传感器的动态特性与静态特性_第二章讲解

y a1 x a2 x2 a4 x4
(2.3)
y
因不具有对称性，
线性范围较窄，所以
传感器设计时一般很
O
x 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 x3 a5 x5
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(2.4)
y
特性曲线关于原点
2.1 传感器的静态特性
定义
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。
2.1 传感器的静态特性
对称，在原点附近有较 O x 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) a1x a2 x2 an xn
O
x y(x) a1x a2 x2 a3x3 a4 x4
y(x) y(x) 2(a1x a3x3 a5x5 )
2.1.1 传感器的静态数学模型
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 x2 an xn
(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。
第
二
章
传感器的基本特性
♣ 第一节 传感器的静态特性 ♣ 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。
• (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
• 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。
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
• 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。
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% (2.5)
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。
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。
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 a1 x (2.2)
y Ox
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
2.1.1 传感器的静态数学模型 2.1.2 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 模型。
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：
静 态 量 ， 常 量 或 变 化 缓慢 的 量
输
入
量动
态
量
— —静态特性 ， 周 期 变 化 、 瞬态
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。
• 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。
• 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。
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 被测量 对 象
传 可用信号 感 器
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)