第二章传感器的基本特性.ppt

CH2 传感器的基本特性 　　传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的传感器，不同的输入信号，输出特性是不同的；对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。 　　传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。 　　传感器在稳态信号（静态或准静态）作用下，输入与输出的对应关系称为静态特性 　　当输入量随时间较快地变化（动态或暂态信号）时，输入与输出的对应关系称为动态特性。 　　传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。 实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程．将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。 传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性(温度、湿度、大气压等)。 静态标准环境：没有加速度、振动、冲击、室温20±5℃下、相对湿度不大于85%、一个标准大气压±8kPa下。 静态校准曲线：在静态标准环境下对传感器反复测试得到输入输出数据。将被测量值的正行程输出值与反行程的输出值的平均值连结起来的曲线。 传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。 2.1传感器的静态特性 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的理想情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示： 静态特性曲线可实际测试获得。在规定条件下，利用一定准确度等级的标定设备产生已知标准的静态量做为传感器的输入量，用实验方法对传感器进行多次重复测量，从而得到输出量的过程称为传感器的静态标定。根据静态标定时传感器的静态标定数据绘制的曲线称为静态标定曲线。 在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。 一般来说，这些办法都比较复杂。如果非线性阶次不高，输入量变化范围不大的条件下，可以用一条直线来代替传感器的静态标定曲线。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。所采用的的直线称为拟合直线。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，但计算繁琐，一般用于比较重要场合的传感器。 设拟合直线方程： 即得到a1和a0的表达式 2.1传感器的静态特性 传感器的主要静态特性指标 1 线性度 3.滞后量（迟滞或回程误差） 迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。 滞后量的产生主要是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷造成的。包括迟滞现象和不工作区（死区）。比如磁性材料磁畴变化时而形成的磁滞回线、压电材料的迟滞现象、弹性材料的弹性滞后、缝隙、螺丝松动、振动、元件老化、摩擦、灰尘积塞等 4．重复性 不重复误差也常用标准偏差σ表示。 传感器的精度常用线性度、灵敏度、滞后量、重复性误差的方根和来表示。 动态数学模型与传递函数 频率特性：输入为正弦信号时的稳态响应 瞬态响应：以单位阶跃响应为例 ω / ωn ﹤﹤1，A(ω)接近于１，相位不变，近似于０阶系统．输入输出大小相等，方向基本相同．可见无阻尼固有频率越高，工作频带越宽； ω / ωn ﹥﹥1， A(ω)接近于0，相位反相，频率特性趋于０，即被测参数的频率高出固有频率很多，传感器没有反应． 阻尼比越大， A(ω)最大值越小，过冲现象越弱 常用值（最佳阻尼）： ξ =0.7左右，此时幅频特性的平值段最宽，相频特性接近于一条斜直线。 临界阻尼： ξ=1，幅频特性永远小于1，无过冲，也不振荡，不会出现谐振现象，幅频特性下降太快，平坦段更小 综上，二阶传感器的动态特性参数为固有频率和阻尼度，为了减小测量误差和提高测量频率范围，要求传感器有合适的固有频率，通常固有频率至少为被测输入信号的3-5倍，另外当固有频率已定的情况下应选择合适的阻尼度，失真小、工作频带宽的最佳阻尼