(完整版)智能传感器系统刘君华第2章

第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础
2.1.1
静态特性又称“刻度特性”、“标定曲线”或“校准曲线”。 它表示当输入系统的被测物理量x(t)为不随时间变化的恒定信号， 即x(t)=常量时，系统的输入与输出之间呈现的关系。通常，静态 特性可由如下的多项式来表示：
y s0 s1x s2 x2 snsn (2-1)
SP
y xP
ST
y xT
SV
y xV
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对于一个存在交叉灵敏度的传感器系统，一定是一个低精 度、性能不稳定的系统。经典的传感器系统没有能力从输出改 变量Δy来精确推断某一个输入量的变化值， 如ΔxP ， 因为这 时可能ΔxP=0，根本没改变；输出改变量Δy的产生可能是温度变 化ΔxT或电压变化ΔxV引起的。
第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 图2-2 静态特性
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2. 量程Y(FS) 量程又称“满度值”，它表征系统能够承受最大输入量xFS 的能力。其数值是系统示值范围上、下限之差的模。当输入量 在量程范围以内时， 系统正常工作并保证预定的性能。
注意，对于输出标准化的传感器系统， 我们把它称为“变 送器”，
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2.1 传感器系统的基本特性 2.2 几种传感器工作原理 2.3 提高传感器性能的技术途径
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2.1 传感器系统的基本特性
图2-1 传感器系统
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对传感器系统的基本特性研究，
第一，用作为一个测量系统。 这时必须已知传感器系统的 基本特性，才能测量输出信号y(t)。 这样可通过基本特性和输出 来推断导致该输出的系统的输入信号x(t)。 这就是未知被测物理
。
第二，用于传感器系统本身的研究、设计与建立。这时必须 观测系统的输入x(t)及与其相应的输出y(t)，才能推断建立系统的 特性。 如果系统特性不满足要求，则应修改相应的内部参数， 直至合格为止。
智能传感器系统与经典传感器相比，不仅有硬件而且还可以 有强大的软件抵抗干扰、抑制噪声的能力，因而可以获得更高的 分辨率。
第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 二、 静态特性的性能指标 1. 迟滞
图2-4 滞环
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迟滞亦称“滞后量”或“滞环”， 它表征系统在全量程范
围内， 输入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两个静态
特性不一致的程度，如图2-4所示。其值可用相对误差δH的百分 数来表示
H
| Hm | 100 % Y (FS )
(2-4)
式中：ΔHm表示同一输入量对应正、 反行程输出量的最大差值。
第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 2. 重复性
图2-5 重复性
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表示系统输入量按同一方向作全量程、 连续多次变动时，
静态特性不一致的程度，如图2-5所示。其数值用相对误差δR
的百分数表示
R
| R | Y (FS )
100 %
(2-5)
式中：ΔR表示同一输入量对应多次循环的同向行程输出量的绝 对误差。
重复性数值的大小反映标定值的分散程度，是一种偶然误 差。 故可按随机误差处理法则来确定ΔR。
零位值 y0=s0=4 mA 上限值 yFS=20mA 量 程 Y(FS)=16 mA
第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 3. 灵敏度表征系统对输入量变化反应的能力。其数值由系统
输出变化量Δy与引起该变化的输入变化量Δx的比值S来表示
S
y(输出量的变化量 x(输入量的变化量
) )
(2-3)
输入量与输出量也可以采用相对变化量形式，如Δy/y,Δx/x, 与 之相对应的灵敏度也可有多种表达形式， 如
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3. 线性度
线性度又称“直线性”，它表示系统静态特性对选定拟合直
线(y=b+kx)的接近程度。在数值上用非线性相对误差δL的百分数
来表示
L
| Lm | Y (FS )
100 %
(2-6)
式中：ΔLm表示静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差。
由于拟合直线确定的方法不同，相应的拟合偏差值与线性 度的数值也就不同。目前常用的有：理论线性度、平均选点线 性度、端基线性度、最小二乘法线性度等。其中尤以理论线性 度与最小二乘法线性度应用最普遍。
S
y x
x
y 或 S y
x
第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础 图2-3 实际的多输入系统
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如果采用一个压力传感器系统测量气缸内工作气体的压力，
但是实际工作气体压力变化ΔxP的过程必然伴随着温度的变化 ΔxT，传感器系统的供电电压在测量期间也不可能绝对恒定， 而 有变化ΔxV，这时 的 传感器 系 统至少 是 一个三 输 入 (ΔxP, ΔxV, ΔxT)—单输出Δy系统。如果每个输入量的变化都能引起输出量的 变化，则该系统存在“交叉灵敏度”:
式中： s0,s1,s2,…,sn—— y—— x——输入量。
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一、 静态特性的基本参数
1. 零位(零点)
当输入量为零即x=0时, 传感器系统(以下简称系统)输出量y不 为零的数值，由(2-1)式可得零位值为
y0 s0
(2-2)
如图2-2所示。零位值应从测量结果中设法消除。
对于经典传感器系统，通常都存在着对工作环境温度、供 电电压的交叉灵敏度。人们一直都在为减小交叉灵敏度而努力， 如采用稳压源、恒流源供电，采用各种温度补偿措施降低温度 的交叉灵敏度。智能传感器系统依靠强大的软件功能在降低交 叉灵敏度方面有重大突破。
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4.
分辨率又称“灵敏度阈”或“分辨力”， 它表征系统有效 辨别输入量最小变化量的能力。具有A/D转换器的传感器系统， 其分辨率为一个量化值q对应的输入变化量。这就要求传感器系 统设置合理的放大倍数。采取有效消除干扰、抑制噪声的措施， 把噪声电平压制在半个量化值(q/2)以下，信号电平大于q/2，即 具有足够的信噪比。