第2章传感器特性

1、1/21 传感器与检测技术传感器与检测技术 朱启兵朱启兵2/24第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性2.1、传感器的定义、构成与分类、传感器的定义、构成与分类2.2、传感器的特性与指标、传感器的特性与指标2.3、改善传感器性能的技术途径、改善传感器性能的技术途径2.4、传感器的合理选用、传感器的合理选用2.5、传感器的标定、传感器的标定第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性3/24第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性2.1 传感器的定义、构成与分类传感器的定义、构成与分类一、什么叫传感器（一、什么叫传感器（Transducer/Sensor)？ 能感受规定的被测量并按照一

2、定的规律转换成可用输出信号的器件或装置（GB7765-87）。 传感器是测量装置，能完成检测任务。它的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。输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等。主要是电量。输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。 不同领域有不同的名称，定义是不断发展的。不同领域有不同的名称，定义是不断发展的。4/24第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性2.1 传感器的定义、构成与分类传感器的定义、构成与分类二、传感器的典型组成及功能框图二、传感器的典型组成及功能框图与被测量成确定关与被测量成确定关系的有用非电量系的有用非电量转换成电参量转换

3、成电参量转换成电量输出转换成电量输出具体构成方法与被测对象、转换原理、测试环境等具体构成方法与被测对象、转换原理、测试环境等具体要求有关。具体要求有关。5/24第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性三、传感器的分类三、传感器的分类2.1 传感器的定义、构成与分类传感器的定义、构成与分类6/241.静态特性静态特性静态特性：检测系统在被测量处于静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态稳定状态时的时的输入输出关系输入输出关系非线性非线性传感器传感器输入输入 x输出输出 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

4、化外界干扰外界干扰两个因素：两个因素：随机干扰和非线性随机干扰和非线性第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性2.2、传感器的特性与指标、传感器的特性与指标7/24静态特性指标静态特性指标1）基本功能特性）基本功能特性 - 决定系统的工作能力决定系统的工作能力 测量范围（测量范围（Range）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围上限值、下限值上限值、下限值 分辨力（分辨力（Resolution） 动态范围（动态范围（Dynamic Range）跨度与绝对分辨力之比跨度与绝对分辨力之比 - 系统对输入信号大小的综合检测能力系统对输入信号大小的综合

5、检测能力 跨度（跨度（Span）：）：- 测量范围上限与下限的算术差值测量范围上限与下限的算术差值线性检测装置线性检测装置 - 常数；常数；非线性检测装置非线性检测装置 - 变量变量 灵敏度（灵敏度（Sensitivity）：系统输出信号的变化相对于输入信号变化）：系统输出信号的变化相对于输入信号变化的比值的比值 k =dy/dx能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量绝对值绝对值 - ；相对值；相对值 - 满刻度（满刻度（Full Scale）的百分比）的百分比minmaxxx动态范围minmaxlg20 xx动态范围分贝数表示分贝数表示200

6、200800800 C C、 5mm5mm第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性8/24静态特性指标静态特性指标2）精度特性）精度特性 - 决定系统在什么程度上完成所需的检测决定系统在什么程度上完成所需的检测 线性度（线性度（Linearity）：输入输出曲线与理想直线）：输入输出曲线与理想直线的偏离程度的偏离程度相对误差相对误差%100.maxSFLyLemaxL.SFy输出值与理想直线的最大偏差值输出值与理想直线的最大偏差值理论满量程输出值理论满量程输出值理想直线：理想直线：表达表达:xy拟合直线拟合直线一般不存在或很难获得准确结果一般不存在或很难获得准确结果利用测量数据，通过计算获

7、得利用测量数据，通过计算获得理想检测系统理想检测系统 - 输出与输入输出与输入 - 比例关系：比例关系：y(t)=kx(t)实际检测装置实际检测装置 - 输出与输入不是理性的线性关系输出与输入不是理性的线性关系第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性9/24获取拟合直线方法：获取拟合直线方法：(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：残差平方和最小：2i=min22)(iiiiiixxnyxyxnb222)(iiiiiiixxny

8、xxyxa(a) 端点连线法端点连线法xy(b) 最佳直线法最佳直线法第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性10/24 回程误差回程误差（Hysteresis）正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间 - 检测装置输入检测装置输入 输出曲线的不重合程度。输出曲线的不重合程度。%100maxFSHhy表达：表达：maxH.SFy正反行程输出的最大差值正反行程输出的最大差值理论满量程输出值理论满量程输出值产生：检测装置中的弹性元件、机械传动中的产生：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞

9、。第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性11/24重复性（重复性（Repeatability）同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度。反映测量数据的分散性异程度。反映测量数据的分散性-随机误差随机误差重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证前提和保证1)(12nyyniiyi-测量输出值，测量输出值，i=1,2,ny-输出值的平均值输出值的平均值. .100%RF Saeya 置信系数置信系数标准差标准差第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性

10、12/24阈值（阈值（Threshold）当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加，只有在达到了某一最当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加，只有在达到了某一最小值后，才测得出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值小值后，才测得出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值 。两种情况两种情况（1）死区（非线性）死区（非线性） （2）噪声电平（噪声）噪声电平（噪声）稳定性（稳定性（Stability ）传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。 漂移（漂移（Drift)输入不变的情况下，传感器随时间（温度）的变化趋势。漂移包括输入不变的情况下，

11、传感器随时间（温度）的变化趋势。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。零点漂移与灵敏度漂移。静态误差静态误差精度精度（Precision） 静态测量时，测量值与真实值的偏离程度。静态测量时，测量值与真实值的偏离程度。第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性13/242.动态特性动态特性传感器在传感器在被测量随时间变化被测量随时间变化的条件下的条件下输入输出关系。输入输出关系。研究工具：研究工具： 频率响应函数频率响应函数标准信号：标准信号： 正弦信号正弦信号 阶跃信号阶跃信号01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm01110111)()()(ajajaj

12、abjbjbjbjXjYjWnnnnmmmm0n 1n 2n 零阶传感器；一阶传感器；二阶传感器 第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性14/24（1）0阶传感器阶传感器电位器式电位器式 传感器、传感器、高阶系统高阶系统在低频输在低频输入时的简入时的简化化oUUxL微分方程：微分方程：xbya00Kxxaby00幅频特性：幅频特性：KA)(相频特性：相频特性：0)(特点特点：a) 属于静态环节：属于静态环节：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00/abK 静态灵敏度系数静态灵敏度系数b) 输出输出 输入输入比例环节比例环节第

13、第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性15/24（2）1阶传感器阶传感器微分方程：微分方程：xbyadtdya001xabydtdyaa000101/aa时间常数时间常数静态灵敏度静态灵敏度00/abK 幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：1)(/)(2KA)arctan()( 1/ A( )=K零阶零阶 ( )=0无滞后无滞后 1/ 失真失真A( ) ( ) 幅值衰减幅值衰减相位滞后相位滞后第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性16/24（2）1阶传感器阶传感器输入阶跃信号：输入阶跃信号：000)(ttAtx)1 (/teKAy/)1 (ttdeKAeKAKAe特点特点：动态响

14、应特性主要取决于时间常数动态响应特性主要取决于时间常数 ； 小小阶跃响应迅速阶跃响应迅速截止频率高截止频率高惯性小惯性小 惯性环节惯性环节实例：实例：bxkydtdyc运动方程：运动方程：kc/时间常数：时间常数：kbK/静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：带阻尼弹簧测力传感器带阻尼弹簧测力传感器k-弹簧刚度弹簧刚度c-阻尼系数阻尼系数t=5 ：ed=0.7%；第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性17/24（3）2阶传感器阶传感器微分方程：微分方程：xbyadtdyadxyda00122220/aan固有频率固有频率阻尼比阻尼比2012/aaa幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：222

15、/2)/(1 )(nnKA)/(1/2arctan)(2nn / n1A( ) K， ( ) 0 近似零阶近似零阶 较小时较小时 ：A( )随随 出现较大波动出现较大波动0.7时时：A( )平坦段最宽，平坦段最宽， ( )接近斜直线接近斜直线A( )0.3当当 =0时，时，A( n) = , 附近谐振附近谐振 较大时较大时：第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性18/24（3）2阶传感器阶传感器输入输入000)(ttAtx当当 1时时：应用实例应用实例：Fkydtdycdtydm22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

16、，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弹簧弹簧(k)阻尼阻尼(c)质量质量(m)压电式动态测力传感器压电式动态测力传感器静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：运动微分方程：运动微分方程：mkaan/20固有频率固有频率:阻尼比阻尼比:kmcaaa2/2/201一般取：一般取： =0.60.8kK 阶跃响应阶跃响应：第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性19/24第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性不失真测试条件不失真测试条件 该系统的输该系统的输出波形与输入信出波形与输入信号的波形精确地号的波形精确地一致，只是幅值

17、一致，只是幅值放大了放大了K K倍，在倍，在时间上延迟了时间上延迟了t t0 0而已。这种情况而已。这种情况下，认为测试系下，认为测试系统具有不失真的统具有不失真的特性。特性。t tA Ax(t)x(t)y(t)=Kx(ty(t)=Kx(t) )y(t)=Kx(ty(t)=Kx(t- t- t0 0) )00( )()()()()j ty tKx ttY jH jKeX j20/242.3 改善传感器性能的技术途径改善传感器性能的技术途径非线非线性性传感器传感器输输入入 x输出输出 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

18、变变形形老老化化外界干扰外界干扰1.结构、材料与参数的合理选择结构、材料与参数的合理选择2.差动技术差动技术3.平均技术平均技术 4.稳定性处理稳定性处理 5.屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制6.零示法、微差法与闭环技术零示法、微差法与闭环技术 7.补偿与校正补偿与校正 8.集成化、智能化与信息融合集成化、智能化与信息融合 第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性21/24 输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等 静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、分辨率、阈值、稳定性

19、、漂移等分辨率、阈值、稳定性、漂移等 动态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻动态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采样频率等样频率等 对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、抗冲振要求等抗冲振要求等 可靠性指标：平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳可靠性指标：平均

20、寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等 经济指标：性能经济指标：性能/价格比价格比2.4 传感器合理选用传感器合理选用如何选择？如何选择？第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性22/242.4 传感器合理选用传感器合理选用 分辨力分辨力 重视指标：重视指标：要干什么？能干些什么？能在什么程度上干些什么？要干什么？能干些什么？能在什么程度上干些什么？ 工作工作/ /检测范围检测范围 工作频率工作频率 精度精度/重复性重复性 工作环境与寿命工作环境与寿命 成本与价格成本与价格宽工作范围

21、宽工作范围 - 大的跨度和高分辨力（动态范围）大的跨度和高分辨力（动态范围）一阶系统一阶系统 - 时间常数；二阶系统时间常数；二阶系统 - 固有频率固有频率精度高、重复性误差小精度高、重复性误差小 - 结果可靠结果可靠系统正常运行的工作条件系统正常运行的工作条件 - 温度、相对湿度、振动、噪声环境等温度、相对湿度、振动、噪声环境等满足检测要求满足检测要求 - 价格越低越好价格越低越好其他其他 - 软硬件操作方便；软件分析处理功能；接口；安全；容错能力；软硬件操作方便；软件分析处理功能；接口；安全；容错能力；兼容性；延续性；售后服务兼容性；延续性；售后服务第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性23/242.5 传感器的标定传感器的标定传感器标定就