第二章 传感器的基本特性PPT课件
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传感器原理及应用第二章力传感器 ppt课件
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12
ch2 力传感器
传感器与测试技术
设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为
R l
S
当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为:
dR d dl dS RlS
式中： dR ——电阻的相对变化 R
d ——电阻率的相对变化
示 应
应变对测试值的真实应变的相对误 变
差不超过规定范围（一般为10%） εi
时的最大真实应变值。
±10%
1
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εlim 真实应变εz
应变片的应变极限
22
ch2 力传感器
传感器与测试技术
6、动态特性
当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的 动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到 应变片的时间很短(估计约0.2μs)，故只需考虑应变沿应变片 轴向传播时的动态响应。
（1+2μ）≈1.6；
/ l / l
：电阻率随应变而引起的变化（称“压阻效应”）。
金属材料：以前者为主，则KS≈ 1+2μ；
半导体： KS值主要由电阻率相对变化所决定。
实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通
常KS在1.8～3.6范围内。
金属应变片灵敏系数KS由材料的几何尺寸决定的
R4
b
R1
R
2
R1
a
R
4
R
2
R3 c
ey
R3
R
4d
e0
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31
ch2 力传感器
传感器的基本特性与指标
2
xi x
i 1
式中
b ykx
x
1 n
n i 1
xi
，y
1 n
n i 1
yi
（推导从略）
特点：拟合精度高，在数据较多的情况下可由计算机处理，但其拟
合出的直线与标定曲线的最大偏差绝对值不一定最小，最大正负偏
差的绝对值也不一定相等 。例：
y
图中最小二乘拟合直线偏低，使 Lmax Lmax， 从而使估计值偏大。
机解算来获得。
当标定曲线（或平均校准曲线）为单调曲
线，且测量上、下限处的正、反行程校准数据
的算术平均值相等时，“最佳直线”可采用端 点连
线平移来获得，有时称该法为端点平行线法。
y Lmax
拟合 直线
Lmaxห้องสมุดไป่ตู้
O
x
端点平行线法
二．迟滞误差（回差）
传感器或检测系统的输入量由小增大（正行程），继而自大减小
对多环节组成的串联或并联组成的传感器或系统，如果各环节阻 抗匹配适当，求总的传递函数可略去相互间的影响。
对于n个环节组成的串联系统: 对于n个环节组成的并联系统：
n
H (s) Hi (s) i 1
n
H (s) Hi(s) i 1
2.3 传感器的静、动态特性
2.3.1. 静态特性与指标
五．分辨力
系统在规定测量范围内所能检测出输入量的最小变化量。
有时用该值相对满量程输入值之百分数表示，这时称为分辨率。
注意区分： 分辨力：如1mV
分辨率：如0.1%
六．量程
又称“满度值”，表征传感器或系统能承受最大输入量的能力，其 数 值是测量系统示值范围上、下限之差的模。当输入量在量程范围以内 时，测量系统正常工作，并保证预定的性能。
第2章 生物医学传感器基础课件
第2章 生物医学传感器基础
• E 0 是金属浸在含有该金属离子有效浓度 为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ）
• 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。
• E 0 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
第2章 生物医学传感器基础
第2章 生物医学传感器基础
• 图 电极－溶液界面的平衡电位
锌电极放入含Zn2＋的溶液 中，锌电极中Zn2＋进入溶 液中，在金属上留下电子
带负电，溶液带正电。
进入水中的正离子和带负 电的金属彼此吸引,使大多 数离子分布在靠近金属片 的液层中,形成的电场,阻 碍Zn2＋进一步迁移最终达 到平衡。
此时金属与溶液之间形成电荷 分第2布章 产生物生医学一传感定器的基础电位差。
第2章 生物医学传感器基础
一、电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物 电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌 激也要用电极
• 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离 子电位转换成测量系统的电位
• 电极起换能器作用，是一种传感器
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导
线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则
＋
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图 第2章 生物医学传感器基础
生物电测量的等效电路
第2章 生物医学传感器基础
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和 刺激电极两大类：
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量 仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的 电极。剌激电极是个执行元件。
• E 0 是金属浸在含有该金属离子有效浓度 为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ）
• 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。
• E 0 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
第2章 生物医学传感器基础
第2章 生物医学传感器基础
• 图 电极－溶液界面的平衡电位
锌电极放入含Zn2＋的溶液 中，锌电极中Zn2＋进入溶 液中，在金属上留下电子
带负电，溶液带正电。
进入水中的正离子和带负 电的金属彼此吸引,使大多 数离子分布在靠近金属片 的液层中,形成的电场,阻 碍Zn2＋进一步迁移最终达 到平衡。
此时金属与溶液之间形成电荷 分第2布章 产生物生医学一传感定器的基础电位差。
第2章 生物医学传感器基础
一、电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物 电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌 激也要用电极
• 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离 子电位转换成测量系统的电位
• 电极起换能器作用，是一种传感器
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导
线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则
＋
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图 第2章 生物医学传感器基础
生物电测量的等效电路
第2章 生物医学传感器基础
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和 刺激电极两大类：
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量 仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的 电极。剌激电极是个执行元件。
传感器原理及应用ppt课件
香港理工AGV模型
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23
传感器在生物医学上的应 用
• 对人体的健康状况进行 • 诊断需要进行多种生理 • 参数的测量。 • 国内已经成功地开 • 发出了用于测量近红外 • 组织血氧参数的检测仪 • 器。人类基因组计划的研究
也大大促进了对酶、免疫、 微生物、细胞、DNA、RNA、 蛋白质、嗅觉、味觉和体液 组份以及血气、血压、血流 量、脉搏等传感器的研究。
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32
传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续2
（3）化学传感器 是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等 转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。
（4）生物传感器 是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传 感器。近年来发展很快。
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33
13
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14
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15
在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂 时，必须对其性能质量检测
• 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括
润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机
转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以
了解产品质量。
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16
• 汽车扭距测量 机床加工精度测量
传感器的分类
3、按信息能量变换方式分类
在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量 的流动。
（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能 量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压 电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。
（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能 量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。 如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。
第二章 传感器的基本特性
47
二阶系统的动态响应（振动系统）
二阶系统传递函数
b0 kw Y ( s) H ( s) 2 2 X ( s) a2 s a1s a0 s 2 wm s wn
零漂＝
Y0 100% YFS
式中 ΔY0 ——最大零点偏差；
YFS ——满量程输出。
22
温度漂移
传感器在外界温度变化时输出量的变化
温漂＝
max 100% YFS T
式中 Δmax —— 输出最大偏差； ΔT —— 温度变化范围； YFS —— 满量程输出。
23
其它特性指标
分辨率—— 传感器能够检测到的最小输入增量；
14
迟滞
重合的现象称迟滞。
输入量增大
传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不
输入量减小
15
迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：
H H max / Y
FS
100%
H max Y2 Y1
例：一电子秤
增加砝码 电桥输出 减砝码输出
为正、反 行程输出值间的最大差值
10g —— 50g —— 100g —— 200g 0.5 mv --- 2mv --- 4mv --- 10mv 1 mv --- 5mv --- 8mv --- 10mv
16
重复性
传感器输入量按同一方向作多次测量时，输 出特性不一致的程度。
17
重复性误差用最大重复偏差表示：
Rmax rR 100% YFS
43
反变换后得出输出的振幅和频率变化特性
e 1 ( / ) y (t ) sin(t ) 2 2 2 2 (1/ ) (1/ )
传感器与检测技术第二章电阻式传感器.ppt
11
2.1 电位器式传感器
二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率 电刷在与一匝导线接触过程中，虽有小位移，
但阻值无变化 当电刷离开这一匝，接触下一匝时，电阻突然
增加，特性曲线出现阶跃
其阶跃值即视在分辨率为
U Umax n
12
2.1 电位器式传感器
在移动过程中，会使得临近的量匝短路，电位器 总匝数从n减小到(n-1)，总阻值的变化使得在视 在分辨率之中还产生了次要分辨脉冲，即一个小 的阶跃。
U max•Umax
9
2.1 电位器式传感器
线性电位器的骨架截面此处处相等、并且由材料 均匀的导线按相等的节距绕成。对某一匝节距为 t线圈来说，电阻变化量为：
Rl2(bh)
AA
10
2.1 电位器式传感器
电阻灵敏度：
kR
R max X max
nR2(bh)
nt At
电压灵敏度：
kuU Xm ma a x xIX R m maax xI2(bA h)t
16
xmax
eby
n xmax
1 100% n
2.1 电位器式传感器
从图2-5中可见,在理想情况下，特性曲线每个 阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直 线即是理论直线（灵敏度），阶梯曲线围绕它 上下跳动，从而带来一定误差，这就是阶梯误
差。电位器的阶梯误差γj通常以理想阶梯特性
曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出 电压值的百分数表示，即
所示。这时,电位器(理想阶梯特性的线绕电位器)的电压分辨
率定义为:在电刷行程内,电位器输出电压阶梯的最大值与最
大输出电压Umax之比的百分数,即为：
Umax
eba
n Umax
传感器的特性
理想情况仅含有一次项，希望表达式仅含奇次项， 偶次项和零次项消除。传感器在结构上采用差动式结构
可实现。
y1 a0 a1 x a2 x 2 an x n y2 a0 a1 x a2 x 2 (1) n an x n y y1 y2 2(a1 x a3 x 3 ) 表达式中消除了零次项 和偶次项，提高了灵敏 度， 减小了非线性。
传感器非线性大小评定方法
静特性曲线可通过实际测试获得。 首先在标准工作
状态下，用标准仪器设备对传感器进行标定（测
试），得到其输入输出实测曲线，即校准曲线，然 后作一条理想直线，即拟合直线，校准曲线与拟合 直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称 为传感器的非线性误差（或线性度） 在采用直线拟合线性化时，传感器的输出输入校正 曲线与其拟合曲线间最大偏差与满量程输出值的百 分比称为线性度或非线性误差，通常用相对误差表 示。
A X ’ ）1 X ’ 求得A， （ X Y
进而求得（ a0 , a1 am ) 计算机求解。
分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百 分数表示。
数字式传感器一般用分辨力为输出的数字指示 值最后一位数字。 7、温度稳定性
温度稳定性又称温漂，表示温度变化时传感 器输出值的偏离程度，一般以温度变化1℃输出 最大偏差与满量程的百分比表示
为了减小动态误差和扩大频率响应范围, 一般 是提高传感器固有频率ωn。而固有频率ωn与传 感器运动部件质量m和弹性敏感元件的刚度k 有关, 即ωn =（k/m）1/2。增大刚度k和减小质 量m可提高固有频率, 但刚度k增加, 会使传感 器灵敏度降低。所以在实际中, 应综合各种因 素来确定传感器的各个特征参数。
传感器与检测技术
传感器基础知识课件
能力。
分辨率
分辨率是指传感器能够检测到的最 小输入变化量。分辨率越高，传感 器能够检测到的信号越微弱。
交叉灵敏度
交叉灵敏度是指传感器对非测量方 向的输入变化的敏锐程度。交叉灵 敏度会影响传感器的测量精度和稳 定性。
分辨率
绝对分辨率
绝对分辨率是指传感器能够检测 到的最小输入变化量。绝对分辨 率反应了传感器对微弱信号的检
新技术
新兴技术如物联网、人工智能等正在与传感器技术深度融会，推动传感器向智能化、网络化方向发展 。
微型化与集成化
微型化
随着微纳加工技术的进步，传感 器正变得越来越微型化，这使得 传感器能够应用于更广泛的领域 ，如生物医疗、环境监测等。
集成化
将多个传感器集成到一个芯片上 ，实现多参数、多功能的测量， 有助于提高传感器的测量效率和 精度。
环境稳定性
环境稳定性是指传感器在不同环境条件下（如温度、湿度 、压力、振动等）的性能表现。环境稳定性是衡量传感器 在不同工作环境下性能稳定性的重要指标。
重复性
重复性是指传感器在相同条件下重复测量同一物理量时， 其输出值的一致程度。重复性是衡量传感器测量精度的重 要指标。
响应时间
响应时间
响应时间是指传感器从接收到输入信号到产生相应输出信号所需 的时间。响应时间是衡量传感器快速响应能力的重要指标。
工作原理
转换机制
传感器的工作原理是将输入的信号转换成电信号。例如，电阻式传感器通过改 变电阻值来测量压力或温度；光电传感器则利用光电效应将光信号转换成电信 号。
放大与调节
传感器内部通常包含放大器和调节器，用于放大和调节转换后的电信号，以便 进行后续处理和测量。
传感器在日常生活中的应用
01
分辨率
分辨率是指传感器能够检测到的最 小输入变化量。分辨率越高，传感 器能够检测到的信号越微弱。
交叉灵敏度
交叉灵敏度是指传感器对非测量方 向的输入变化的敏锐程度。交叉灵 敏度会影响传感器的测量精度和稳 定性。
分辨率
绝对分辨率
绝对分辨率是指传感器能够检测 到的最小输入变化量。绝对分辨 率反应了传感器对微弱信号的检
新技术
新兴技术如物联网、人工智能等正在与传感器技术深度融会，推动传感器向智能化、网络化方向发展 。
微型化与集成化
微型化
随着微纳加工技术的进步，传感 器正变得越来越微型化，这使得 传感器能够应用于更广泛的领域 ，如生物医疗、环境监测等。
集成化
将多个传感器集成到一个芯片上 ，实现多参数、多功能的测量， 有助于提高传感器的测量效率和 精度。
环境稳定性
环境稳定性是指传感器在不同环境条件下（如温度、湿度 、压力、振动等）的性能表现。环境稳定性是衡量传感器 在不同工作环境下性能稳定性的重要指标。
重复性
重复性是指传感器在相同条件下重复测量同一物理量时， 其输出值的一致程度。重复性是衡量传感器测量精度的重 要指标。
响应时间
响应时间
响应时间是指传感器从接收到输入信号到产生相应输出信号所需 的时间。响应时间是衡量传感器快速响应能力的重要指标。
工作原理
转换机制
传感器的工作原理是将输入的信号转换成电信号。例如，电阻式传感器通过改 变电阻值来测量压力或温度；光电传感器则利用光电效应将光信号转换成电信 号。
放大与调节
传感器内部通常包含放大器和调节器，用于放大和调节转换后的电信号，以便 进行后续处理和测量。
传感器在日常生活中的应用
01
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29
动态特性除了与传感器的固有因素有关之外, 还与传感器 输入量的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动 特性时, 通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响 应的。
传感器的非线性误差通常用相对误传差感表器示实：际特性曲
线与其理论拟合直
L
Lmax Y
100%
FS
线之间的最大偏差
Y=kx+b Y
线性度 Yi
传感器满量程输出
Lmax X
Xi
6
7
直线拟合线性化
▪ 出发点： 获得最小的非线性误差
拟合方法： ①理论拟合； ②过零旋转拟合； ③端点连线拟合； ④端点连线平移拟合； ⑤最小二乘拟合；
b
2 i2 (yi ki xb ) (1 )0
knnxixyii2(
xi yi xi)2
b
xi2 yi xi xiyi n xi2( xi)2
13
▪ 即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性 度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度 最高。
• 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S = Δy/Δx • 对非线性传感器灵敏度为一变量： S = dy/dx
19
稳定性
v 在规定工作条件范围和规定时间内，传感器性 能保持不变的能力
例：
闪烁探测器8小时长期稳定性测量散点图
20
▪ 稳定性表示
➢ 一般用重复性的数值和观测时间的长短表示 ➢ 例如，某传感器输出电压值每小时变化1.5mV，
8
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①理论拟合
拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。 方法十分简单，但一般说 LMax 较大
y
ΔLmax
x
9
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②过零旋转拟合
曲线过零的传感器。拟合时，使 L1L2 LMax y
ΔL1 ΔL2
x
10
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③端点连线拟合
▪ 把输出曲线两端点的连线作为拟合直线 y
16
重复性
v 传感器输入量按同一方向作多次测量时，输 出特性不一致的程度。
17
重复性误差用最大重复偏差表示：
rR
Rmax10% 0 YFS
v 属于随机误差，可用标准偏差表示：
rR
(2~3)10% 0
YFS
σmax —— 最大标准差； （2～3）—— 置信度；
18
灵敏度
v在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值
则稳定度可表示为1.5mV/h。
21
零点漂移
▪ 传感器在输入为零时的输出量，（长时间工作 稳定性、零点漂移）
零漂＝
Y0 100% YFS
式中 ΔY0 ——最大零点偏差； YFS ——满量程输出。
22
温度漂移
▪ 传感器在外界温度变化时输出量的变化
温漂＝ max 100% YFST
式中 Δmax —— 输出最大偏差； ΔT —— 温度变化范围； YFS —— 满量程输出。
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2
传感器静态特性
▪ 当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的 信号时（如温度、压力），讨论传感器输入输 出关系称静态特性。
▪ 静态特性可以用函数式表示为
Y f X
Y a 0 a 1 x 1 a 2x2a nxn
3
传感器静态特性可以用多项式表示：
传感器基本特性
被测量x
y
传感器
测量电路
输出单元
▪ 传感器的基本特性—传感器输入与输出之间的关系。
▪ 传感器测量的参数X一般有两种形式
➢ 快变信号（动态信号）
X随时间变化时X-Y的特性
➢ 慢变信号（稳态信号）
X不随时间变化时X-Y的特性
动态特性 静态特性
1
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前言
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ΔLmax x
11
返
▪ 在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离 为原先的一半 L2L1L3LMax y ΔLmax
ΔL1 x
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（e）最小二乘拟合
ykxb
i yi(kixb)
n
n
原理: 2i yi(kixb)2min
i1
i1
k
2 i2 (yi ki xb ) (xi)0
23
其它特性指标
v 分辨率—— 传感器能够检测到的最小输入增量；
v 阈值——输入小到某种程度输出不再变化的X值； v 门槛灵敏度—— 指输入零点附近的分辨能力。
24
25
传感器动态特性
Ø 当输入量随时间变化时,如 :加速度、振动等 Ø 这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。
ü 用时域法表示成：
14
迟滞
输入量增大
v 传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不
重合的现象称迟滞。
输入量减小
15
v 迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：
H H m ax/Y F S 100%
Hmax Y2Y1 为正、反 行程输出值间的最大差值
例：一电子秤
增加砝码 10g —— 50g —— 100g —— 200g 电桥输出 0.5 mv --- 2mv --- 4mv --- 10mv 减砝码输出 1 mv --- 5mv --- 8mv --- 10mv
Ytf Xt
ü 用频域法表示为：
YjfXj
26
Ø 动态特性是指传感器输出对随时间变化的输入
量的响应特性： Ø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。实际上除了 具有理想的比例特性外, 输出信号将不会与输入信 号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异 就是所谓的动态误差。
27
例：动态测温
• 设环境温度为T0 ,水槽中水的温度为T,而且 T ＞T0 传感器突然插入被测介质中；
• 用热电偶测温,理想情况测试曲线T是阶跃变化的；
热电偶
环境温度T0 ℃ T ＞To
水温T℃
• 实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程
28
n造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为 温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定） 和传热热阻, 使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被 测介质的温度变化。 n这种热惯性是热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测 量快速温度变化时会产生动态误差。 n影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有, 只不过它 们的表现形式和作用程度不同而已。
Ya 0 a 1 x1 a 2x2a nxn
▪ 其中： x — 输入量， Y — 输出量； a0 — x = 0 时的输出值 a1 — 理想灵敏度 a2, a3…..an —— 非线性项系数
4
传感器静态特性
▪ 静态特性指标：
➢ 线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定 性、零漂、温漂。
5
线性度
v 输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。
动态特性除了与传感器的固有因素有关之外, 还与传感器 输入量的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动 特性时, 通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响 应的。
传感器的非线性误差通常用相对误传差感表器示实：际特性曲
线与其理论拟合直
L
Lmax Y
100%
FS
线之间的最大偏差
Y=kx+b Y
线性度 Yi
传感器满量程输出
Lmax X
Xi
6
7
直线拟合线性化
▪ 出发点： 获得最小的非线性误差
拟合方法： ①理论拟合； ②过零旋转拟合； ③端点连线拟合； ④端点连线平移拟合； ⑤最小二乘拟合；
b
2 i2 (yi ki xb ) (1 )0
knnxixyii2(
xi yi xi)2
b
xi2 yi xi xiyi n xi2( xi)2
13
▪ 即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性 度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度 最高。
• 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S = Δy/Δx • 对非线性传感器灵敏度为一变量： S = dy/dx
19
稳定性
v 在规定工作条件范围和规定时间内，传感器性 能保持不变的能力
例：
闪烁探测器8小时长期稳定性测量散点图
20
▪ 稳定性表示
➢ 一般用重复性的数值和观测时间的长短表示 ➢ 例如，某传感器输出电压值每小时变化1.5mV，
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①理论拟合
拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。 方法十分简单，但一般说 LMax 较大
y
ΔLmax
x
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②过零旋转拟合
曲线过零的传感器。拟合时，使 L1L2 LMax y
ΔL1 ΔL2
x
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③端点连线拟合
▪ 把输出曲线两端点的连线作为拟合直线 y
16
重复性
v 传感器输入量按同一方向作多次测量时，输 出特性不一致的程度。
17
重复性误差用最大重复偏差表示：
rR
Rmax10% 0 YFS
v 属于随机误差，可用标准偏差表示：
rR
(2~3)10% 0
YFS
σmax —— 最大标准差； （2～3）—— 置信度；
18
灵敏度
v在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值
则稳定度可表示为1.5mV/h。
21
零点漂移
▪ 传感器在输入为零时的输出量，（长时间工作 稳定性、零点漂移）
零漂＝
Y0 100% YFS
式中 ΔY0 ——最大零点偏差； YFS ——满量程输出。
22
温度漂移
▪ 传感器在外界温度变化时输出量的变化
温漂＝ max 100% YFST
式中 Δmax —— 输出最大偏差； ΔT —— 温度变化范围； YFS —— 满量程输出。
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2
传感器静态特性
▪ 当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的 信号时（如温度、压力），讨论传感器输入输 出关系称静态特性。
▪ 静态特性可以用函数式表示为
Y f X
Y a 0 a 1 x 1 a 2x2a nxn
3
传感器静态特性可以用多项式表示：
传感器基本特性
被测量x
y
传感器
测量电路
输出单元
▪ 传感器的基本特性—传感器输入与输出之间的关系。
▪ 传感器测量的参数X一般有两种形式
➢ 快变信号（动态信号）
X随时间变化时X-Y的特性
➢ 慢变信号（稳态信号）
X不随时间变化时X-Y的特性
动态特性 静态特性
1
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前言
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ΔLmax x
11
返
▪ 在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离 为原先的一半 L2L1L3LMax y ΔLmax
ΔL1 x
12
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（e）最小二乘拟合
ykxb
i yi(kixb)
n
n
原理: 2i yi(kixb)2min
i1
i1
k
2 i2 (yi ki xb ) (xi)0
23
其它特性指标
v 分辨率—— 传感器能够检测到的最小输入增量；
v 阈值——输入小到某种程度输出不再变化的X值； v 门槛灵敏度—— 指输入零点附近的分辨能力。
24
25
传感器动态特性
Ø 当输入量随时间变化时,如 :加速度、振动等 Ø 这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。
ü 用时域法表示成：
14
迟滞
输入量增大
v 传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不
重合的现象称迟滞。
输入量减小
15
v 迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：
H H m ax/Y F S 100%
Hmax Y2Y1 为正、反 行程输出值间的最大差值
例：一电子秤
增加砝码 10g —— 50g —— 100g —— 200g 电桥输出 0.5 mv --- 2mv --- 4mv --- 10mv 减砝码输出 1 mv --- 5mv --- 8mv --- 10mv
Ytf Xt
ü 用频域法表示为：
YjfXj
26
Ø 动态特性是指传感器输出对随时间变化的输入
量的响应特性： Ø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。实际上除了 具有理想的比例特性外, 输出信号将不会与输入信 号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异 就是所谓的动态误差。
27
例：动态测温
• 设环境温度为T0 ,水槽中水的温度为T,而且 T ＞T0 传感器突然插入被测介质中；
• 用热电偶测温,理想情况测试曲线T是阶跃变化的；
热电偶
环境温度T0 ℃ T ＞To
水温T℃
• 实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程
28
n造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为 温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定） 和传热热阻, 使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被 测介质的温度变化。 n这种热惯性是热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测 量快速温度变化时会产生动态误差。 n影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有, 只不过它 们的表现形式和作用程度不同而已。
Ya 0 a 1 x1 a 2x2a nxn
▪ 其中： x — 输入量， Y — 输出量； a0 — x = 0 时的输出值 a1 — 理想灵敏度 a2, a3…..an —— 非线性项系数
4
传感器静态特性
▪ 静态特性指标：
➢ 线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定 性、零漂、温漂。
5
线性度
v 输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。