东南大学传感器技术基础.ppt

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第一章传感器技术基础,主讲：

宋爱国,传感器的特性与指标,1.2,第1章传感器技术基础,改善传感器性能的技术途径,1.3,传感器的标定与校准,1.4,第1章传感器技术基础,问题一：

什么是传感器？

第1章传感器技术基础,传感器作为感受被测量信息的器件，希望它能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，来表示其输出输入关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。

最有效的描述方法是传感器的数学模型。

第一节传感器的一般数学模型,第1章传感器技术基础,传感器的数学模型指传感器的输入输出关系传感器的数学模型分为两类

（1）静态模型在静态条件下（即输入量对时间t的各阶导数为0）得到的传感器输入输出的关系。

（2）动态模型输入信号快速变化情况下，传感器输入输出的关系。

第一节传感器的一般数学模型,第1章传感器技术基础,传感器的静态模型y=a0+a1x+a2x2+.+anxn线性模型：

y=a0+a1x或y=ax,第一节传感器的一般数学模型,第1章传感器技术基础,传感器的动态模型微分方程传递函数,第一节传感器的一般数学模型,第1章传感器技术基础,传感器的静态特性静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。

也即当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。

其中误差因数就是衡量传感器静态特性的主要技术指标。

第二节传感器的特性与指标,静态特性曲线可实际测试获得。

为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，可采用硬件和软件的补偿进行线性化处理。

在非线性误差不太大的情况下，采用直线拟合的方法线性化。

第1章传感器技术基础,第二节传感器的特性与指标,选择拟合直线的主要出发点：

获得最小的非线性误差。

计算简便，使用方便。

第1章传感器技术基础,第二节传感器的特性与指标,常用的拟合方法：

（1）理论拟合

（2）过零旋转拟合（3）端点连线拟合（4）端点连线平移拟合（5）最小二乘拟合,第1章传感器技术基础,最小二乘法拟合,第1章传感器技术基础,设拟合直线方程为：

y=kx+b若实际测量点有n个，则第i点测量数据与拟合直线上响应值之间的残差为：

最小二乘法拟合直线的原理使：

最小。

第1章传感器技术基础,利用最小二乘原理：

求解上述方程：

第1章传感器技术基础,

（1）线性度在规定条件下，传感器测量曲线（校准曲线）与拟合直线间最大偏差与满量程（FullScale）输出值的百分比称为线性度。

第1章传感器技术基础,

（2）灵敏度传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。

第1章传感器技术基础,（3）分辨力传感器在规定的测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化值。

有时，用该值相对满量程的百分数表示，则称为分辨率。

第1章传感器技术基础,（4）迟滞（回差）在相同工作条件下在量程范围内，在同一次测量中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。

第1章传感器技术基础,（5）重复性在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。

数值上用各测量值正、反行程标准偏差的两倍或三倍与满量程的百分比。

第1章传感器技术基础,注意：

迟滞和重复性的差异,第1章传感器技术基础,（6）精度（静态精确度）精度的指标：

精密度、准确度、精确度,精密度：

说明测量结果的分散性（随机误差）准确度：

说明测量结果偏离真值大小的程度（系统误差）精确度：

精密度和准确度的综合（极限误差）,第1章传感器技术基础,精度的表示,工程中，为了表示测量结果的可靠程度，引入精确度等级概念，用A表示。

第1章传感器技术基础,阈值从输出看能测出的输入量最小变化值，实际上是零位附近的灵敏度稳定性和温度稳定性漂移传感器不因输入的原因而发生的变化零点漂移：

时漂、温漂灵敏度漂移,（7）其他特性,第1章传感器技术基础,传感器的动态特性当输入量随时间变化时，输入与输出间的关系（动态量指周期信号、瞬变信号或随机信号）。

动态特性取决于传感器本身，另一方面也与被测参量的变化形式有关。

第1章传感器技术基础,动态测量输入信号分类,第1章传感器技术基础,传感器的动态响应及动态性能指标,第1章传感器技术基础,传感器的动态特性对数幅频特性将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入传感器，其它输出正弦信号的幅值、相位与输入信号频率之间的关系,第1章传感器技术基础,传感器的动态模型分类：

零阶环节（比例环节、无惯性环节）一阶环节（惯性环节）二阶环节,第1章传感器技术基础,一阶传感器的阶跃响应,第1章传感器技术基础,二阶传感器的阶跃响应,第1章传感器技术基础,第1章传感器技术基础,传感器的误差来源内部原因：

传感器内部产生的噪声包括敏感元件，转换元件和转换电路元件等产生的噪声以及电源产生的噪声。

例如光电真空管放射不规则电子，半导体载流子扩散等产生的噪声。

降低元件的温度可减小热噪声，对电源变压器采用静电屏蔽可减小交流脉动噪声等。

第三节改善传感器性能的技术途径,第1章传感器技术基础,外部原因从外部混入传感器的躁声，按其产生原因可分为机械噪声（如振动，冲击）、音响噪声、热噪声（如因热辐射使元件相对位移或性能变化）、电磁噪声和化学噪声等。

对振动等机械噪声可采用防振台或将传感器固定在质量很大的基础台上加以抑制；消除音响噪声的有效办法是把传感器用隔音器材围上或放在真空容器里；消除电磁噪声的有效办法是屏蔽和接地或使传感器远离电源线，或使输出线屏蔽，输出线绞拧在一起等。

第1章传感器技术基础,改善传感器的技术途径.结构、材料与参数的合理选择.差动技术.平均技术.稳定性处理.屏蔽、隔离与干扰抑制.零示法、微差法与闭环技术.补偿与校正.集成化、智能化与信息融合,第1章传感器技术基础,任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。

使用一段时间后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以便确保传感器的各项性能指标达到要求。

传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立器输出量和输入量之间的对应关系。

同时也确定不同使用条件下的误差关系。

根据系统的用途输入可以是静态的也可以是动态的。

因此传感器的标定有静态和动态标定二种。

第四节传感器的标定与校准,第1章传感器技术基础,静态标定建立传感器静态数学方程。

检测测试传感器的静态性能指标，如静态灵敏度、非线性、回差、重复性等。

传感器的动态标定建立传感器动态数学方程。

用于确定传感器的动态性能，如固有频率和频响范围等、动态灵敏度等。

传感器进行动态标定时，需有一标准信号对它激励，常用的标准信号有二类：

一是周期函数，如正弦波等；另一是瞬变函数，如阶跃波等。

用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅频特性、阻尼和动态灵敏度等。

END,第1章传感器技术基础,