傳感器的選擇課件

第2講傳感器的選用依據(jù)

及性能的改善方法1第2講傳感器的選用依據(jù)

及性能的改善方法1１傳感器選用有哪些注意事項？傳感器信號調(diào)理信號處理、顯示2１傳感器選用有哪些注意事項？傳感器信號調(diào)理信號處理、顯示21）測試的對象、目的和要求測量的對象；目的；被測量的選擇；測量范圍；輸入信號的最大值；頻帶寬度；測試精度要求；測量所需要的時間等。2）傳感器的特性靜、動態(tài)特性指標；輸出量的類型；校正周期；過載信號保護；配套儀器等。31）測試的對象、目的和要求33）測試條件包括傳感器的設置場所；環(huán)境(溫度、濕度、振動等)；測量時間；與其它設備的連接距離；所需功率等。4）與購買和維護有關(guān)的事項性價比；零配件的儲備；售后服務與維修制度、保修時間；交貨日期等。43）測試條件4選擇傳感器時要考慮的事項很多，但無需滿足所有的事項要求，應根據(jù)實際使用的目的、指標、環(huán)境等，有不同的側(cè)重點。例如，長時間連續(xù)使用的傳感器．就必須重視經(jīng)得起時間考驗等長期穩(wěn)定性問題；而對機械加工或化學分析等時間比較短的工序過程．則需要靈敏度和動態(tài)特性較好的傳感器。為了提高測量精度，應注意以平常使用時的顯示值要在滿刻度的50％左右來選擇測定范圍或刻度范圍。選擇傳感器的響應速度，目的是適應輸入信號的頻帶寬度。合理選擇設置場所，注意安裝方法，了解傳感器的外形尺寸、重量等。5選擇傳感器時要考慮的事項很多，但無需滿足所有的事項要求，應根選用傳感器需要注意的幾點注意事項中，比較重要的一點就是必須對所選傳感器的性能特點有足夠的了解。如果僅僅是簡單的應用，則可以通過對傳感器的性能指標的了解來選擇傳感器；若應用要求較高，環(huán)境復雜，則還需要從傳感器的原理等方面對傳感器的性能進行考察，如從傳感器的工作原理出發(fā)，分析被測物體中可能會產(chǎn)生的負載效應等問題，以確定選擇哪一種傳感器最合適。6選用傳感器需要注意的幾點注意事項中，比較重要的一點就是必須對２傳感器的選用有何依據(jù)？7２傳感器的選用有何依據(jù)？7目的：指導傳感器的設計、制造、校準、使用描述傳感器輸入–輸出關(guān)系的方法：

數(shù)學模型設計、研究基本特性指標制造、使用被測輸入量靜態(tài)量準靜態(tài)量動態(tài)量靜態(tài)特性指標動態(tài)特性指標靜態(tài)數(shù)學模型動態(tài)數(shù)學模型傳感器的性能及評價指標8目的：指導傳感器的設計、制造、校準、使用數(shù)學模型產(chǎn)品型號：CLBSB板環(huán)式拉壓力傳感器

品

牌：天力

產(chǎn)

地：安徽

主要技術(shù)指標

測量范圍：0--1000Kg輸出靈敏度：1.5--2.0V/V非線性：0.0２級；0.05級；0.1級遲滯：0.0２級；0.05級；0.1級重復性：0.0２級；0.05級；0.1級

綜合精度：0.03級；0.1級

零點溫度系數(shù)：

<0.05%F.S

靈敏度溫度系數(shù)：<0.05%F.S

零點不平衡輸出：<1%F.S

輸入阻抗：

685±30Ω；

輸出阻抗：

650±5Ω

激勵電壓：

10V(或12V）；工作溫度：-20---+80℃9產(chǎn)品型號：CLBSB板環(huán)式拉壓力傳感器

品

牌：天一、傳感器的靜態(tài)模型1.代數(shù)方程x——輸入量；y——輸出量；a0——零位輸出；a1——傳感器的靈敏度：K、S；a2……an——非線性項待定常數(shù)。靜態(tài)條件代數(shù)方程特性曲線條件：不考慮傳感器滯后、蠕變情況下10一、傳感器的靜態(tài)模型1.代數(shù)方程x——輸入量；y2.特性曲線描述傳感器輸入-出關(guān)系曲線112.特性曲線描述傳感器輸入-出關(guān)系二、傳感器的靜態(tài)特性指標1.滯后傳感器在正、反行程，輸入-輸出曲線的不重合程度?！鱄max——正反行程輸出的最大差值yF.S——滿量程輸出量

線性度、滯后、重復性、靈敏度、分辨力、閾值、穩(wěn)定性、漂移、精度（靜態(tài)誤差）12二、傳感器的靜態(tài)特性指標1.滯后傳感器在正、反行程，輸入2.線性度（非線性）傳感器的實際輸入-輸出曲線（校準曲線）與擬合直線（工作曲線）之間的吻合（偏離）程度?！鱈max——校準曲線與擬合直線間的最大差值yF.S——滿量程輸出值選定擬合直線的過程，就是傳感器的線性化過程。132.線性度（非線性）傳感器的實際輸入-輸擬合直線的選定原則：保證盡量小的非線性誤差計算與使用方便選定擬合直線的方法：14擬合直線的選定原則：保證盡量小的非線性誤差選定擬合直線的方法（4）最小二乘法：與校準曲線的殘差平方和最小例1-6：

用最小二乘法求擬合直線。分別對k和b求一階導數(shù)，并令其=0，可求出b和k設擬合直線殘差15（4）最小二乘法：與校準曲線的殘差平方和最小例1-6：用最（5）硬件線性化方法原理：以非線性矯正非線性“以畸制畸”方法一：兩只非線性傳感器差動方式非線性誤差大小相等，極性相反*方法二：利用線性元件和非線性元件的串、并聯(lián)ⅠⅡⅢ16（5）硬件線性化方法原理：以非線性矯正非線性方法一：兩只非線*（6）軟件線性化方法1、計算法條件：傳感器輸出與被測量間有確定的數(shù)學表達式方法：軟件編寫計算程序曲線擬合2、查表法條件：傳感器輸出與被測量間無法用函數(shù)擬合17*（6）軟件線性化方法1、計算法條件：傳感器輸出與被測量間3、插值法原理：將查表法與計算法結(jié)合方法：線性插值、拋物線插值、拉格朗日插值、牛頓插值、埃米特插值183、插值法原理：將查表法與計算法結(jié)合方法：線性插值、拋物線插3.重復性傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次(三次以上)測試時，所得特性曲線間一致程度的指標。193.重復性傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量重復性誤差為隨機誤差，指標定值的分散性，可用引用誤差表示：△R——同一激勵量對應多次循環(huán)的同向行程響應量的極差?？筛鶕?jù)標準偏差來計算△R：σ——子樣標準偏差；n—標定循環(huán)次數(shù)

K——置信因子，K=2時，置信度為95%；

K=3時，置信度為99.73%。20重復性誤差為隨機誤差，指標定值的分散性，可用引用標準偏差σ按貝塞爾公式計算，即：、

、

——正、反行程各標定點響應量的標準偏差

——正、反行程各標定點的響應量的平均值

21標準偏差σ按貝塞爾公式計算，即：、、——正、反行程各標j——標定點序號，j＝1、2、3、…、m；i——標定的循環(huán)次數(shù)，i＝1、2、3、…、n；

yjiD、yjiI——正、反行程各標定點輸出值再取σjD

、σjI的均方值為子樣的標準偏差σ，

則22j——標定點序號，j＝1、2、3、…、m；yjiD、yjiI4.靈敏度5.分辨力（率）與電源電壓有關(guān)：位移傳感器：1V,1mm,100mV靈敏度：100(mV/mm·V)分辨力：規(guī)定測量范圍內(nèi)能檢測出的輸入量的最小變化量分辨率：分辨力/滿量程輸入值非線性傳感器線性傳感器=常數(shù)234.靈敏度5.分辨力（率）與電源電壓有關(guān)：位移傳感6.穩(wěn)定性7.漂移8.閾值零點漂移、靈敏度漂移時間漂移（時漂）、溫度漂移（溫漂）產(chǎn)生可測輸出變化量時的最小輸入量值長期穩(wěn)定性標定的有效期外界干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化。246.穩(wěn)定性7.漂移8.閾值零點漂移、靈敏度漂移時9.靜態(tài)誤差（精度）（1）將非線性、滯后、重復性、代數(shù)法綜合偏大（2）將全部校準數(shù)據(jù)相對于擬合直線求標準偏差偏?。?）將非線性、滯后視為系統(tǒng)誤差，重復性視為隨機誤差259.靜態(tài)誤差（精度）（1）將非線性、滯后、重復性、代數(shù)法三傳感器的動態(tài)數(shù)學模型及動態(tài)特性指標26三傳感器的動態(tài)數(shù)學模型及262727一、動態(tài)模型1.微分方程微分方程傳遞函數(shù)條件：線性定常系統(tǒng)28一、動態(tài)模型1.微分方程微分方程傳遞函數(shù)條件：線性定常系一階環(huán)節(jié)一階傳感器二階環(huán)節(jié)二階傳感器零階環(huán)節(jié)零階傳感器比例環(huán)節(jié)、無慣性環(huán)節(jié)29一階環(huán)節(jié)一階傳感器二階環(huán)節(jié)二階傳感器零階環(huán)節(jié)零階傳感器比例環(huán)例分析加速度傳感器的動態(tài)特性。加速度-慣性力-位移-伸縮變形-反作用力-位移與加速度二階環(huán)節(jié)的傳感器通解與特解暫態(tài)/穩(wěn)態(tài)傳遞函數(shù)30例分析加速度傳感器的動態(tài)特性。加速度-慣性力-位移-伸縮變2.傳遞函數(shù)定義：初始條件為零時，輸出量（響應函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（激勵函數(shù)）拉普拉斯變換之比。拉氏變換：312.傳遞函數(shù)定義：初始條件為零時，輸出量（響應函數(shù)）的拉簡寫為：兩邊取拉氏變換：輸出量拉氏變換輸入量拉氏變換傳遞函數(shù)：32簡寫為：兩邊取拉氏變換：輸出量拉氏變換輸入量拉氏變換傳遞函數(shù)特點：（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與x(t)無關(guān)。（2）X(s)、Y(s)、H(s)知二求一（3）相同的傳遞函數(shù)可以表征不同物理系統(tǒng)H(s)X(s)Y(s)（4）通過實驗求傳遞函數(shù)33特點：（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與x(t)無關(guān)。（2（5）多環(huán)節(jié)串并聯(lián)的傳感器系統(tǒng)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)n個環(huán)節(jié)串聯(lián)n個環(huán)節(jié)并聯(lián)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)34（5）多環(huán)節(jié)串并聯(lián)的傳感器系統(tǒng)H1(s)X(s)Y(s)二、動態(tài)特性指標輸入標準信號階躍響應法（時域）階躍函數(shù)正弦函數(shù)指數(shù)函數(shù)沖擊函數(shù)頻率響應法（頻域）動態(tài)誤差輸出穩(wěn)定后與理想輸出量的誤差輸入量躍變，輸出量在過渡狀態(tài)的誤差？動態(tài)特性/動態(tài)誤差/輸入標準信號35二、動態(tài)特性指標輸入標準信號階躍響應法（時域）階躍函數(shù)正弦函時間常數(shù)一階傳感器系統(tǒng)階躍響應1.階躍響應單位階躍信號36時間常數(shù)一階傳感器系統(tǒng)階躍響應1.階躍響應單位階躍信號3二階傳感器系統(tǒng)階躍響應上升時間Tr響應時間Ts超調(diào)量a1峰值時間Tp延滯時間Td衰減率穩(wěn)態(tài)誤差37二階傳感器系統(tǒng)階躍響應上升時間Tr響應時間Ts超調(diào)量a1峰值例熱電偶傳感器測溫過程中的動態(tài)誤差分析。環(huán)境溫度T0被測液體溫度TT>T038例熱電偶傳感器測溫過程中的動態(tài)誤差分析。環(huán)境溫度T0被測2.頻率響應輸入信號輸出信號頻率響應特性：輸入頻率變化、幅值相等的正弦信號，輸出信號幅值與輸入頻率的關(guān)系：幅頻特性輸出信號相位與輸入頻率的關(guān)系：相頻特性

392.頻率響應輸入信號輸出信號頻率響應特性：輸入頻率變化、相頻特性頻率響應函數(shù)指數(shù)形式：幅頻特性其中，動態(tài)靈敏度、增益正弦/傳感器，穩(wěn)定狀態(tài)下，輸入與輸出復數(shù)比40相頻特性頻率響應函數(shù)指數(shù)形式：幅頻特性其中，動態(tài)靈敏度、增益對數(shù)幅頻特性曲線通頻帶其中，0dB水平線是理想的零階系統(tǒng)的幅頻特性41對數(shù)幅頻特性曲線通頻帶其中，0dB水平線是理想的零階系統(tǒng)的幅3.一階系統(tǒng)的動態(tài)響應分析一階系統(tǒng)微分方程（1）頻率響應特性分析時間常數(shù)靜態(tài)靈敏度拉氏變換傳遞函數(shù)423.一階系統(tǒng)的動態(tài)響應分析一階系統(tǒng)微分方程（1）頻率響應頻率響應函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論：越小，頻率響應特性越好。線性43頻率響應函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論：越小，頻率響應越小，階躍響應特性越好。（2）階躍響應特性分析一階系統(tǒng)微分方程穩(wěn)態(tài)響應暫態(tài)響應階躍函數(shù)44越小，階躍響應特性越好。（2）階躍響應特性分析一階系例分析溫度傳感器模型，給出輸入量（T0）與輸出量（T）間的微分方程，并推導其幅頻特性、相頻特性及階躍相應特性。已知：傳感器敏感部分質(zhì)量為m，比熱為c，表面積為s，傳熱系數(shù)為h（W/m2.K）45例分析溫度傳感器模型，給出輸入量（T0）與輸出量（T）間的頻率響應特性分析幅頻特性相頻特性階躍響應特性46頻率響應特性分析幅頻特性相頻特性階躍響應特性46四改善傳感器性能的技術(shù)途徑47四改善傳感器性能的技術(shù)途徑47１、結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇確保主要指標，放寬次要指標，以求高性價比２、差動技術(shù)目的：改善非線性研究生產(chǎn)部門：系列產(chǎn)品用戶：合理選擇思路：48１、結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇確保主要指標，放寬次要指標，以三個技術(shù)環(huán)節(jié)：

（1）兩個完全相同的傳感器（2）接受輸入量：大小相等，方向相反（3）輸出相減方法：傳感器1：非線性改善，輸出靈敏度提高一倍。完全相同傳感器2，輸入量反號：二者輸出相減：49三個技術(shù)環(huán)節(jié)：方法：傳感器1：非線性改善，輸出靈敏度提高一倍例變面積式差動電容傳感器。輸出：靈敏度：輸出靈敏度提高一倍，消除了零位輸出項l。50例變面積式差動電容傳感器。輸出：靈敏度：輸出靈敏度提高例超聲波流速計。介質(zhì)性質(zhì)溫度傳播速度c可逆性超聲波發(fā)生器電能機械能超聲波接收器機械能電能發(fā)射超聲波:接收超聲波:超聲波換能器：壓電式超聲波傳感器：聲-電轉(zhuǎn)換傳播時間內(nèi)計脈沖51例超聲波流速計。介質(zhì)性質(zhì)溫度傳播速度c可逆性超聲波發(fā)生３、平均技術(shù)目的：減小隨機誤差誤差平均效應數(shù)據(jù)平均處理消除了聲速變化的影響52３、平均技術(shù)目的：減小隨機誤差誤差平均效應數(shù)據(jù)平均處理消除了1）.誤差平均效應n個完全相同的電容傳感器并聯(lián)容柵傳感器中的誤差平均效應531）.誤差平均效應n個完全相同的電容傳感器并聯(lián)容柵傳感2）.數(shù)據(jù)平均處理方法：將相同條件下的測量重復n次，或n次采樣，然后將數(shù)據(jù)進行平均處理，隨機誤差減小倍。４、穩(wěn)定性處理造成傳感器性能不穩(wěn)定原因：材料、元器件性能變化穩(wěn)定性處理方法：電氣元件：老化、篩選材料結(jié)構(gòu)材料：時效處理、冰冷處理永磁材料：時間老化、溫度老化、機械老化交流穩(wěn)磁處理542）.數(shù)據(jù)平均處理方法：將相同條件下的測量重復n次，或n５、屏蔽、隔離和干擾抑制思路傳感器：減小對影響因素的靈敏度外界影響因素：降低對傳感器的實際作用功率55５、屏蔽、隔離和干擾抑制思路傳感器：減小對影響因素的靈敏度外1）、屏蔽561）、屏蔽563）電路措施（1）去耦濾波器2）隔離隔熱、隔振、密封信號地線電源地線信號源地線屏蔽保護接地線地線將測量系統(tǒng)的各種地線連接在一起，并且只在一點接地。（2）“單點”接地目的：消除公共阻抗耦合的干擾水下測試問題注意事項573）電路措施（1）去耦濾波器2）隔離隔熱、隔振、密封信號地線６、零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)目的：消除或削弱系統(tǒng)誤差1）零示法原理：被測量和已知標準量對儀表的作用相互平衡舉例：機械天平優(yōu)點：消除儀器不準造成的誤差2）微差法原理：被測量和已知標準量差別減小到一定程度后，使儀表誤差的影響大大減小。被測量相近標準量微差，儀表讀出不連續(xù)可變58６、零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)目的：消除或削弱系統(tǒng)誤差1）零示3）閉環(huán)技術(shù)K1K2Kn開環(huán)系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)的相對誤差對系統(tǒng)總誤差的影響是等權(quán)的。標準量相對誤差指示儀表相對誤差相對微量測量誤差593）閉環(huán)技術(shù)K1K2Kn開環(huán)系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)的相對誤差對系比較平衡方式：力、力矩平衡、電壓（流）平衡、熱平衡

A——靜態(tài)傳遞函數(shù)

——反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)60比較平衡方式：力、力矩平衡、電壓（流）平衡、熱平衡A——閉環(huán)靜態(tài)傳遞函數(shù)閉環(huán)時間常數(shù)特點：（1）精度高、穩(wěn)定性好（2）動態(tài)特性好61閉環(huán)靜態(tài)傳遞函數(shù)閉環(huán)時間常數(shù)特點：（1）精度高、穩(wěn)定性好（2７、補償與校正例傳感器溫度誤差補償。補償與校正方法硬件：電子線路軟件：單片機62７、補償與校正例傳感器溫度誤差補償。補償與校正方法硬件：８、集成化與智能化1）集成化（1）將傳感器和信號處理電路制作在同一芯片上（2）將多個相同或不同的敏感元件集成在同一芯片上，實現(xiàn)多參數(shù)測量。特點：成本低、體積小、性能改善、可靠性高、接口靈活63８、集成化與智能化1）集成化（1）將傳感器和信號處理電路制作絕緣螺栓絕緣墊圈引線石英壓電片慣性質(zhì)量超小型阻抗變換器電纜插座內(nèi)部裝有超小型阻抗變換器的壓電式加速度傳感器64絕緣螺栓絕緣引線石英壓慣性超小型阻內(nèi)部裝有超小型阻抗變換64（1）傳感器的智能化傳感器接口微處理器（2）智能化傳感器傳感器處理電路接口電路微處理器大規(guī)模集成智能傳感器2）智能化傳感器與微機結(jié)合傳感器的智能化智能化傳感器65（1）傳感器的智能化傳感器接口微處理器（2）智能化傳感器五傳感器的標定與校準66五傳感器的標定與校準66１、標定與校準的概念壓電式壓力傳感器電荷信號壓力信號活塞式壓力計：已知標準力精度已知檢測設備測量校準：傳感器在使用中或存儲后進行的性能復測——再次的標定標定：利用標準器具對傳感器進行標度的過程輸入-輸出關(guān)系修正67１、標定與校準的概念壓電式壓力傳感器電荷信號壓力信號活塞式２、標定的基本方法標準設備輸出量已知非電量待標定傳感器輸入量

標準傳感器輸出2

待標定傳感器輸入量發(fā)生器輸出1輸入標準量：由標準傳感器檢測得到實質(zhì)：待標定傳感器與標準傳感器之間的比較68２、標定的基本方法標準設備輸出量已知非電量待標定傳感器輸入量３、標定系統(tǒng)的組成（1）被測非電量的標準發(fā)生器（2）被測非電量的標準測試系統(tǒng)（3）待標定傳感器配接的信號檢測設備活塞式壓力計測量標準壓力標準壓力傳感器產(chǎn)生測力機測量標準力標準力傳感器產(chǎn)生恒溫源測量標準溫度標準溫度計產(chǎn)生69３、標定系統(tǒng)的組成（1）被測非電量的標準發(fā)生器（2）被測非電為保證精度和可靠性，使用中注意問題：（1）標定等級：只能用上一級精度的標準裝置標定下一級精度的傳感器（2）環(huán)境條件（3）系統(tǒng)標定（4）安裝條件力：測力砝碼、拉（壓）式測力計壓力：活塞式壓力計、水銀壓力計、麥氏真空計位移：深度尺、千分尺、塊規(guī)溫度：鉑電阻溫度計、熱電偶、基準光電高溫比色儀４、傳感器的靜態(tài)標定及設備70為保證精度和可靠性，使用中注意問題：（1）標定等級：只能用上低頻-激振器：電磁振動臺、低頻回轉(zhuǎn)臺、機械振動臺、液壓振動臺高頻-瞬變函數(shù)激勵信號：激波管５、傳感器的動態(tài)標定及設備標準激勵信號周期函數(shù)：正弦波瞬變函數(shù)：階躍波71低頻-激振器：電磁振動臺、低頻回轉(zhuǎn)臺、高頻-瞬變函數(shù)激勵信號1、一壓力傳感器標定數(shù)據(jù)如下表所列，試求線性度、滯后、重復性和總精度評價。721、一壓力傳感器標定數(shù)據(jù)如下表所列，試求72第2講傳感器的選用依據(jù)

及性能的改善方法73第2講傳感器的選用依據(jù)

及性能的改善方法1１傳感器選用有哪些注意事項？傳感器信號調(diào)理信號處理、顯示74１傳感器選用有哪些注意事項？傳感器信號調(diào)理信號處理、顯示21）測試的對象、目的和要求測量的對象；目的；被測量的選擇；測量范圍；輸入信號的最大值；頻帶寬度；測試精度要求；測量所需要的時間等。2）傳感器的特性靜、動態(tài)特性指標；輸出量的類型；校正周期；過載信號保護；配套儀器等。751）測試的對象、目的和要求33）測試條件包括傳感器的設置場所；環(huán)境(溫度、濕度、振動等)；測量時間；與其它設備的連接距離；所需功率等。4）與購買和維護有關(guān)的事項性價比；零配件的儲備；售后服務與維修制度、保修時間；交貨日期等。763）測試條件4選擇傳感器時要考慮的事項很多，但無需滿足所有的事項要求，應根據(jù)實際使用的目的、指標、環(huán)境等，有不同的側(cè)重點。例如，長時間連續(xù)使用的傳感器．就必須重視經(jīng)得起時間考驗等長期穩(wěn)定性問題；而對機械加工或化學分析等時間比較短的工序過程．則需要靈敏度和動態(tài)特性較好的傳感器。為了提高測量精度，應注意以平常使用時的顯示值要在滿刻度的50％左右來選擇測定范圍或刻度范圍。選擇傳感器的響應速度，目的是適應輸入信號的頻帶寬度。合理選擇設置場所，注意安裝方法，了解傳感器的外形尺寸、重量等。77選擇傳感器時要考慮的事項很多，但無需滿足所有的事項要求，應根選用傳感器需要注意的幾點注意事項中，比較重要的一點就是必須對所選傳感器的性能特點有足夠的了解。如果僅僅是簡單的應用，則可以通過對傳感器的性能指標的了解來選擇傳感器；若應用要求較高，環(huán)境復雜，則還需要從傳感器的原理等方面對傳感器的性能進行考察，如從傳感器的工作原理出發(fā)，分析被測物體中可能會產(chǎn)生的負載效應等問題，以確定選擇哪一種傳感器最合適。78選用傳感器需要注意的幾點注意事項中，比較重要的一點就是必須對２傳感器的選用有何依據(jù)？79２傳感器的選用有何依據(jù)？7目的：指導傳感器的設計、制造、校準、使用描述傳感器輸入–輸出關(guān)系的方法：

數(shù)學模型設計、研究基本特性指標制造、使用被測輸入量靜態(tài)量準靜態(tài)量動態(tài)量靜態(tài)特性指標動態(tài)特性指標靜態(tài)數(shù)學模型動態(tài)數(shù)學模型傳感器的性能及評價指標80目的：指導傳感器的設計、制造、校準、使用數(shù)學模型產(chǎn)品型號：CLBSB板環(huán)式拉壓力傳感器

品

牌：天力

產(chǎn)

地：安徽

主要技術(shù)指標

測量范圍：0--1000Kg輸出靈敏度：1.5--2.0V/V非線性：0.0２級；0.05級；0.1級遲滯：0.0２級；0.05級；0.1級重復性：0.0２級；0.05級；0.1級

綜合精度：0.03級；0.1級

零點溫度系數(shù)：

<0.05%F.S

靈敏度溫度系數(shù)：<0.05%F.S

零點不平衡輸出：<1%F.S

輸入阻抗：

685±30Ω；

輸出阻抗：

650±5Ω

激勵電壓：

10V(或12V）；工作溫度：-20---+80℃81產(chǎn)品型號：CLBSB板環(huán)式拉壓力傳感器

品

牌：天一、傳感器的靜態(tài)模型1.代數(shù)方程x——輸入量；y——輸出量；a0——零位輸出；a1——傳感器的靈敏度：K、S；a2……an——非線性項待定常數(shù)。靜態(tài)條件代數(shù)方程特性曲線條件：不考慮傳感器滯后、蠕變情況下82一、傳感器的靜態(tài)模型1.代數(shù)方程x——輸入量；y2.特性曲線描述傳感器輸入-出關(guān)系曲線832.特性曲線描述傳感器輸入-出關(guān)系二、傳感器的靜態(tài)特性指標1.滯后傳感器在正、反行程，輸入-輸出曲線的不重合程度?！鱄max——正反行程輸出的最大差值yF.S——滿量程輸出量

線性度、滯后、重復性、靈敏度、分辨力、閾值、穩(wěn)定性、漂移、精度（靜態(tài)誤差）84二、傳感器的靜態(tài)特性指標1.滯后傳感器在正、反行程，輸入2.線性度（非線性）傳感器的實際輸入-輸出曲線（校準曲線）與擬合直線（工作曲線）之間的吻合（偏離）程度?！鱈max——校準曲線與擬合直線間的最大差值yF.S——滿量程輸出值選定擬合直線的過程，就是傳感器的線性化過程。852.線性度（非線性）傳感器的實際輸入-輸擬合直線的選定原則：保證盡量小的非線性誤差計算與使用方便選定擬合直線的方法：86擬合直線的選定原則：保證盡量小的非線性誤差選定擬合直線的方法（4）最小二乘法：與校準曲線的殘差平方和最小例1-6：

用最小二乘法求擬合直線。分別對k和b求一階導數(shù)，并令其=0，可求出b和k設擬合直線殘差87（4）最小二乘法：與校準曲線的殘差平方和最小例1-6：用最（5）硬件線性化方法原理：以非線性矯正非線性“以畸制畸”方法一：兩只非線性傳感器差動方式非線性誤差大小相等，極性相反*方法二：利用線性元件和非線性元件的串、并聯(lián)ⅠⅡⅢ88（5）硬件線性化方法原理：以非線性矯正非線性方法一：兩只非線*（6）軟件線性化方法1、計算法條件：傳感器輸出與被測量間有確定的數(shù)學表達式方法：軟件編寫計算程序曲線擬合2、查表法條件：傳感器輸出與被測量間無法用函數(shù)擬合89*（6）軟件線性化方法1、計算法條件：傳感器輸出與被測量間3、插值法原理：將查表法與計算法結(jié)合方法：線性插值、拋物線插值、拉格朗日插值、牛頓插值、埃米特插值903、插值法原理：將查表法與計算法結(jié)合方法：線性插值、拋物線插3.重復性傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次(三次以上)測試時，所得特性曲線間一致程度的指標。913.重復性傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量重復性誤差為隨機誤差，指標定值的分散性，可用引用誤差表示：△R——同一激勵量對應多次循環(huán)的同向行程響應量的極差?？筛鶕?jù)標準偏差來計算△R：σ——子樣標準偏差；n—標定循環(huán)次數(shù)

K——置信因子，K=2時，置信度為95%；

K=3時，置信度為99.73%。92重復性誤差為隨機誤差，指標定值的分散性，可用引用標準偏差σ按貝塞爾公式計算，即：、

、

——正、反行程各標定點響應量的標準偏差

——正、反行程各標定點的響應量的平均值

93標準偏差σ按貝塞爾公式計算，即：、、——正、反行程各標j——標定點序號，j＝1、2、3、…、m；i——標定的循環(huán)次數(shù)，i＝1、2、3、…、n；

yjiD、yjiI——正、反行程各標定點輸出值再取σjD

、σjI的均方值為子樣的標準偏差σ，

則94j——標定點序號，j＝1、2、3、…、m；yjiD、yjiI4.靈敏度5.分辨力（率）與電源電壓有關(guān)：位移傳感器：1V,1mm,100mV靈敏度：100(mV/mm·V)分辨力：規(guī)定測量范圍內(nèi)能檢測出的輸入量的最小變化量分辨率：分辨力/滿量程輸入值非線性傳感器線性傳感器=常數(shù)954.靈敏度5.分辨力（率）與電源電壓有關(guān)：位移傳感6.穩(wěn)定性7.漂移8.閾值零點漂移、靈敏度漂移時間漂移（時漂）、溫度漂移（溫漂）產(chǎn)生可測輸出變化量時的最小輸入量值長期穩(wěn)定性標定的有效期外界干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化。966.穩(wěn)定性7.漂移8.閾值零點漂移、靈敏度漂移時9.靜態(tài)誤差（精度）（1）將非線性、滯后、重復性、代數(shù)法綜合偏大（2）將全部校準數(shù)據(jù)相對于擬合直線求標準偏差偏?。?）將非線性、滯后視為系統(tǒng)誤差，重復性視為隨機誤差979.靜態(tài)誤差（精度）（1）將非線性、滯后、重復性、代數(shù)法三傳感器的動態(tài)數(shù)學模型及動態(tài)特性指標98三傳感器的動態(tài)數(shù)學模型及269927一、動態(tài)模型1.微分方程微分方程傳遞函數(shù)條件：線性定常系統(tǒng)100一、動態(tài)模型1.微分方程微分方程傳遞函數(shù)條件：線性定常系一階環(huán)節(jié)一階傳感器二階環(huán)節(jié)二階傳感器零階環(huán)節(jié)零階傳感器比例環(huán)節(jié)、無慣性環(huán)節(jié)101一階環(huán)節(jié)一階傳感器二階環(huán)節(jié)二階傳感器零階環(huán)節(jié)零階傳感器比例環(huán)例分析加速度傳感器的動態(tài)特性。加速度-慣性力-位移-伸縮變形-反作用力-位移與加速度二階環(huán)節(jié)的傳感器通解與特解暫態(tài)/穩(wěn)態(tài)傳遞函數(shù)102例分析加速度傳感器的動態(tài)特性。加速度-慣性力-位移-伸縮變2.傳遞函數(shù)定義：初始條件為零時，輸出量（響應函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（激勵函數(shù)）拉普拉斯變換之比。拉氏變換：1032.傳遞函數(shù)定義：初始條件為零時，輸出量（響應函數(shù)）的拉簡寫為：兩邊取拉氏變換：輸出量拉氏變換輸入量拉氏變換傳遞函數(shù)：104簡寫為：兩邊取拉氏變換：輸出量拉氏變換輸入量拉氏變換傳遞函數(shù)特點：（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與x(t)無關(guān)。（2）X(s)、Y(s)、H(s)知二求一（3）相同的傳遞函數(shù)可以表征不同物理系統(tǒng)H(s)X(s)Y(s)（4）通過實驗求傳遞函數(shù)105特點：（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與x(t)無關(guān)。（2（5）多環(huán)節(jié)串并聯(lián)的傳感器系統(tǒng)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)n個環(huán)節(jié)串聯(lián)n個環(huán)節(jié)并聯(lián)H1(s)X(s)Y(s)H2(s)Hn(s)106（5）多環(huán)節(jié)串并聯(lián)的傳感器系統(tǒng)H1(s)X(s)Y(s)二、動態(tài)特性指標輸入標準信號階躍響應法（時域）階躍函數(shù)正弦函數(shù)指數(shù)函數(shù)沖擊函數(shù)頻率響應法（頻域）動態(tài)誤差輸出穩(wěn)定后與理想輸出量的誤差輸入量躍變，輸出量在過渡狀態(tài)的誤差？動態(tài)特性/動態(tài)誤差/輸入標準信號107二、動態(tài)特性指標輸入標準信號階躍響應法（時域）階躍函數(shù)正弦函時間常數(shù)一階傳感器系統(tǒng)階躍響應1.階躍響應單位階躍信號108時間常數(shù)一階傳感器系統(tǒng)階躍響應1.階躍響應單位階躍信號3二階傳感器系統(tǒng)階躍響應上升時間Tr響應時間Ts超調(diào)量a1峰值時間Tp延滯時間Td衰減率穩(wěn)態(tài)誤差109二階傳感器系統(tǒng)階躍響應上升時間Tr響應時間Ts超調(diào)量a1峰值例熱電偶傳感器測溫過程中的動態(tài)誤差分析。環(huán)境溫度T0被測液體溫度TT>T0110例熱電偶傳感器測溫過程中的動態(tài)誤差分析。環(huán)境溫度T0被測2.頻率響應輸入信號輸出信號頻率響應特性：輸入頻率變化、幅值相等的正弦信號，輸出信號幅值與輸入頻率的關(guān)系：幅頻特性輸出信號相位與輸入頻率的關(guān)系：相頻特性

1112.頻率響應輸入信號輸出信號頻率響應特性：輸入頻率變化、相頻特性頻率響應函數(shù)指數(shù)形式：幅頻特性其中，動態(tài)靈敏度、增益正弦/傳感器，穩(wěn)定狀態(tài)下，輸入與輸出復數(shù)比112相頻特性頻率響應函數(shù)指數(shù)形式：幅頻特性其中，動態(tài)靈敏度、增益對數(shù)幅頻特性曲線通頻帶其中，0dB水平線是理想的零階系統(tǒng)的幅頻特性113對數(shù)幅頻特性曲線通頻帶其中，0dB水平線是理想的零階系統(tǒng)的幅3.一階系統(tǒng)的動態(tài)響應分析一階系統(tǒng)微分方程（1）頻率響應特性分析時間常數(shù)靜態(tài)靈敏度拉氏變換傳遞函數(shù)1143.一階系統(tǒng)的動態(tài)響應分析一階系統(tǒng)微分方程（1）頻率響應頻率響應函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論：越小，頻率響應特性越好。線性115頻率響應函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論：越小，頻率響應越小，階躍響應特性越好。（2）階躍響應特性分析一階系統(tǒng)微分方程穩(wěn)態(tài)響應暫態(tài)響應階躍函數(shù)116越小，階躍響應特性越好。（2）階躍響應特性分析一階系例分析溫度傳感器模型，給出輸入量（T0）與輸出量（T）間的微分方程，并推導其幅頻特性、相頻特性及階躍相應特性。已知：傳感器敏感部分質(zhì)量為m，比熱為c，表面積為s，傳熱系數(shù)為h（W/m2.K）117例分析溫度傳感器模型，給出輸入量（T0）與輸出量（T）間的頻率響應特性分析幅頻特性相頻特性階躍響應特性118頻率響應特性分析幅頻特性相頻特性階躍響應特性46四改善傳感器性能的技術(shù)途徑119四改善傳感器性能的技術(shù)途徑47１、結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇確保主要指標，放寬次要指標，以求高性價比２、差動技術(shù)目的：改善非線性研究生產(chǎn)部門：系列產(chǎn)品用戶：合理選擇思路：120１、結(jié)構(gòu)、材料與參數(shù)的合理選擇確保主要指標，放寬次要指標，以三個技術(shù)環(huán)節(jié)：

（1）兩個完全相同的傳感器（2）接受輸入量：大小相等，方向相反（3）輸出相減方法：傳感器1：非線性改善，輸出靈敏度提高一倍。完全相同傳感器2，輸入量反號：二者輸出相減：121三個技術(shù)環(huán)節(jié)：方法：傳感器1：非線性改善，輸出靈敏度提高一倍例變面積式差動電容傳感器。輸出：靈敏度：輸出靈敏度提高一倍，消除了零位輸出項l。122例變面積式差動電容傳感器。輸出：靈敏度：輸出靈敏度提高例超聲波流速計。介質(zhì)性質(zhì)溫度傳播速度c可逆性超聲波發(fā)生器電能機械能超聲波接收器機械能電能發(fā)射超聲波:接收超聲波:超聲波換能器：壓電式超聲波傳感器：聲-電轉(zhuǎn)換傳播時間內(nèi)計脈沖123例超聲波流速計。介質(zhì)性質(zhì)溫度傳播速度c可逆性超聲波發(fā)生３、平均技術(shù)目的：減小隨機誤差誤差平均效應數(shù)據(jù)平均處理消除了聲速變化的影響124３、平均技術(shù)目的：減小隨機誤差誤差平均效應數(shù)據(jù)平均處理消除了1）.誤差平均效應n個完全相同的電容傳感器并聯(lián)容柵傳感器中的誤差平均效應1251）.誤差平均效應n個完全相同的電容傳感器并聯(lián)容柵傳感2）.數(shù)據(jù)平均處理方法：將相同條件下的測量重復n次，或n次采樣，然后將數(shù)據(jù)進行平均處理，隨機誤差減小倍。４、穩(wěn)定性處理造成傳感器性能不穩(wěn)定原因：材料、元器件性能變化穩(wěn)定性處理方法：電氣元件：老化、篩選材料結(jié)構(gòu)材料：時效處理、冰冷處理永磁材料：時間老化、溫度老化、機械老化交流穩(wěn)磁處理1262）.數(shù)據(jù)平均處理方法：將相同條件下的測量重復n次，或n５、屏蔽、隔離和干擾抑制思路傳感器：減小對影響因素的靈敏度外界影響因素：降低對傳感器的實際作用功率127５、屏蔽、隔離和干擾抑制思路傳感器：減小對影響因素的靈敏度外1）、屏蔽1281）、屏蔽563）電路措施（1）去耦濾波器2）隔離隔熱、隔振、密封信號地線電源地線信號源地線屏蔽保護接地線地線將測量系統(tǒng)的各種地線連接在一起，并且只在一點接地。（2）“單點”接地目的：消除公共阻抗耦合的干擾水下測試問題注意事項1293）電路措施（1）去耦濾波器2）隔離隔熱、隔振、密封信號地線６、零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)目的：消除或削弱系統(tǒng)誤差1）零示法原理：被測量和已知標準量對儀表的作用相互平衡舉例：機械天平優(yōu)點：消除儀器不準造成的誤差2）微差法原理：被測量和已知標準量差別減小到一定程度后，使儀表誤差的影響大大減小。被測量相近標準量微差，儀表讀出不連續(xù)可