[工学]第2章传感器的一般特性.pptVIP

第2章 传感器的一般特性 2.1 传感器的静态特性 2.2 传感器的动态特性 2.3 传感器动态特性分析 2.4 传感器的无失真测试条件 2.5 传感器的标定 传感器输出——输入特性 传感器(或测量设备)的输出一输入关系特性是传感器的基本特性。输出一输入特性虽是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切关系。 传感器所测量的物理量基本上有两种形式，一种是稳态(静态或准静态)的形式，这种信号不随时间变化(或变化很缓慢)，另一种是动态(周期变化或瞬态)的形式，这种信号是随时间变化而变化的。 由于输入物理量状态不同，传感器所表现出来的输出、输入特性也不同，因此存在所谓静态特性和动态特性。由于不同传感器有不同的内部参数，它们的静态特性和动态特性也表现出不同的特点，对测量结果的影响也各不相同。 一个高精度传感器，必须有良好的静态特性和动态特性，这样它才能完成信号(或能量)无失真的转换。 2.1 传感器的静态特性 2.1.1、线性度 传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。 传感器的理想输出一输入特性是线性的，具有以下优点： (1)可大大简化传感器的理论分析和设计计算； (2)为标定和数据处理带来方便，只要知道线性输出－输入特性上的两点(一般为零点和满度值)就可确定其余各点； (3)可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度； (4)避免了非线性补偿环节。 实际上许多传感器的输出一输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应。 线性度表示 差动传感器静态特性 传感器的输出一输入特性的线性度除受机械输入(弹性元件)特性影响外，也受电气元件输出特性的影响。使电气元件对称排列，以差动工作方式可以消除电气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围。例如差动传感器的一边输出为 另一边的输出为 总输出为二者之差 可见，差动传感器消除了偶次项，使线性得到改善，同时使灵敏度提高一倍 线性化及非线性误差 对非线性特性传感器时，如果非线性项的方次不高，在输人量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器非线性特性的“线性化”。所采用的直线称为拟合直线。 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差，如图2-2中所示的△值，取其中最大值与输出满度值之比作为评价非线性误差(或线性度)的指标。 2.1.2 灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值 对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。非线性传感器的灵敏度为一变量，如图2—3所示。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出一输入特性为直线。 2.1.3 迟滞(迟环) 迟滞(或称迟环)特性表明传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程期间输出－输入特性曲线不重合的程度，如图2－4所示。即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，这就是迟滞现象。 产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。 迟滞大小一般要由实验方法确定。用最大输出差值△一对满量程输出的百分比表示 2.1.4 重复性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度(见图2—5)。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。 重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。 不重复性指标一般采用输出最大不重复误差△max与满量程输出之比的百分比表示 不重复性误差属于随机误差性质的，按上述方法计算不太合理。应该根据标准偏差来计算重复性指标 2.2 传感器的动态特性 2.2.1 动态参数测试的特殊问题 在测量静态信号时，线性传感器输出－输入特性是一条直线，二者之间有一一对应的关系，而且因为被测信号不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。 而在实际测试工作中，大量的被测信号是动态信号，传感器对动态信号的测量任务不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号变换过程的波形，这就要求传感器能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真的再现被测信号随时间变化的波形。 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器对激励(输入)的响应(输出)特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律(变化曲线)，将能同时再现输人随时间变化的规律(变化曲线)，即具有相同的时间函数。这就是动态测量中对传感器提出的新要求。 但实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。 举例：