传感器的动态特性与静态特性_第二章概要

• 通常的工程检测问题总是处理输入量或被测量x(t)、系 统的传输或转换特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系. • (1)如果系统的特性已知,通过对输出信号的观察分析,就 能推断其相应的输入信号或被测量。这就是通常的测量 • (2)如果输入信号已知,通过对输出信号的观察分析,就能 推断出检测系统的特性。这就是通常的系统或仪器的标 定过程。 • (3)如果输入和系统的特性已知,则可推断和估计系统的 输出量
2.1.1
传感器的静态数学模型
设a0=0，即不考虑零位输出，则静态特性曲 线过原点。一般可分为以下几种典型情况。 1.理想的线性特性 当a2a3…an0时， 静态特性曲线是一条直线， 传感器的静态特性为
y
O
x
y a1 x
(2.2)
2.1.1
传感器的静态数学模型
2.无奇次非线性项 当a3=a5=…=0时，静态特性为
模型。
2.1.1
传Hale Waihona Puke Baidu器的静态数学模型
在静态条件下，若不考虑迟滞及蠕变，则传 感器的输出量y与输入量x的关系可由一代数方程 表示，称为传感器的静态数学模型，即
y a0 a1 x a2 x 2 an x n (2.1)
式中 a0——无输入时的输出，即零位输出； a1——传感器的线性灵敏度； a2,a3 , … , an——非线性项的待定常数。
2.1
2.1.1 2.1.2
传感器的静态特性
传感器的静态数学模型 描述传感器静态特性的主要指标
2.1.1
传感器的静态数学模型
传感器作为感受被测量信息的器件，希望 它按照一定的规律输出有用信号，因此需要研
究描述传感器的方法，来表示其输入— 输出关
系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校
准与使用。
描述传感器最有效的方法是传感器的数学
(2.4)
O
x
特性曲线关于原点 对称，在原点附近有较 宽的线性区。
2.1.1
传感器的静态数学模型
4.一般情况 特性曲线过原点，但不对称。
y
y( x) a1 x a2 x 2 an xn
x
O
y(x) a1x a2 x2 a3 x3 a4 x4 y(x) y( x) 2 (a1x a3 x3 a5 x5 )
y a1 x a2 x 2 a4 x 4 (2.3)
y
O
x
因不具有对称性， 线性范围较窄，所以 传感器设计时一般很 少采用这种特性。
2.1.1
传感器的静态数学模型
3.无偶次非线性项 当a2=a4=…=0时，静态特性为
y a1 x a3 x 3 a5 x 5
y
2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标
1.线性度
传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称 为传感器的线性度，又称非线性误差。
eL Dymax / yFS 100%
yF.S.—— 传 感 器 的 满 量 程 输出值（F.S.是full scale 的缩写）； Dymax——校准曲线与拟合 直线的最大偏差。
概 述：
在一个测量控制系统中传感器位于最前端,是决定系统 性能的重要部件,如灵敏度、分辨率、检出限、稳定性等， 其中每项指标都直接影响测量结果的好坏以及控制过程的 准确性。 被 测 对 象
被测量
传 感 器
可用信号
信 号 处 理
显 示 记 录
控制器
测量 控制系统示意框图
传感系统描述
输入量X(t) 传感器系统 h(t) 输出量Y(t) 将传感器看成一个具有输入、输出的二端网络
• 所谓线性系统,即输出与输入成线性关系。 • 在静态测量中,系统的线性关系虽然总是所希 望的,但不是必需的(因为静态测量中用校正曲 线或输出补偿技术作非线性校正尚不因难); • 在动态测量中,测量系统本身应该力求是线性 系统。这不仅因为在动态测量中作非线性校正 目前还相当困难,且还只能对线性系统作较完 善的数学处理与分析。实际的测量系统不可能 在较大工作范围内完全保持线性,因此只能在 一定的误差范围内和在一定的工作范围内作线 性处理,也即只能在误差允许的范围内工作。
2.1
定义
传感器的静态特性
传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的 输出输入关系。 只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间的 关系式中不含有时间变量。 尽管可用方程来描述输出输入关系，但衡量传感器静 态特性的好坏是用一些指标。 重要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、稳定性 和漂移等。
传感器的一般特性分析与标定
传感器所测量的物理量基本上有两种形式：
缓的量 静 态 量 ， 常 量 或 变 化 慢 — —静态特性 输入量 动 态 量 ， 周 期 变 化 、 态 瞬变化或随机变化的量 — —动态特性
传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的 外部特性。 一个高精度的传感器必须有良好的静态特性和动态 特性才能完成信号无失真的转换。
第
二
传感器的基本特性
♣ 第一节 传感器的静态特性
章
♣ 第二节 传感器的动态特性
♣ 第三节 传感器的无失真测试条件
♣ 第四节 传感器的标定
传感器的一般特性分析与标定
在生产过程和科学实验中, 要对各种各样的 参数进行检测和控制, 就要求传感器能感受被测 非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量, 这取决于传感器的基本特性,即输出—输入特性。
这就是将两个传感器接成差动形式可拓宽 线性范围的理论根据。
2.1.2 描述传感器静态特性的主要指标
借助实验方法确定传感器静态特性的过程称 为静态校准。 当满足静态标准条件的要求，且使用的仪器 设备具有足够高的精度时，测得的校准特性即为 传感器的静态特性。 由校准数据可绘制成特性曲线，通过对校准 数据或特性曲线的处理，可得到数学表达式形式 的特性，及描述传感器静态特性的主要指标。
• 理想的测量仪器或检测系统应该具有单值 的、确定的输入—输出关系,而且最好是一 个单向系统和线性系统。 • 所谓单向系统,即检测系统对被测量的反作 用力可以忽略。 • 例如测零件尺寸,则要求检测系统的测量力 足够小,在测量过程中使零件不致受力作用 而变形。 • 又如振动测量时,要求传感器的质量很小,使 其对被测振动体的固有频率的影响可忽略 不计。当然非接触式测量最好。