武汉大学传感器技术课件-传感器一般特性

传感器技术主讲人：吴琼水武汉大学电子信息学院第1章传感器的一般特性1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移线性度(Linearity)在规定的条件下，传感器静态校准曲线(实际曲线)与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。max100%FSLYYLmaxYFSY是校准曲线与拟合直线间的最大偏差是传感器满量程输出是线性度线性度(Linearity)在规定的条件下，传感器静态校准曲线(实际曲线)与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。max100%FSLYY可见，直线拟合方法不一样，线性度会不一样max100%FSLYY（1）线性度理想直线的选择原则是：既能反映实际曲线的趋势，又能使非线性误差的绝对值最小。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。①端点连线(端基法)拟合；②最小二乘拟合；③理论拟合；④端点连线平移拟合；⑤过零旋转拟合；常用拟合方法：线性度与拟合的理想直线有关。常用拟合方法把传感器的零点输出平均值与满度输出平均值连成直线作为传感器的拟合理想直线。Δymax{yF.Syx0xmaxa0(x0,y0)ymaxb0(xmax,ymax)端点连线(端基法)拟合常用拟合方法最小二乘法拟合设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：Δi=yi-(kxi+b)min2112niiiniibkxy最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即对k和b一阶偏导数等于零，求出k和b的表达式2i2i即得到k和b的表达式022iiiixbkxyk0122bkxybiii1112211()nnniiiiiiinniiiinxyxynxxk211112211()nnnniiiiiiiiinniiiixyxxybnxx将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线。例：测得某检测装置的一组输入输出数据如下：假设输出最大值为5.0，最小值为0，试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度？x0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0解：代入数据得：bkxy)(bkxyiii22)(iiiiiixxnyxyxnk222)()(iiiiiiixxnyxxyxb68.0k25.0bx0.92.53.34.55.76.7y1.11.62.63.24.05.0解：68.0k25.0b∴25.068.0xy%7535.0%100maxFSLyL238.0135.0216.0311.04126.05194.06拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%例：测得某检测装置的一组输入输出数据如下：假设输出最大值为5.0，最小值为0，试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度？传感器技术主讲人：吴琼水武汉大学电子信息学院1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移线性度(Linearity)212nnYaXaXaX同时有奇偶次非线性项对于非理想的传感器，如何提高线性度？差动测量方法:利用两个性能相同的传感器进行差动输出测量。即一个传感器感受正方向变化，一个感受负方向的变化，差动输出。前面讲的方法是通过计算方法来计算线性度，其实对提高线性度用途不大。实际中，常配合差动测量法来改善线性度。差动测量举例金属丝应变片1钢梁金属丝应变片2金属丝应变片金属丝应变片1金属丝应变片2金属丝应变片1金属丝应变片2变长缩短RR正应变负应变线性度(Linearity)差动测量方法:利用两个性能相同的传感器进行差动输出测量。即一个传感器感受正方向变化，一个感受负方向的变化，差动输出：2012nnYaaXaXaX设某传感器静态特性为：则正方向传感器：234101234YaaXaXaXaX负方向传感器：234201234YaaXaXaXaX那么差动输出为：35121352()YYYaXaXaX其优点：①消除偶阶次非线性误差;②灵敏度提高一倍;③消除了零位输出传感器技术主讲人：吴琼水武汉大学电子信息学院第1章传感器的一般特性1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移灵敏度(Sensitivity)传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。'dfxdyKfxdxdx输出变化量输入变化量灵敏度(Sensitivity)传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。'dfxdyKfxdxdx输出变化量输入变化量1)对线性传感器,灵敏度是直线的斜率：K=Δy/Δx可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度K是一常数，与输入量大小无关。y0ΔxΔyx灵敏度(Sensitivity)传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。'dfxdyKfxdxdx输出变化量输入变化量2)对非线性传感器,灵敏度是一个变化量，不同地方灵敏度不同：非线性传感器灵敏度是一个变化量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移精确度与精确度有关指标：精密度、正确度(准确度)和精确度(精度)。准确度说明传感器输出值与真值的偏离程度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。精确度是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。精确度准确度说明传感器输出值与真值的偏离程度。准确度是系统误差大小的标志。精密度说明测量传感器输出值的分散性。精密度是随机误差大小的标志。精确度是精密度与准确度两者的综合优良程度。低精密度，低正确度高精密度，低正确度低精密度，高正确度高精密度，高正确度精确度精确度是精密度与准确度两者的综合优良程度。精确度等级在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠程度，引入精确度等级概念，用A表示。AFSAA=100%Y-传感器精确度等级.我国工业仪表等级分为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七个等级.-测量范围内允许的最大绝对误差-满量程输出1.5%表示1.5级0.5%表示0.5级AFSYA精确度FSAA=100%YAFSY-测量范围内允许的最大绝对误差-满量程输出例1-8：检定一台1.5级刻度0-100Pa压力传感器，现发现50Pa处误差最大,误差为1.4Pa，问这台压力传感器是否合格？解：1.4A=100%1.4%100-0根据50Pa处来计算精度等级：1.41.5，所以该传感器合格的。0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七个等级.传感器技术主讲人：吴琼水武汉大学电子信息学院第1章传感器的一般特性1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移分辨力和最小检测量分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。100g101g=0.25g分辨力和最小检测量最小检测量是反映传感器能确切反映被测量的最低极限量。M=KCNM为最小检测量；C为系数(一般取1-5)；N为噪声电平；K为传感器的灵敏度当输入的变化量被传感器内部噪声淹没时将反映不到输出.传感器技术主讲人：吴琼水武汉大学电子信息学院第1章传感器的一般特性1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移迟滞传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称迟滞。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械另部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。例：某电子秤：增加砝码0g——50g——100g——200g电桥输出0.5mv---2.0mv--4.0mv---8.0mv减砝码输出0.6mv---2.2mv---4.5mv---8.0mvmax/100%FSHHY1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移重复性重复性指的是传感器输入量按同一方向在全测量范围内作多次测量时，输出特性不一致的程度。重复性指标可用标准偏差来计算。max2~3100%FSRY2~3为置信度;niinyyn121)(11其中：是各点标准偏差的最大值，当各点标准偏差用贝塞尔公式计算得到时：max其中,n为测量次数。标准偏差表示如下：重复性指标也可用最大偏差值来表示。max100%FSRRYmaxmax1max2max(,)RRR其中：传感器技术主讲人：吴琼水武汉大学电子信息学院第1章传感器的一般特性1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移稳定性(Stability)稳定性表示传感器在较长时间内保持其性能参数的能力，故又称长期稳定性。稳定性可用相对误差或绝对误差表示。表示方式如：个月不超过%满量程输出。有时也采用给出标定的有效期来表示。1.1传感器静态特性静态特性指标（1）线性度（2）灵敏度（3）精确度(精度)（4）最小检测量和分辨力（5）迟滞（6）重复性（7）稳定性（8）漂移漂移传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。产生原因：传感器自身结构参数老化测试过程中环境发生变化漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和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，零点或灵敏度随时间的缓慢变化温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移漂移漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和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，零点或灵敏度随时间的缓慢变化温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移%1000FSYY零漂＝——最大零点偏差——满量程输出%100maxTYFS温漂＝Δmax——输出最大偏差；ΔT——温度变化范围；YFS——满量程输出。传感器技术主讲人：吴琼水武汉大学电子信息学院第1章传感器的一般特性1.2传感器动态特性
基本概念
一般数学模型
传递函数
动态响应及动态特性指标基本概念输入输出时间时间时间()YfX=不再完全符合静态特性函