新型传感技术及应用 课件 第二部分：传感器的特性

新型传感技术第二部分：传感器的特性主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器第六部分：传感器的典型应用2

3第二部分思考题（1）1.利用“极限点法”评估传感器综合误差的意义、方法2.7个基本量溯源的量子化进程3.稳定性指标的意义及提高的措施发表在MOOC讨论区里第二部分：传感器的特性2.1传感器特性的描述2.2传感器的标定2.3传感器静态性能指标2.4传感器动态性能指标42.1.1静态特性的描述5p—传感器输出、输入传感器输入输出特性：曲线、公式、表格2.1.2动态特性的描述61.时域，描述传感器输入-输出的微分方程为2.复频域，描述传感器输入-输出的传递函数为第二部分：传感器的特性2.1传感器特性的描述2.2传感器的标定2.3传感器静态性能指标2.4传感器动态性能指标72.2.1静态标定的条件81.对标定环境要求2.对所用的标定设备要求3.对标定过程要求(1)无加速度,无振动,无冲击；(2)温度在15～25℃；(3)湿度不大于85％RH；(4)大气压力为0.1MPa。2.对所用的标定设备要求；7个基本量：长度、质量、时间、温度、

电流、发光强度、物质量2个辅助量：平面角、球面度2.2.1静态标定的条件91.对标定环境要求2.对所用的标定设备要求3.对标定过程要求(1)无加速度,无振动,无冲击；(2)温度在15～25℃；(3)湿度不大于85％RH；(4)大气压力为0.1MPa。2.对所用的标定设备要求；3.对标定过程要求在一定标准条件下，利用一定等级标定设备对传感器多次往复测试过程

输入量②x标准标定设备输出量①ys被校传感器输出量③ym；10；利用测试数据，计算传感器的性能指标

2.2.2静态标定的结果2.2.3动态标定的条件111.合适的典型输入信号发生器2.合适的动态信号记录设备3.合适的数据采集处理系统→动态信号记录设备固有角频率不低于被标定传感器固有角频率3～5倍，或工作频带不低于被标定传感器工作频带

2～3倍振动2.2.3动态标定的条件121.合适的典型输入信号发生器2.合适的动态信号记录设备3.合适的数据采集处理系统→数据采集处理系统采样频率应高于被标定传感器固有频率的10倍132.2.4动态标定的结果阶跃输入响应；回零过渡过程响应；脉冲输入下的瞬态响应时域动态标定方式正弦输入的频域稳态响应：幅值增益(幅频特性)和相位差(相频特性)输入响应；线性调频响应频域动态标定方式1.由非周期型阶跃响应建立一阶传感器传递函数2.由衰减振荡型阶跃响应建立二阶传感器传递函数3.由实验频率特性获取一阶传感器传递函数4.由有峰值实验频率特性获取二阶传感器传递函数传感器动态模型建立142.2.4动态标定的结果1.由非周期型阶跃响应建立一阶传感器传递函数当传感器实际阶跃过渡过程曲线与右图相似时，按一阶传感器处理；静态增益由静态标定获得；时间常数由实验过渡过程曲线获得一阶传感器归一化单位阶跃过渡过程、以及经变换后的有关方程为传感器阶跃响应曲线152.2.4动态标定的结果2.由衰减振荡型阶跃响应建立二阶传感器传递函数振荡二阶传感器归一化阶跃响应为

(1)阻尼较小、有振荡如图(a)、(b)所示实验曲线，信息比较丰富利用超调量、峰值时间、上升时间计算固有角频率和阻尼比进行建模传感器衰减振荡型阶跃响应曲线162.2.4动态标定的结果2.由衰减振荡型阶跃响应建立二阶传感器传递函数振荡二阶传感器归一化阶跃响应为

(2)振荡次数不超过半次如图(c)所示实验曲线；利用上升时间和峰值时间计算固有角频率和阻尼比进行建模传感器衰减振荡型阶跃响应曲线172.2.4动态标定的结果2.由衰减振荡型阶跃响应建立二阶传感器传递函数振荡二阶传感器归一化阶跃响应为

(3)超调量很小如图(d)所示实验曲线；在0.8～1.0之间初选一个阻尼比，利用上升时间计算固有角频率，再检验回归效果传感器衰减振荡型阶跃响应曲线182.2.4动态标定的结果3.由实验频率特性建立一阶传感器传递函数基于一阶传感器归一化幅频特性取0.707，0.900和0.950时的角频率，回归时间常数

一阶传感器幅频特性曲线利用模型计算幅频特性，与实验值进行比较，检查回归效果192.2.4动态标定的结果4.由有峰值实验频率特性建立二阶传感器传递函数如图为有峰值二阶传感器归一化幅频特性，可利用峰值及对应的谐振角频率，计算阻尼比和固有角频率；二阶传感器幅频特性利用模型计算幅频特性，与实验值进行比较，检查回归效果第二部分：传感器的特性2.1传感器特性的描述2.2传感器的标定2.3传感器静态性能指标2.4传感器动态性能指标201.测量范围2.量程3.静态灵敏度4.分辨力与分辨率5.漂移6.温漂7.传感器的测量误差8.线性度9.符合度10.迟滞11.非线性迟滞12.重复性13.综合误差2.3传感器静态性能指标213.静态灵敏度2.3传感器静态性能指标关于静态灵敏度的讨论224.分辨力与分辨率2.3传感器静态性能指标分辨力分辨率针对全测量范围辨率235.漂移2.3传感器静态性能指标→输出量随时间变化的现象，又称时漂反映传感器的稳定性指标；时间范围：1小时、1天、1个月、半年或1年等零点漂移满量程漂移246.温漂2.3传感器静态性能指标→输出量随温度变化的现象零点漂移满量程漂移257.传感器的测量误差2.3传感器静态性能指标(绝对误差)(相对误差)(针对被测量值)268.线性度2.3传感器静态性能指标

理论线性度(绝对)

端基线性度平移端基线性度最小二乘线性度独立线性度→针对不同的参考直线279.符合度2.3传感器静态性能指标(1)应满足所需要的拟合误差要求；(2)函数的形式尽可能简单；(3)选用多项式时，其阶次尽可能低→针对不同的参考曲线2810.迟滞2.3传感器静态性能指标2911.非线性迟滞2.3传感器静态性能指标3012.重复性2.3传感器静态性能指标31物理意义（正态分布）综合考虑正、反行程考虑全部测点3为置信概率系数3s为置信限或随机不确定度13.综合误差2.3传感器静态性能指标极限点法以极限点中间值为参考值极限点偏差讨论：是否需要考虑参考直线？32第二部分：传感器的特性2.1传感器特性的描述2.2传感器的标定2.3传感器静态性能指标2.4传感器动态性能指标332.4.1传感器时域动态性能指标被测量为单位阶跃信号时传感器理想输出为

k——传感器的静态增益一阶传感器归一化单位阶跃响应与相对动态误差分别为——传感器的稳态输出342.4.1传感器时域动态性能指标一阶传感器归一化单位阶跃响应与相对动态误差一阶传感器归一化单位阶跃响应一阶传感器单位阶跃响应相对动态误差一阶传感器主要时域动态性能指标①

T—时间常数，输出由零上升到稳态值63%所需时间②

—响应时间，输出保持在与稳态值偏差绝对值不超过

某一量值的时间；取5%时，约为3T③

—上升时间，输出由稳态值10%上升到90%所需时间④

—延迟时间，输出由零上升到50%所需时间352.4.1传感器时域动态性能指标36对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关二阶传感器归一化单位阶跃响应2.4.1传感器时域动态性能指标37对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关→可计算不同误差带对应的传感器响应时间一是当阻尼比大于1，为过阻尼无振荡系统；其归一化单位阶跃响应与相对动态误差分别为2.4.1传感器时域动态性能指标38对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关→可计算不同误差带对应的传感器响应时间二是当阻尼比等于1，为临界阻尼无振荡系统；其归一化单位阶跃响应与相对动态误差分别为2.4.1传感器时域动态性能指标39对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关三是当阻尼比小于1，为欠阻尼振荡系统；其归一化单位阶跃响应与相对动态误差分别为→二阶传感器响应以其稳态输出值为平衡位置衰减振荡

40对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关三是当阻尼比小于1，为欠阻尼振荡系统①振荡次数N：相对误差曲线幅值超过允许误差限的次数②峰值时间：误差曲线由起点到第一个振荡幅值点的时间间隔二阶传感器归一化单位阶跃响应与包络线及有关指标示意41对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关三是当阻尼比小于1，为欠阻尼振荡系统③超调量：峰值时间对应的相对动态误差值二阶传感器归一化单位阶跃响应与包络线及有关指标示意④响应时间：根据超调量与动态误差带的相互关系计算42对于二阶传感器，阶跃响应与其固有角频率和阻尼比有关三是当阻尼比小于1，为欠阻尼振荡系统二阶传感器归一化单位阶跃响应与包络线及有关指标示意2.4.2传感器频域动态性能指标43重点讨论基于传感器幅值频率特性的通频带和工作频带两个重要动态性能指标一阶传感器归一化幅值增益和相位特性分别为

通频带：幅值增益对数特性衰减3dB(归一化幅值增益下降到0.707

)，幅频特性曲线所对应的频率范围

工作频带：归一化幅值误差小于所规定允许误差时，幅频特性曲线所对应的频率范围一阶传感器归一化幅值增益和相位特性2.4.2传感器频域动态性能指标44重点讨论基于传感器幅值频率特性的通频带和工作频带两个重要动态性能指标一阶传感器通频带和工作频带分别为

通频带：幅值增益对数特性衰减3dB(归一化幅值增益下降到0.707

)，幅频特性曲线所对应的频率范围

工作频带：归一化幅值误差小于所规定允许误差时，幅频特性曲线所对应的频率范围一阶传感器归一化幅值增益——所规定的归一化幅值误差的允许值2.4.2传感器频域动态性能指标45二阶传感器归一化幅值增益和相位特性分别为二阶传感器归一化幅值增益和相位特性2.4.2传感器频域动态性能指标46二阶传感器归一化幅值增益和相位特性分别为二阶传感器归一化幅值增益阻尼比小于0.707，幅频特性曲线有峰值，传感器谐振角频率、谐振峰值以及相角分别为考虑到二阶传感器幅值增益有时产生较大峰值，故二阶传感器的工作频带更有意义2.4.2传感器频域动态性能指标47如图给出了固有角频率对工作频带的影响情况，固有角频率越高，工作频带越宽；