(Dynamic characteristics) 幅频特性(Amplitude-Frequency characteristics)和相频 特性(Phase-Frequency characteristics) n将各种频率不同而幅值相等的正弦信号(sinusoidal signal)输入传感器，其它输出正弦信号的幅值 (amplitude)、相位(phase)与输入信号频率之间的关 系 1.2 传感器的特性与指标 传感器的动态特性(Dynamic characteristics) 阶跃响应特性(characteristics of step response) n零阶环节（比例环节）(zero order system) n一阶环节 (first order system) n二阶环节 (second order system) 1.2 传感器的特性与指标 基本参数指标 (Basic specification indexes) 量程指标(indexes regarding scale of measurement)： 量程范围(range of measurement)、过载能力(overload capacity)等 灵敏度指标(indexes regarding sensitivity)： 灵敏度(sensitivity)、满量程输出(full scale output)、分辨力(resolution)、输入 输出阻抗(I/O impedance)等 精度方面的指标(indexes regarding precision)： 精度(误差) (precision)、重复性(repeatability)、线性(linearity)、回差 (Hysteresis)、灵敏度误差(sensitivity error)、阈值(threshold)、稳定性 (stability)、漂移(drift)、静态总误差(overall static error)等 动态性能指标(indexes regarding dynamic performances)： 固有频率(characteristic frequency)、阻尼系数(damping coefficient) 、频响 范围(frequency range)、频率特性(frequency charateristics)、时间常数(time constant)、上升时间(rise time)、响应时间(response time)、超调量 (overshoot)、衰减率(attenuation ratio)、稳态误差(stationary error)、临界速 度(critical velocity)、临界频率(critical frequency)等 1.2 传感器的特性与指标 环境参数指标 (Environmental specification indexes) 温度指标(temperature related indexes)： 工作温度范围(range of working temperature)、温度误差(temperature error)、温 度漂移(temperature drifting)、灵敏度温度系数(temperature coefficient of sensitivit