传感器的一般特性

1、第第2章章 传感器的一般特性传感器的一般特性2.1 概述概述2.2 传感器的特性传感器的特性2.3 传感器的标定传感器的标定2.1 概述概述传感器一般要变换各种信息为电量，描述此传感器一般要变换各种信息为电量，描述此种变换的输入与输出关系表达了传感器的种变换的输入与输出关系表达了传感器的基基本特性本特性。但对不同的输入信号，输出特性是。但对不同的输入信号，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的影响，反应大不相同。感器内部储能元件的影响，反应大不相同。 对快变信号要考虑输出的对快变信号要考虑输出的动态特性动态特性，即随时，即随时间

2、变化的特性，而对慢变或稳定信号，则要间变化的特性，而对慢变或稳定信号，则要研究研究静态特性静态特性，即不随时间变化的输入与输，即不随时间变化的输入与输出特性。出特性。 对大信号和小信号，输入与输出特性也不同，对大信号和小信号，输入与输出特性也不同，前者有非线性，后者多半可看成是线性的。前者有非线性，后者多半可看成是线性的。一个高精度传感器，必须同时具有良好的一个高精度传感器，必须同时具有良好的静态特性和动态特性，这样它才能完成对静态特性和动态特性，这样它才能完成对信号无失真的转换。信号无失真的转换。 表示输入量或称激励，表示输入量或称激励， 表示与其对表示与其对应的输出量或称响应，应的输出量或

3、称响应， 表示由此组件的表示由此组件的物理性能决定的数学运算法则。物理性能决定的数学运算法则。)(tx)(ty)(th传感器的功能传感器的功能 一般的工程测试问题总是处理输入量一般的工程测试问题总是处理输入量 、系统的传输转换特性系统的传输转换特性 和输出量和输出量 三者之三者之间的关系。即：间的关系。即： 、 是可以观察的量，则通过是可以观察的量，则通过 可可推断传感器系统的传输特性或转换特性；推断传感器系统的传输特性或转换特性； 已知，已知， 可测，则可通过可测，则可通过 、 推推断导致该输出的相应输入量断导致该输出的相应输入量 ，这是工程，这是工程测试中最常见的问题；测试中最常见的问题；

4、 若若 、 已知，则可推断或估计系统的输已知，则可推断或估计系统的输出量出量 。理想的传感器或测量系统应该具有单值的、理想的传感器或测量系统应该具有单值的、确定的输入输出关系，且确定的输入输出关系，且线性线性关系为最佳。关系为最佳。)(tx)(th)(ty)(tx)(ty)(th)(ty)(th)(ty)(tx)(tx)(th)(ty2.2 2.2 传感器的特性传感器的特性 在科学实验和生产过程中，要求传感器能感在科学实验和生产过程中，要求传感器能感受到被测非电量的变化，并将其转换成与被受到被测非电量的变化，并将其转换成与被测量成一定函数关系的电量。测量成一定函数关系的电量。传感器所测量的非电

5、量可分为传感器所测量的非电量可分为静态量静态量和和动态动态量量两类。两类。静态量静态量是指不随时间变化的信号或是指不随时间变化的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）变化极其缓慢的信号（准静态）。动态量动态量是是指周期信号、瞬变信号或随机信号指周期信号、瞬变信号或随机信号。传感器能否将被测非电量的变化不失真地变传感器能否将被测非电量的变化不失真地变换成相应的电量，取决于传感器的换成相应的电量，取决于传感器的基本特性基本特性，即输出即输出 - 输入特性，它是与传感器内部结构输入特性，它是与传感器内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性描

6、述。用静态特性和动态特性描述。2.2.1传感器的静态特性传感器的静态特性传感器的传感器的静态特性静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，是指被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。衡量传感器静态特性传感器的输出与输入的关系。衡量传感器静态特性的重要指标有：的重要指标有：1. 线性度线性度传感器的传感器的线性度线性度是指其输出量与输入量之间的实际是指其输出量与输入量之间的实际关系曲线（即静特性曲线）偏离直线的程度，又称关系曲线（即静特性曲线）偏离直线的程度，又称非线性误差。理想的输出非线性误差。理想的输出-输入关系是一条直线，输入关系是一条直线，即即 ，这种关系称为线性输出，这种关系称

7、为线性输出-输入特性。输入特性。（1）非线性输出）非线性输出-输入特性输入特性 传感器的输出传感器的输出-输入特性是非线性的，即：输入特性是非线性的，即：xay1（2）多项式方程）多项式方程 常见的不同类型的传感器输入常见的不同类型的传感器输入-输出特性曲线有以输出特性曲线有以下下4种情况：种情况：（3）非线性特性曲线的）非线性特性曲线的“线性化线性化” 在实际使用非线性特性传感器时，如果非线性项次在实际使用非线性特性传感器时，如果非线性项次不高，在输入量不大的条件下，可以用实际特性曲不高，在输入量不大的条件下，可以用实际特性曲线的切线或割线等直线来近视地代表实际特性曲线线的切线或割线等直线来

8、近视地代表实际特性曲线的一段，这种方法称为传感器的非线性特性的的一段，这种方法称为传感器的非线性特性的线性线性化化，所采用的直线称为，所采用的直线称为拟合拟合直线。直线。 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为非线性实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为非线性（或线性度）通常用相对误差表示，即（或线性度）通常用相对误差表示，即：l 几种直线拟合方法几种直线拟合方法 2. 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化量与引起此是指传感器在稳态下的输出变化量与引起此变化的输入变化量之比，用表示，即：变化的输入变化量之比，用表示，即：它表征传感器对输入量变化的反应能力。对于线性它表征传感器对输入

9、量变化的反应能力。对于线性传感器，灵敏度就是其静态特性的斜率，即传感器，灵敏度就是其静态特性的斜率，即 为常数；为常数；而非线性传感器的灵敏度为一变量，用而非线性传感器的灵敏度为一变量，用 表表示。示。xyk/dxdyk/l 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出的，即传感器的输出-输入特性为直线。输入特性为直线。3.迟滞性迟滞性 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，其输出期间，其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。输入特性曲线不重合的现象称为迟滞

10、。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是传感信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷，器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷，例如弹性滞后、运动部件的摩擦、传动机构的间隙、例如弹性滞后、运动部件的摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。紧固件松动等。 迟滞迟滞 的大小一般要由实验方法确定。用最大输出的大小一般要由实验方法确定。用最大输出差值差值 或其一半对满量程输出或其一半对满量程输出 的百分比表的百分比表示，即示，即式中，式中， 为正反行程为正反行程输出值间

11、的最大差值。输出值间的最大差值。HmaxHFSYmaxHxmaxymax012ymax4. 重复性重复性重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。正行程的最大重复时所得特性曲线不一致的程度。正行程的最大重复性偏差性偏差 ，反行程的最大偏差，反行程的最大偏差 和和 中中的最大者。的最大者。1maxR2maxR1maxRyx0Rmax2Rmax15.分辨率分辨率 传感器的分辨率是指在规定测量范围内所能检测输传感器的分辨率是指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量入量的最小变化量 ，有时也用该值相对满量，有时也用该值相对满

12、量程输入值的百分数程输入值的百分数 表示。表示。 6.漂移漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的变化，包含零点漂移和灵敏度漂移等。输入量无关的变化，包含零点漂移和灵敏度漂移等。传感器在零输入时，输出的变化称为零点偏移。零传感器在零输入时，输出的变化称为零点偏移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移是指当环境温度变化时，间的缓慢变化。温度漂移是指当环境温度变化时，引

13、起的零点或灵敏度漂移。漂移一般可通过串联或引起的零点或灵敏度漂移。漂移一般可通过串联或并联可调电阻来消除。并联可调电阻来消除。minx7. 精确度精确度简称精度。表示传感器的输出结果与被测量实际简称精度。表示传感器的输出结果与被测量实际值之间的符合程度，是精密度与准确度的综合反应。值之间的符合程度，是精密度与准确度的综合反应。精确度高表示精密度和准确度都比较高。精确度高表示精密度和准确度都比较高。（a）准确度高而精密度低）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高）准确度低而精密度高 （c）精确度高）精确度高 在测量中我们希望得到精确度高的结果。在测量中我们希望得到精确度高的结果。 2.2.

14、2 传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的传感器的动态特性动态特性是指传感器的输出对随时间变化是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性，反映输出值真实再现变化着的输入量的响应特性，反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。的输入量的能力。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。变化规律，即具有相同的时间函数。研究传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面，研究传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面，采用瞬态响应法和频率响应法分析。采用瞬态响应法和频率响应法分析。1.瞬态响应特性瞬态响应特性 在时域内研究传感器

15、的动态特性时，常用的激励信在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。下面以传感器所加激励信号的响应称为瞬态响应。下面以传感器的单位阶跃响应评价传感器的动态性能。的单位阶跃响应评价传感器的动态性能。（1）一阶传感器的单位阶跃响应）一阶传感器的单位阶跃响应 设设 分别为传感器的输入量和输出量，均分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数，则一阶传感器的传递函数为：是时间的函数，则一阶传感器的传递函数为： 对于初始状态为零的传感器，当输入为单位阶跃信对于初始状态为零的传感器，当

16、输入为单位阶跃信号时，号时， ，传感器输出的拉氏变换为：，传感器输出的拉氏变换为： 则一阶传感器的单位阶跃响应为：则一阶传感器的单位阶跃响应为： 响应曲线如图所示：响应曲线如图所示：（2）二阶传感器的单位阶跃响应）二阶传感器的单位阶跃响应 二阶传感器的传递函数为：二阶传感器的传递函数为： 在单位阶跃信号作用下，传感器输出拉氏变换为：在单位阶跃信号作用下，传感器输出拉氏变换为： 对对 进行拉氏变换，即可得到单位阶跃响应。图进行拉氏变换，即可得到单位阶跃响应。图2-9为二为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。阶传感器的单位阶跃响应曲线。 （3）瞬态响应特性指标）瞬态响应特性指标 时间常数时间常数 是描述

17、一阶传感器动态特性的重要参数，是描述一阶传感器动态特性的重要参数， 越越小，响应速度越快。小，响应速度越快。 二阶传感器阶跃响应的典型性能指标如图。二阶传感器阶跃响应的典型性能指标如图。瞬态响应特性指标瞬态响应特性指标 二阶传感器阶跃响应的典型性能指标如下：二阶传感器阶跃响应的典型性能指标如下： 上升时间上升时间 ：输出由稳态值的：输出由稳态值的10%变化到稳态值的变化到稳态值的90%所所用的时间；用的时间； 响应时间响应时间 ：系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所：系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间；规定的范围内所需的时间； 峰值时间峰值时间 ：阶跃响应曲线达到第

18、一个峰值所需的时间；：阶跃响应曲线达到第一个峰值所需的时间； 超调量超调量 ：传感器输出超过稳态值的最大值：传感器输出超过稳态值的最大值 ，常用相，常用相对于稳态值的百分比对于稳态值的百分比 表示。表示。2.频率响应特性频率响应特性 传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应特传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性的方法。感器的动态特性的方法。 （1）零阶传感器的频率特性）零阶传感器的频率特性 零阶传感器的传递函数为：零阶传感器的传递函数为： 频率特性为：频率特性为： 可见，零阶传感器的

19、输出和输入成正比，并且与信可见，零阶传感器的输出和输入成正比，并且与信号频率无关。因此，无幅值和相位失真问题，具有号频率无关。因此，无幅值和相位失真问题，具有理想的动态特性。电位器式传感器是零阶系统的一理想的动态特性。电位器式传感器是零阶系统的一个例子。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、个例子。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似的当做零阶系统处理。频率不高时，都可以近似的当做零阶系统处理。（2）一阶传感器的频率特性）一阶传感器的频率特性 一阶传感器的传递函数为：一阶传感器的传递函数为： 幅频特性为：幅频特性为： 相频特性为：相频特性为：一阶传感器的频率响应特性曲线

20、：一阶传感器的频率响应特性曲线：（3）二阶传感器的频率特性）二阶传感器的频率特性 二阶传感器的传递函数为：二阶传感器的传递函数为： 幅频特性为：幅频特性为： 相频特性为：相频特性为：二阶传感器的频率响应特性曲线：二阶传感器的频率响应特性曲线：（4）频率响应特性指标）频率响应特性指标 频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围，频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。上、下截止频率。 时间常数时间常数 ：用时间常数：

21、用时间常数 表征一阶传感器的动表征一阶传感器的动态特性，态特性， 越小，频带越宽。越小，频带越宽。 固有频率固有频率 ：二阶传感器的固有频率：二阶传感器的固有频率 表征了表征了其动态特性。其动态特性。 2.3 2.3 传感器的标定传感器的标定 任何一种新研制或生产的传感器在制造、装配完毕任何一种新研制或生产的传感器在制造、装配完毕后都必须进行一系列试验，对其技术性能进行全面后都必须进行一系列试验，对其技术性能进行全面的检定，以确保传感器的实际性能。经过一段时间的检定，以确保传感器的实际性能。经过一段时间储存或使用也需对其性能进行复测。通常，在明确储存或使用也需对其性能进行复测。通常，在明确输入

22、输入-输出变换对应关系的前提下，利用某种标准或输出变换对应关系的前提下，利用某种标准或标准器具对传感器进行标度称之为标准器具对传感器进行标度称之为标定标定。 传感器的标定是通过实验以建立传感器输入量与输传感器的标定是通过实验以建立传感器输入量与输出量之间的关系。有两个方面：出量之间的关系。有两个方面： （1）新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，）新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；传感器设计的重要依据；（2）经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测）经过一段时间的储存或使用后对

23、传感器的复测工作。这种再次标定可以检测传感器的基本性能是工作。这种再次标定可以检测传感器的基本性能是否发生变化，判断其是可以继续使用。否发生变化，判断其是可以继续使用。 2.3.1传感器的静态标定传感器的静态标定传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定传感器的静态特性指标，如线性标定的目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。数、固有频率

24、和阻尼比等。 （1） 静态标准条件静态标准条件 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。所谓静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击所谓静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温一般为室温 ，相对湿度不大于，相对湿度不大于85%，大气，大气压力为压力为 的情况。的情况。（2）标定仪器设备精度等级的确定）标定仪器设备精度等级的确定 对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。（3）静态特性标定的方法）静态特性标定的方法 对传感器进行静态特性标定，首先要创造一个静态标对传感器进行静态特性标定，首先要创造一个静态标准条件，其次要选择与被标定传感器的精度要求相适准条件，其次要选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标准设备，然后才能对传感器进行静应的一定等级的标准设备，然后才能对传感器进行静态特性标定。态特性标定。 标定过程步骤如下：标定过程步骤如下：（1）将传感器全量程