传感器与检测技术基础 第2章 传感器的基本特性PPT课件
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22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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34
自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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44
误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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45
误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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25
分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
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作用：将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。
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2
激励装置
被测 对象
传 感 器
信号 调理
信号 处理
显示 纪录
观察者
反馈、控制
简单测试系统(红外体温)
复杂测试系统(振动测量)
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3
3. 传感器的构成
（1）组成：振动膜片、刚 性极板、电源和负载电阻
（2）原理 ： 振膜—一次敏感元件 电容器—敏感元件
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15
（3）分辨力：测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。 通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。 数字测试系统－－输出显示系统的最后一位 模拟测试系统－－输出指示标尺最小分度值的一半
（4）回程误差：同一输入量的两条定度曲线之差的最大值 hi max 与标称的输出范围A之比。
即 回程误差 ＝hi max 100% A
A()
1
0
()
1 2
0
1t0
2t0
－t0
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A()
1
0
()
0
4
例2:已知系统的输入 x(t)co 1 ts co 2ts，判断是否失真。
例3:已知系统的输入 x(t)cos0t ，判断是否失真。
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31
电阻式传感器
一、变阻式传感器 1.结构：
R l
A
R kl x
S
dR dx
3.类型：半导体应变式传感器、扩散型压阻式传感器
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37
三、应变片的应用 1.直接测定结构的应变或应力。 2.作为传感器的测量参数。
四、转换电路
应变 R 电压或电流的变化
检测技术与传感器-基本特性
y(t) y() K0 A
一阶系统在阶跃输入下旳归一化（即 y(t) / K0 A）阶跃响应曲线
图 2－2－3 一阶. 二阶系统旳阶跃响应
e y(t) y(t) 1
1
y() K0 A
一阶系统在阶跃输入下旳相对动态误差为
(t) y(t) y() 100% et 100%
y()
一阶系统在 0 时即变成零阶系统，零阶系统在阶跃输入下旳
1 jw
4. 幅频特征 K (w)
K0
1 (w )2
5. 相频特征 (w) arctanw
三、二阶系统
1、微分方程
a2
d
d
2y
t2
a1
dy dt
a0
y
b0
x
w w 1 2
d2y dt 2
2
dy dt
y
K0x
0统旳静态敏捷度
0
a0 a2
系统旳固有频率
a1
2 a0a2
零阶系统是一种与时间和频率无关旳系统，输出量旳幅值与输 入量旳幅值成拟定旳百分比关系，一般称为百分比系统或无惯 性系统。
二 、一阶系统
1.微分方程
a1
dy dt
a0
y
b0
x
图2－1－1 一阶系统幅频及相频特征曲线
dy dt
y
K0x
静态敏捷度
时间常数
2.传递函数
H (s) K0
1 s
3.频率特征 H ( jw) K0
令 s j可得到检测系统旳频率特征 H ( j)
s j
H (s) H ( j) K () e j()
相频特征
幅频特征
一 、零阶系统
1、系统方程： a0 y b0 x 或 y K0x
一阶系统在阶跃输入下旳归一化（即 y(t) / K0 A）阶跃响应曲线
图 2－2－3 一阶. 二阶系统旳阶跃响应
e y(t) y(t) 1
1
y() K0 A
一阶系统在阶跃输入下旳相对动态误差为
(t) y(t) y() 100% et 100%
y()
一阶系统在 0 时即变成零阶系统，零阶系统在阶跃输入下旳
1 jw
4. 幅频特征 K (w)
K0
1 (w )2
5. 相频特征 (w) arctanw
三、二阶系统
1、微分方程
a2
d
d
2y
t2
a1
dy dt
a0
y
b0
x
w w 1 2
d2y dt 2
2
dy dt
y
K0x
0统旳静态敏捷度
0
a0 a2
系统旳固有频率
a1
2 a0a2
零阶系统是一种与时间和频率无关旳系统，输出量旳幅值与输 入量旳幅值成拟定旳百分比关系，一般称为百分比系统或无惯 性系统。
二 、一阶系统
1.微分方程
a1
dy dt
a0
y
b0
x
图2－1－1 一阶系统幅频及相频特征曲线
dy dt
y
K0x
静态敏捷度
时间常数
2.传递函数
H (s) K0
1 s
3.频率特征 H ( jw) K0
令 s j可得到检测系统旳频率特征 H ( j)
s j
H (s) H ( j) K () e j()
相频特征
幅频特征
一 、零阶系统
1、系统方程： a0 y b0 x 或 y K0x
传感器和检测技术ppt课件
17.黄俊钦．静、动态数学模型的实用建模方法．北京：机械工业出版社， 1988
18. 马修水. 瑞士SYLVAC电容测量系统的发展. 工具技术，1989 (12)
19.于静江，周春晖．过程控制中的软测量技术．控制理论与应 用．1996,13(2)
20. 骆晨钟，邵惠鹤．软测量技术及其工业应用．仪表技术及传感器．
17
传感器原理及其应用－教学层次
中专级 大专级 本科级 硕士级 ……
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18
谢谢！
传感器与检测技术 教学组
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19
参 考 文 献 （续）
13.张正伟．传感器原理及应用．北京：中央广播电视大学出版社，1997
14.周春晖. 过程控制工程手册. 北京: 化学工业出版社，1993
15. 陈守仁. 自动检测技术及仪表. 北京: 机械工业出版社，1989
16. 费业泰. 误差理论与数据处理. 北京:机械工业出版社, 2002
课时数
2 4 6 2 4 6 8 2 34
作业 实验
* * * * * * *
15
参考文献
1. 王化祥,张淑英．传感器原理及应用．天津：天津大学出版社，1991 2. 常健生. 检测与转换技术. 北京:机械工业出版社. 2001 3. 严钟豪，谭祖根. 非电量电测技术. 北京：机械工业出版社，2003 4. 强锡富. 传感器. 北京：机械工业出版社，1998 5. 贾伯年，俞朴. 传感器技术. 南京：东南大学出版社，1992 6. 王俊杰. 检测技术与仪表. 武汉. 武汉理工大学出版社，2002 7. 郭振芹．非电量的电测量．北京：中国计量出版社，1986 8. 郁有文，常健，程继红编著. 传感器原理及工程应用. 西安：西安电子科
检测与技术2传感器 PPT课件
《检测技术及仪表》唐山学院 • 信息工程系
箔式优点： 1）批量生产时电阻离散度小，可制成任意形状，纵向长 度（基长）可以做的很小（最小的0.2mm），用于应变 梯度大的场合。 2）散热好、电流大 3）横向效应小 4）疲劳寿命长 5）柔性好，可以贴在复杂的零件上。 6）蠕变小 7）在大批量生产的基础上价格便宜 基于这些优点，逐渐取代丝式应变片。
《检测技术及仪表》唐山学院 • 信息工程系
二、主要特性参数：
1.几何尺寸： 栅长、栅宽、基长、基宽 注：栅长（基）通常情况下为2~30毫米，箔式最小为0.2 毫米，最长的达100毫米或更长，基长相对于基宽较小 时会增加横向效应，应变传递性能差，粘贴困难，一般 不用基长过小的应变片，除非是应变梯度大的场合。 栅宽（基）以较小为佳，能使应变片的整体尺寸减少， 但会使电阻值减小，散热条件变坏，基宽一般在10毫米 以下。
2）悬臂梁： 对于等强度悬臂梁：
6Fl bh2 E
《检测技术及仪表》唐山学院 • 信息工程系
例：已知100欧姆应变片贴在柱壮弹性试件上，试件的横 截面积S=0.5*10-4m2，弹性模量E=2*1011N/m2，在 F=5*104N拉力的情况下电阻变化为1欧姆，求该应变片的 灵敏度系数。（K=2）
????????432142310rrrrr?rrr?eu??r2r3r1r4ergacdigb???????42??3110rrrrrrrrrrrr??r??eu??????电桥线路原理图4321????????????21211?432131432142311r01rrrrrerrrrrrerrrrrrrreu????????????????ekrrrrerrrrrrrrrr?eu??????????221211122121221210检测技术及仪表唐山学院检测技术及仪表唐山学院?信息工程系信息工程系各种形式单臂桥输出情况
检测与传感器的技术基础(共26张PPT)
EAB(T, T0)=EAB(T，0) －EAB(T0，0)=f(T)- f(T0)
T0 eAB (T0 )
☆ ☆ 4、热电极的材料应具备的条件 根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作 为热电极组成热电偶，但在实际应用中，用作热电极的材料应具备 如下几方面的条件：
(1)温度测量范围广 要求在规定的温度测量范围内有较高的 测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值 函数，最好是呈线性关系。
Q f ( U i U 0 ) C f ( U A 0 U 0 ) C f ( 1 A )U A 0 C f
式中，A为开环放大系数。所以有
故放大器的输出电压为
U A 0 (C i C c C a ) Q [ ( 1 A )U A 0 C f] Q ( 1 A )U A 0 C f
Rf
d d0
[1
d d0
d d0
2
d d0
3
]
差分变极距型电容式传感器的电容相对变化量为：
CC1C2 C1 C2
C0
C0
C0 C0
dd0 [1dd0 dd0 2dd0 31dd0 dd0 2dd0 3]
2dd0 [1dd0 2dd0 4]
2〕差分变极距型电容式传感器的灵敏度
K 0 C /dC 0 1 d2 dd 0 d 2 0
☆线性度〔P17〕 〔2〕动态特性〔见补充〕
动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。
2、研究动态特性的方法 〔1〕阶跃响应法——输入信号为阶跃函数 〔2〕频率响应法——输入信号为正弦函数
3、瞬态响应特性的评定指标〔见补充〕
〔1〕时间常数T 〔2〕上升时间tr 〔3〕响应时间ts
T0 eAB (T0 )
☆ ☆ 4、热电极的材料应具备的条件 根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以作 为热电极组成热电偶，但在实际应用中，用作热电极的材料应具备 如下几方面的条件：
(1)温度测量范围广 要求在规定的温度测量范围内有较高的 测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值 函数，最好是呈线性关系。
Q f ( U i U 0 ) C f ( U A 0 U 0 ) C f ( 1 A )U A 0 C f
式中，A为开环放大系数。所以有
故放大器的输出电压为
U A 0 (C i C c C a ) Q [ ( 1 A )U A 0 C f] Q ( 1 A )U A 0 C f
Rf
d d0
[1
d d0
d d0
2
d d0
3
]
差分变极距型电容式传感器的电容相对变化量为：
CC1C2 C1 C2
C0
C0
C0 C0
dd0 [1dd0 dd0 2dd0 31dd0 dd0 2dd0 3]
2dd0 [1dd0 2dd0 4]
2〕差分变极距型电容式传感器的灵敏度
K 0 C /dC 0 1 d2 dd 0 d 2 0
☆线性度〔P17〕 〔2〕动态特性〔见补充〕
动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。
2、研究动态特性的方法 〔1〕阶跃响应法——输入信号为阶跃函数 〔2〕频率响应法——输入信号为正弦函数
3、瞬态响应特性的评定指标〔见补充〕
〔1〕时间常数T 〔2〕上升时间tr 〔3〕响应时间ts
传感器技术基础(特性).pptx
所选拟合直线不同，计算出的线性度值不同。选择拟合直线应保证 所得非线性误差尽量小，且方便使用与计算。
常用拟合方法 1）理论线性度 以系统的理论特性为参考，与实测值无关。 特点：简便，但通常估值偏离实际特性较多。
非线性误差：
线性度常用引用误差表示：
式中，
——输出平均值曲线与基准拟合直线间的最大误差；
2019-6-25 ——理论满量程输谢出谢值观赏。
10
（5）-（6）得 （3）× ，（4）× 得
（7）-（8）得
2019-6-25
谢谢观赏
（7） （8）
11
此外，拟合直线的斜率k和截距b也可由以下两式求得： ，
式中
，
特点：拟合精度高，可由计算机处理，但拟合出的直线 与标定曲线的最大偏差绝对值不一定最小，最大正负偏 差的绝对值也不一定相等 。例如下图所示：
重复性误差为随机误差，可定义如下：
式中 ——为重复性误差；
——各测量点极限误差的最大值
——全部校准点正、反行程输出值的标准偏差中之最大值；
k ——置信系数。
说明：在校准时，若有m个校准点，正反行程共可求得2m个σ，应
取其中最大的 ，计算重复性误差。
2019-6-25
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15
标准偏差σ的计算方法*
23
3）传递函数和频率响应函数 任何周期信号可用傅里叶级数表示，也即用各阶正
弦信号叠加表示。传感器对复杂周期输入的响应，可用对 正弦输入信号的响应特性表示。
当输入正弦信号的振幅在传感器的线性范围内，传感 器的输出可用传递函数H(s)求得，以方便运算。
研究内容：分析动态误差及产生原因，提出改善措施。
2019-6-25
谢谢观赏
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常用拟合方法 1）理论线性度 以系统的理论特性为参考，与实测值无关。 特点：简便，但通常估值偏离实际特性较多。
非线性误差：
线性度常用引用误差表示：
式中，
——输出平均值曲线与基准拟合直线间的最大误差；
2019-6-25 ——理论满量程输谢出谢值观赏。
10
（5）-（6）得 （3）× ，（4）× 得
（7）-（8）得
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（7） （8）
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此外，拟合直线的斜率k和截距b也可由以下两式求得： ，
式中
，
特点：拟合精度高，可由计算机处理，但拟合出的直线 与标定曲线的最大偏差绝对值不一定最小，最大正负偏 差的绝对值也不一定相等 。例如下图所示：
重复性误差为随机误差，可定义如下：
式中 ——为重复性误差；
——各测量点极限误差的最大值
——全部校准点正、反行程输出值的标准偏差中之最大值；
k ——置信系数。
说明：在校准时，若有m个校准点，正反行程共可求得2m个σ，应
取其中最大的 ，计算重复性误差。
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标准偏差σ的计算方法*
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3）传递函数和频率响应函数 任何周期信号可用傅里叶级数表示，也即用各阶正
弦信号叠加表示。传感器对复杂周期输入的响应，可用对 正弦输入信号的响应特性表示。
当输入正弦信号的振幅在传感器的线性范围内，传感 器的输出可用传递函数H(s)求得，以方便运算。
研究内容：分析动态误差及产生原因，提出改善措施。
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传感器第2章基本特性
(2 ~ 3)σ γ =± × 100% y FS
标准偏差的计算用贝赛尔公式计算, 标准偏差的计算用贝赛尔公式计算,即
σ=
∑(y
i =1
n
i
y)
n 1
第 1 章 传感器基础知识
8)分辨力与阈值 定义:指能检测最小输入变化量(增量)的能力. 定义:指能检测最小输入变化量(增量)的能力. 由于分辨力易受噪声影响,所以常用相对于噪声电平N 由于分辨力易受噪声影响,所以常用相对于噪声电平N若干 的被测量为最小检测量. 倍c的被测量为最小检测量. 定义式: 定义式: cN
M=
k
C取1~5 取
阈值:输入量在零点附近的分辨力(最小检测量). 阈值:输入量在零点附近的分辨力(最小检测量).
第 1 章 传感器基础知识
思考 题 1.何为传感器的静态特性? 1.何为传感器的静态特性? 何为传感器的静态特性 2.静态特性的主要技术指标为哪些? 2.静态特性的主要技术指标为哪些? 静态特性的主要技术指标为哪些 3.某位移传感器,在输入量变化5mm时, 3.某位移传感器,在输入量变化5mm时 某位移传感器 5mm 输出电压变化为300mV,求其灵敏度. 300mV,求其灵敏度 输出电压变化为300mV,求其灵敏度. 4.某测量系统由传感器,放大器和记录仪组成, 4.某测量系统由传感器,放大器和记录仪组成,各环节的 某测量系统由传感器 灵敏度为S1 0.2mV/℃ S2=2.0V/mV,S3=5.0mm/V,求系 S1= 灵敏度为S1=0.2mV/℃, S2=2.0V/mV,S3=5.0mm/V,求系 统总的灵敏度. 统总的灵敏度.
y (t ) = B(ω ) sin[ωt + φ (ω )]
第 1 章 传感器基础知识
第02章 传感器基本特性
一般来说，这些办法都比较复杂。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。 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟 合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度 通常用相对误差γL表示： γL=±(∆Lmax/yFS)×100% ± × ∆Lmax一最大非线性误差； yFS—量程输出。 非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得 出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选 择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。 另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。 ①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合； 理论拟合； 端点连线平移拟合； 端点连线拟合； 过零旋转拟合； 最小二乘拟合； ④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥ 最小包容拟合
即得到k和b的表达式
k = n ∑ xi y i − ∑ xi ∑ y i n ∑ x − (∑ x i )
2 i 2
b=
∑
x i2 ∑ y i − ∑ x i ∑ x i y i n ∑ x i2 − (∑ x i )
2
将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后 求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。
8．温度稳定性
温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下 输出量发生的变化。 测试时先将传感器置于一定温度(如20℃),将其输出调 至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数 (如5℃或10℃),再读出输出值，前后两次输出值之差即 为温度稳定性误差。 温度稳定性误差用温度每变化若干℃的绝对误差或相对 误差表示,每℃引起的传感器误差又称为温度误差系数。
传感技术-基本特性
16. 静态特性指标关系
精度和测量范围是最重要的指标； 精度和测量范围是最重要的指标； 是最重要的指标 稳定性和重复性是最基本的指标； 稳定性和重复性是最基本的指标； 是最基本的指标 分辨力与灵敏度是辅助指标； 分辨力与灵敏度是辅助指标； 是辅助指标 线性度被关注越来越小； 线性度被关注越来越小； 被关注越来越小 迟滞特性只有特性传感器才关注， 迟滞特性只有特性传感器才关注，一般不考 只有特性传感器才关注 虑。
《传感器的基本特性》课件
电磁兼容性
总结词
描述传感器在电磁环境中的性能表现 。
详细描述
传感器在电磁干扰环境下的抗干扰能 力，以及电磁屏蔽、防雷击等方面的 性能表现。
化学稳定性
总结词
描述传感器在各种化学环境中的性能表现。
详细描述
传感器在不同化学物质、腐蚀性气体、液体 等环境中的耐腐蚀、抗氧化等性能表现。
抗干扰能力
总结词
描述传感器在各种干扰下的性能表现。
详细描述
迟滞性表示传感器在正向和反向输入条件下，输出-输入曲线之间的偏差程度。迟滞性通常是由于传感器内部物 理特性的非对称性所引起的。迟滞性越小，说明传感器在正向和反向输入条件下输出-输入曲线的一致性越好。
重复性
总结词
重复性是衡量传感器在不同输入条件下输出一致性的参数。
详细描述
重复性表示在同一输入条件下，多次测量所得输出结果的一致性。重复性越好，说明传感器在不同输 入条件下输出的稳定性越好。重复性是衡量传感器性能的重要参数之一，对于需要高精度测量的应用 尤为重要。
传感器通常由敏感元件和转换元件组成，有时还包括转换电 路。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分 ；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量 转换成适于传输或测量的电信号部分。
传感器的分类
按输入量
物理量传感器、化学量 传感器、生物量传感器
。
按工作原理
结构型传感器、物性型 传感器、复合型传感器
智能化
总结词
智能化传感器具有自动校准、自动补偿、自动识别等 功能，能够自适应环境变化和工作条件变化。智能化 传感器可以实现更高的测量精度和可靠性。
详细描述
智能化传感器是指具有自动校准、自动补偿、自动识 别等功能的传感器。智能化传感器能够自适应环境变 化和工作条件变化，提高测量精度和可靠性。例如， 智能化温度传感器可以通过自动校准和补偿技术，消 除环境温度和电路参数变化对测量结果的影响，实现 高精度温度测量。同时，智能化传感器还可以通过自 动识别技术，对不同目标进行快速准确的识别和分类 。