现代传感器技术-2-传感器的性能与评价及选用-2016

现代传感器技术--面向物联网专业第一篇传感器技术基础--传感器的性能与评价及选用中南大学信息科学与工程学院刘少强2020/2/2412.传感器的性能与评价及选用•2.1传感器的特性概述1）传感器的总特性主要包括传感器与被测对象和后接仪器装置组成的测量系统的输入与输出的匹配、传感器的机械特性和工作特性等。2）机械特性•与储运、安装、对外连接（电源、机械、流体等）相关的（材料、力学等）特性和（环境、密封等）条件。3）工作特性•包括静态特性、动态特性、环境特性（施加特定外部条件时与施加之后的性能表现）。2020/2/2422.传感器的性能与评价及选用•2.1传感器的特性概述4）传感器的误差•误差对被测量的测量值(结果)与其真值(真实值)之差。•理想传感器应具备的性能：仅敏感特定输入；输出与输入呈唯一且稳定的关系（最好是线性）；输出量可真实反映输入量的变化。此外，还包括其他方面的理想目标特征。•实用中的局限传感器的特性受制于制作工艺、结构特征、电子器件、实际环境等因素。理想性能不可能达到、也不必都需要，但在实际中应尽可能接近。2020/2/2432.传感器的性能与评价及选用•2.1传感器的特性概述4）传感器的误差—补充知识*真值一般未知，实际中用约定真值或标准(测量)值替代。绝对误差：测量值与真值或标准值之差，简称误差;相对误差：测量值的绝对误差与标准值之比的百分数;引用误差：仪表测量示值误差与其测量范围上限的百分比.系统误差：在相同条件下，对同一被测量进行多次重复测量时，某种保持恒定或按一定规律变化的误差。随机误差：在相同条件下，对同一被测量进行多次重复测量时，受偶然因素影响而出现的其绝对值和符号以不可知方式变化的误差。粗大误差：在测量结果中有明显错误的误差。含此误差的测量数据称为坏值，应予以剔除。表达方式按性质分类2020/2/2442.传感器的性能与评价及选用•2.1传感器的特性概述4）传感器的误差•影响传感器性能的因素1）传感器本身的误差，由原理、结构、制作工艺等决定；2）在应用过程中引入的。影响传感器性能的因素传感器2020/2/245•2.1传感器的特性概述4）传感器的误差•五类误差介入误差-来源？，特点：不可避免,影响程度不同；应用误差-原因：原理或设计的缺陷等；特性参数误差-原因：固有；影响使用及有效工作范围；动态误差-原因：对快变信号的响应滞后：环境误差-原因：环境参量变化或外界因素；对策：在产品选用和应用方式上充分考虑，尽量避免或设法减小上述误差！2.传感器的性能与评价及选用2020/2/2462.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5）传感器的静态特性静态特性：传感器在被测量处于稳定状态时的输出-输入(静态函数)关系。这种输出随输入变化的关系特性表征传感器的工作质量，并且是由传感器内部结构参数决定的。•传感器的输出-输入静态函数关系：式中，a0为零输入时的输出值；a1为线性输出系数，或称作理论灵敏系数；a2，…，an为非线性项系数。当a0=0时，零输入时传感器为零输出。静态函数关系式常用下面三种特殊情况。nnxaxaxaay22102012nnyaaxaxax2020/2/2472.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5）传感器的静态特性①理想线性关系a0和各非线性项系数a2，…，an均为零，此时：y=a1x即用直线方程拟合输入−输出关系曲线所得最简函数关系。②非线性项中仅有奇次项a0和各非线性偶次项系数a2，a4，a6，…均为零，此时有•有此特性的传感器，在原点附近大范围内的输入−输出近似线性，有y(x)=−y(−x)的对称性。③非线性项中仅有偶次项a0和各非线性奇次项系数a3，a5，…均为零，此时有•有此特性的传感器的非线性部分有y(x)=y(−x)的对称性。35135yaxaxax6644221xaxaxaxay2020/2/2482.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5）传感器的静态特性•差动技术：将两个相同特性的传感器差动组合，可有效消除偶次非线性项，从而改善传感器特性。设两个传感器具有相同的输入−输出特性：•若被测量使传感器1有输入x，使传感器2输入为−x，此时y1=y+Δy，y2=y−Δy。对y1和y2作差，即采用差动，有：y1−y2=a1［x−(−x)］+a3［x3−(−x3)］+…=2Δy消除偶次非线性项，仅有奇次项，改善了传感器特性。•线性的益处：①简化传感器的理论分析和设计计算；②方便标定和数据处理；③避免非线性补偿，方便安装、调试21012nnyaaxaxaxnnxaxaxaay221022020/2/2492.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5）传感器的静态特性-评价指标(1)线性度（非线性误差）原因：为方便传感器使用和数据处理，常用直线或多段折线替代标准测试条件下所得实际特性曲线(校准曲线)，把这种通过拟合得到的直线作为工作直线，由此引入误差。线性度表征传感器的校准曲线与拟合直线的偏差程度，其定义为：式中，Lmax为最大偏差；yFS为满量程时的输出值。测量下限与测量上限的区间称为量程，测量上限时的输入量为满量程输入值，对应的输出为满量程输出值（参见下图），其中虚线为拟合直线。%100maxFSLLyr2020/2/24102.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5）传感器的静态特性-评价指标(1)线性度（非线性误差）非线性误差与所选拟合直线有关，拟合的方式不同，非线性误差不同。给出非线性误差时，应说明所用的是何种拟合直线。选择拟合直线的原则使非线性误差最小，并考虑使用方便，计算简单。(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移/最佳直线拟合2020/2/24112.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5）传感器的静态特性-评价指标(2)灵敏度：传感器的输出增量与相应的输入增量之比。对于线性传感器或非线性传感器的近似线性段，灵敏度是传感器特性直线段的斜率，即s=Δy/Δx非线性传感器的灵敏度为：s=dy/dx传感器产品一般都会为用户提供线性度和灵敏度指标，如某位移传感器的灵敏度为100mV/mm；血压传感器的灵敏度为10mV/(V·mmHg)传感器的灵敏度与量程2020/2/24122.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5）传感器的静态特性-评价指标(3)迟滞与重复性迟滞：传感器对正向(输入增大)和反向(输入减小)输入的实际响应特性曲线的不重合程度。对同一大小的输入量，正、反行程对应的输出量大小并不相等，产生迟滞误差；正、反向特性曲线形成的闭环称为迟滞环。迟滞误差大小定义为正、反行程最大输出差值与满量程输出值yFS之比：%100maxFSHyHr传感器的迟滞特性2020/2/24132.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5）传感器的静态特性-评价指标(3)迟滞与重复性重复性：传感器在同一工作条件下，输入按同方向作连续多次变化时测得的多个特性曲线的不重合程度；重复性误差为输出量最大不重复误差Rmax与yFS之比：rR反映数据的离散程度，属随机误差，可用校准数据的标准偏差来计算：式中σ为标准偏差，服从正态分布，可按贝塞尔公式计算。%100maxFSRyRr%1003FSRyr传感器的重复性2020/2/24142.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5)传感器的静态特性-评价指标(4)分辨力与阈值分辨力：传感器能检测到的最小输入增量。只有当传感器的输入变化到一定程度时，输出才能被察觉，用分辨力(或分辨率)来评定传感器的这一能力。当输入连续变化时，传感器的输出只作阶梯变化时，对应输出量每个“阶梯”的输入量为分辨力。分辨率：分辨力与满量程输入之比。阈值：当输入量小到某一值时，观察不到输出变化，这时的输入量称为传感器的阈值。它是传感器的零位分辨力。2020/2/24152.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5)传感器的静态特性-评价指标(5)稳定性指传感器系统在相当长时间内保持性能的能力。一般以室温条件下经过规定时间间隔后，系统输出与起始标定时的输出之差表示，有时也用标定有效期表示。稳定性涉及的原因较多：时效性、温度、外力影响等。•常见的三个主要指标，①时间零漂：传感器的输出零点随时间漂移的情况。②零点温漂：传感器的输出零点随温度变化漂移的情况。③灵敏度温漂：传感器的灵敏度随温度变化漂移的情况。若达不到一定的稳定程度，传感器不能使用。2020/2/24162.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5)传感器的静态特性-评价指标(6)综合误差(精度):传感器的示值与被测量真值之间的最大偏差。它可用绝对误差表示，也可用绝对误差相对于满量程的百分比形式表示。通常是综合考虑室温下传感器的线性度rL（非线性误差）、迟滞误差rH和重复性误差rR这三项；若它们是随机的、独立的、正态分布的，该项误差一般可按下式计算：222LHRrrrr2020/2/24172.传感器的性能与评价及选用•2.2传感器的静态特性与评价5)传感器的静态特性静态性能指标小结：•量程（测量范围）、灵敏度、分辨力是衡量传感器基本功能特性的指标，决定其工作能力；•线性度、重复性、迟滞、漂移、稳定性、综合误差是反映精度特性的指标，决定传感器在何种程度上能完成其测量。2020/2/24182.传感器的性能与评价及选用•2.3传感器的动态特性与评价1)传感器的动态特性•动态特性：传感器对随时间变化的输入量的响应特性；它反映传感器的输出能真实再现变化的输入量的能力。•分析方法在时域内研究传感器对“标准”输入信号的响应特性，获得时域评价指标参数，主要参数是时间常数；在频域内借助传递函数研究传感器对正弦输入的响应特性，按幅频特性和相频特性来描述，主要为保持幅值稳定的响应带宽。（如何理解？）按线性时不变系统理论，常用高阶常系数微分方程作为传感器的数学模型；一般根据微分方程的阶数划分传感器，通常只讨论零阶、一阶、二阶的响应情况。2020/2/24192.传感器的性能与评价及选用•2.3传感器的动态特性与评价2)传感器的频响特性与动态品质评价（1）频率响应特性与动态品质的关系幅频特性：线性系统在正弦输入下的输出幅值与输入幅值之比，以|H(j)|表示；相频特性：输入与输出之间随频率而变的相位特性，以()表示。两者统称频率特性，用于评价传感器在波形复杂的周期输入下的复现误差。如图，传感器在01内幅频特性稳定，即灵敏度基本不变，由输出值与静态灵敏度计算所得动态输入的误差也就不大。线性相频特性可保证对各种谐波组成的任意复杂波形都能被精确复现。幅频和相频特性2020/2/24202.传感器的性能与评价及选用•2.3传感器的动态特性与评价2)传感器的频响特性与动态品质评价（1）频率响应特性与动态品质的关系拓宽固有频率，则在指定精度下的平坦区间也将拓宽。因此，改变传感器的固有频率可改变动态范围。频率特性与时间响应之间有着确定的关系，通过频率特性可计算暂态响应。从典型环节的频率特性，可了解结构参数对它的影响及暂态响应之间的关系。2020/2/24212.传感器的性能与评价及选用•2.3传感器的动态特性与评价2)传感器的频响特性与动态品质评价（2）一阶传感器的幅频、相频特性典型一阶传感器的频率特性为：H(j)=A/(1+j)相应的幅频和相频特性为：一阶频率特性有最简形式，其特征参数可用3dB频率c表示，即:c=1/。此处 称为传感器的时间常数。可见，越小，3dB频率c越高，动态响应越好(时间常数越小，响应越快)。2(j)1()()arctan()AH2020/2/24222.传感器的性能与评价及选用•2.3传感器的动态特性与评价2)传感器的频响特性与动态品质评价（3）