第2章(传感器基本特性)

传感器与检测技术工学院电子系第2章传感器的基本特性传感器静态特性传感器动态特性传感器标定传感器与检测技术工学院电子系2.1传感器的静态特性传感器的静态特性：在稳态信号作用下的输入－输出关系。不含有时间变量。线性度灵敏度分辨率迟滞重复性漂移传感器与检测技术工学院电子系传感器的基本特性：传感器的输入－输出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性对传感器的要求：高精度－＞信号（或能量）无失真转换－＞反映被测量的原始特征传感器与检测技术工学院电子系2.1.1线性度传感器的输入、输出间成线性关系的程度非线性特性的线性化处理ooomaxLmaxLmaxLmXmXmXxxxyyyFSYFSYFSY（a）切线或割线（c）端点平移（b）过零旋转传感器与检测技术工学院电子系2.1.2灵敏度传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值yx0nySx＝y0(a)　线性测量系统(b)非线性测量系统xndySdxyx0nS(c)　灵敏度为常数yfxCdydxyx0nS(d)　灵敏度随输入增加而增加yfxdydxyx0nS(e)　灵敏度随输入增加而减小yfxdydx传感器与检测技术工学院电子系2.1.3分辨率分辨率是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。传感器与检测技术工学院电子系2.1.4迟滞性在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等yxHmaxYFSo传感器与检测技术工学院电子系2.1.5重复性传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入－输出特性曲线一致的程度yxoYFSmax2Rmax1R传感器与检测技术工学院电子系2.1.6漂移传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象产生原因：传感器自身结构参数老化(零点漂移)测试过程中环境发生变化(温度漂移)传感器与检测技术工学院电子系2.2动态特性分析动态特性图2.5一阶传感器的时域动态特性trtd00.50.6320.91.0ty(t)图2.6二阶传感器的时域动态特性y(t)1.00.9t0.5tptrtd0st传感器与检测技术工学院电子系是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。传感器与检测技术工学院电子系2.2.1传感器的数学模型线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性。用常系数线性微分方程（线性定常系统）表示传感器输出量与输入量的关系。xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111传感器与检测技术工学院电子系线性时不变系统有两个重要的性质叠加性如果则：频率保持特性如果则：)()(11tytx)()(22tytx)]()([)]()([2121tytytxtx0()cosxtXwt＝00()cosytYwt＝传感器与检测技术工学院电子系2.2.2传递函数特性关系式：拉氏变换：变形：传递函数：xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111))(())((01110111bsbsbsbsXasasasasYmmmmnnnn11101110()()mmmmnnnnbsbsbsbYsXsasasasa)()()]([)]([)(sXsYtxLtyLsH传感器与检测技术工学院电子系2.2.3频率响应函数傅立叶变换得到频率响应特性：指数表示：幅频特性：相频特性：01110111)()()()()()()()()(ajwajwajwabjwbjwbjwbjwXjwYjwHnnnnmmmm()()()jwHjwAwe22)()()()(wHwHjwHwAIR()()()IRHwwarctgHw传感器与检测技术工学院电子系2.2.4传感器的动态特性分析1、一阶传感器的频率响应图3.9一阶传感器的频率特性(a)幅频特性(b)相频特性21.00.70.50.40.30.20.10.10.20.51.02510A()0.50.20.11.025100o－20o－40o－60o－80o()w传感器与检测技术工学院电子系2.2.5二阶传感器的频率响应图3.11二阶传感器的频率特性10750.10.20.51.025104321.00.70.50.30.20.070.050.030.020.10.01＝0.10.20.40.60.81.0nA()(a)0°－40°－80°－120°－160°()0.10.20.510521.0n(b)＝0.10.20.40.60.81.0幅频特性相频特性传感器与检测技术工学院电子系2.3传感器的标定与校准传感器的标定是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。传感器的校准是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。传感器与检测技术工学院电子系2.3.1静态标定传感器的静态标定是在输入信号不随时间变化的静态标准条件下确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。静态标准是指没有加速度、没有振动、没有冲击（如果它们本身是被测量除外）及环境温度一般为室温（20±5℃），相对湿度不大于85%，大气压力为7kPa的情形。传感器与检测技术工学院电子系2.3.2动态标定动态标定主要是研究传感器的动态响应特性。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。根据传感器的动态特性指标，传感器的动态标定主要涉及到一阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有角频率和阻尼系数等参数的确定。