1、第第2 2章章 傳感器概述傳感器概述2.1 2.1 基本概念基本概念12.2 2.2 傳感器的一般特性傳感器的一般特性2.3 2.3 傳感器的標定和校準傳感器的標定和校準32.4 2.4 傳感器選擇的一般原則傳感器選擇的一般原則422.1 基本概念2 2.1.1.1.1 傳感器的定義傳感器的定義 傳感器傳感器( (Sensor/Transducer) )是一種以一定的精是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。于應用的某種物理量的測量裝置。u它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可它的輸入量是某一被測量，

2、可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。能是化學量、生物量等。u它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，主要是電量。轉換、處理、顯示等，主要是電量。u輸入輸出的轉換規律（關系）已知，轉換精度要輸入輸出的轉換規律（關系）已知，轉換精度要滿足測控系統的應用要求。滿足測控系統的應用要求。能量轉換能量轉換輸入量輸入量輸出量輸出量電量（便于傳輸、轉換、電量（便于傳輸、轉換、處理、顯示）處理、顯示）物理量、化學量、生物量等物理量、化學量、生物量等附附: 傳感器的定義傳感器的定義示意圖示意圖2.1 基本概念傳感器的定義傳感器的定義示意圖示意圖2

3、.1 基本概念2.1.2 2.1.2 傳感器的組成傳感器的組成 敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量；轉換元件把敏感元測量成確定關系的物理量；轉換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉換成電路參量；上件的輸出作為它的輸入，轉換成電路參量；上述電路參數接入基本轉換電路，便可轉換成電述電路參數接入基本轉換電路，便可轉換成電量輸出。量輸出。被測量電量敏感元件轉換元件轉換電路圖圖2-1 2-1 傳感器的組成傳感器的組成2.1 基本概念被測量電量敏感元件轉換元件轉換電路直接感受被測量直接感受被測量轉化為電量參數轉化為電量參數敏感元件的輸出作敏感元件

4、的輸出作為轉換元件的輸入為轉換元件的輸入附：附：傳感器傳感器組成示意圖組成示意圖傳感器傳感器組成示意圖組成示意圖2.1 基本概念2.1.3 2.1.3 傳感器的分類傳感器的分類u按工作機理分類按工作機理分類 可分為物理型、化學型、生物型可分為物理型、化學型、生物型 按構成原理又分為：結構型、物性型和復合型三大類按構成原理又分為：結構型、物性型和復合型三大類u按能量的轉換分類按能量的轉換分類 可分為能量控制型和能量轉換型可分為能量控制型和能量轉換型u按輸入量分類按輸入量分類 常用的有機、光、電和化學等傳感器常用的有機、光、電和化學等傳感器u按輸出信號的性質分類按輸出信號的性質分類 可分為模擬式傳

5、感器和數字式傳感器可分為模擬式傳感器和數字式傳感器按被測參數分類按被測參數分類, , 如溫度、壓力、位移、如溫度、壓力、位移、速度等速度等; ; u按傳感器的工作原理分類按傳感器的工作原理分類, , 如應變式、如應變式、電容式、壓電式、電容式、壓電式、 磁電式等磁電式等。本書是按傳感器工作原分類方法來介紹本書是按傳感器工作原分類方法來介紹各種傳感器。各種傳感器。 后面傳感器的工程應用則是根據工程參后面傳感器的工程應用則是根據工程參數進行敘述的。數進行敘述的。2.1 基本概念2 2.1.4 .1.4 傳感器技術的發展方向傳感器技術的發展方向u開發新的敏感、傳感材料開發新的敏感、傳感材料u發現新現

6、象發現新現象u采用微細加工技術采用微細加工技術u仿生傳感器研究仿生傳感器研究u智能化傳感器及測試系統智能化傳感器及測試系統u傳感器發展集成化傳感器發展集成化u多功能與多參數傳感器的研究多功能與多參數傳感器的研究2.2 傳感器的一般特性 如果把傳感器看作二端口網絡如果把傳感器看作二端口網絡, , 即有一個輸即有一個輸入端口和一個輸出端口入端口和一個輸出端口, , 那么傳感器的輸出那么傳感器的輸出- -輸入特性是與其內部結構參數有關的外部輸入特性是與其內部結構參數有關的外部特性。特性。 傳感器的基本特性可用靜態特性和動態特傳感器的基本特性可用靜態特性和動態特性來描述。性來描述。2.2 傳感器的一般

7、特性2.2.1 2.2.1 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性定義：被測量處于穩定狀態下傳感器的靜態特性定義：被測量處于穩定狀態下的輸入輸出關系。的輸入輸出關系。只考慮傳感器的靜態特性時只考慮傳感器的靜態特性時, , 輸入量與輸出量之輸入量與輸出量之間的關系式中不含有時間變量。間的關系式中不含有時間變量。衡量靜態特性的重要指標是線性度、衡量靜態特性的重要指標是線性度、 靈敏度靈敏度, , 遲遲滯和重復性等。滯和重復性等。2.2 傳感器的一般特性1 1線性度線性度u傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度。量關系的線性程度

8、。u輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。u傳感器的輸出與輸入關系傳感器的輸出與輸入關系: :nnxaxaxaay 2210式中: a0零點輸出量; a1理論靈敏度； a2, , an非線性項系數。2.2 傳感器的一般特性u實際使用中，為了標定和數據處理的方便，希實際使用中，為了標定和數據處理的方便，希望得到線性關系，因此引入了非線性補償電路望得到線性關系，因此引入了非線性補償電路或者計算機軟件法等補償環節。或者計算機軟件法等補償環節。u非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地

9、代表實際可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段。曲線的一段。u使傳感器輸出使傳感器輸出輸入特性線性化，所采用的直輸入特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。線稱為擬合直線。2.2 傳感器的一般特性理論擬合理論擬合過零旋轉擬合過零旋轉擬合端點連線擬合端點連線擬合端點平移擬合端點平移擬合圖圖2-2 2-2 幾種直線擬合方法幾種直線擬合方法2.2 傳感器的一般特性 理論擬合理論擬合: :擬合直線為傳感器的理論特性擬合直線為傳感器的理論特性, ,與測試與測試值無關值無關. . 過零旋轉擬合過零旋轉擬合: :常用于校正曲線過零的傳感器常用于校正曲線過零的傳感器. . 端點擬合端點擬合: :把校

10、正曲線兩端點的連線作為擬合直線把校正曲線兩端點的連線作為擬合直線. . 端點平移擬合端點平移擬合: :端點擬合的直線進行平移端點擬合的直線進行平移, ,最大誤最大誤差減半差減半. . 最小二乘法擬合最小二乘法擬合2.2 傳感器的一般特性u實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常用器的非線性誤差（或線性度），通常用 表表示示 最大非線性絕對誤差；最大非線性絕對誤差； 滿量程輸出滿量程輸出。100%maxLFSLrY maxLFSYLrFull Scale 習題 已知某傳感器的靜態特性方程為已知某傳感器的靜態特性方程為Y=Y=

11、e eX X, ,試分別試分別用零點切線、弦線法、最小二乘法（用零點切線、弦線法、最小二乘法（6 6等分），等分），在在0X10X1范圍內擬合直線方程，并求出相應的范圍內擬合直線方程，并求出相應的線性度。線性度。 解： 1)切線法 零點切線%8 .411718. 0718. 0111, 11, 01max00eXeYXYedXdYeYXYXKXAYLXXXXX 2）弦線法 Y=A+KX A=1%3 .121212. 0212. 0541. 00)718. 11 (718. 1011maxeYXdXXedeKLX3)最小二乘法X 0 0.20.40.60.81.0Y11.221.491.822.

12、232.72Y=A+KX%75. 50987. 05335. 00705. 1894. 0705. 1)(894. 0)(max22222LYXdXdYXYXNXXYNYXKXNXXYXXYA2.2 傳感器的一般特性2 2靈敏度靈敏度u靈敏度靈敏度S S是指傳感器的輸出量增量是指傳感器的輸出量增量 yy與引起輸與引起輸出量變化的輸入量增量出量變化的輸入量增量 xx的比值，即的比值，即: :u對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態特對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態特性的斜率。性的斜率。u而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用S=dy/dxS=dy/dx表示。傳

13、感器的靈敏度如圖表示。傳感器的靈敏度如圖1-31-3所示。所示。ySx2.2 傳感器的一般特性圖圖2-3 2-3 傳感器的靈敏度傳感器的靈敏度2.2 傳感器的一般特性3 3遲滯遲滯u傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間其輸出行程期間其輸出- -輸入特性曲線不重合的現象輸入特性曲線不重合的現象稱為遲滯，如下圖所示稱為遲滯，如下圖所示: :圖圖2-42-4遲滯特性遲滯特性2.2 傳感器的一般特性 同一大小的輸入信號同一大小的輸入信號, , 傳感器的正反行程輸出傳感器的正反行程輸出信號大小不相等。信號大小不相等。 產生這種現象的主要原因是由于傳感器

14、敏感元產生這種現象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質和機械零部件的缺陷所造成件材料的物理性質和機械零部件的缺陷所造成的。的。 例如彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件摩擦、例如彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等。傳動機構的間隙、緊固件松動等。2.2 傳感器的一般特性u遲滯大小通常由實驗確定。遲滯誤差遲滯大小通常由實驗確定。遲滯誤差 可由下式可由下式計算：計算： 式中：式中： 正反行程輸出值間的最大差值。正反行程輸出值間的最大差值。1100%2maxHFSHrY HrmaxH2.2 傳感器的一般特性4 4重復性重復性u重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量

15、重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的程程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的程度，如圖所示度，如圖所示: :圖圖2-5 2-5 重復性重復性2.2 傳感器的一般特性u重復性誤差屬于隨機誤差，常用標準偏差重復性誤差屬于隨機誤差，常用標準偏差 表示，表示，也可用正反行程中的最大偏差也可用正反行程中的最大偏差RRmax表示，即：表示，即：23100%RFS()r =Y1100%2maxRFSRrY 5. 5.分辨率與閾值分辨率與閾值 分辨率是分辨率是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量指傳感器能檢測到的最小的輸入增量. . 有些傳感器，如電位器式傳感器，當輸入量

16、連續變化有些傳感器，如電位器式傳感器，當輸入量連續變化時，輸出量只做階梯變化，則分辨率就是輸出量的每時，輸出量只做階梯變化，則分辨率就是輸出量的每一個一個“階梯階梯”所代表的輸入量的大小。所代表的輸入量的大小。 分辨率可用絕對值表示，也可用與滿量程的百分比表分辨率可用絕對值表示，也可用與滿量程的百分比表示示 在傳感器輸入零點附近的分辨率稱為閾值。在傳感器輸入零點附近的分辨率稱為閾值。2.2 傳感器的一般特性2.2 傳感器的一般特性 6.6.穩定性穩定性 穩定性是穩定性是指傳感器在長時間工作情況下輸指傳感器在長時間工作情況下輸出量發生的變化。出量發生的變化。 有時稱為長時間工作穩定性或零點漂移。

17、有時稱為長時間工作穩定性或零點漂移。 前后兩次輸出之差即為穩定性誤差。前后兩次輸出之差即為穩定性誤差。 穩定性誤差可用相對誤差表示，也可以用穩定性誤差可用相對誤差表示，也可以用絕對誤差來表示。絕對誤差來表示。2.2 傳感器的一般特性 7.7.溫度穩定性溫度穩定性 溫度穩定性又稱為溫波漂移。溫度穩定性又稱為溫波漂移。 它是指傳感器在外界溫度變化情況下輸出量發生的變化。它是指傳感器在外界溫度變化情況下輸出量發生的變化。 測試時先將傳感器置于一定溫度測試時先將傳感器置于一定溫度( (例如例如20 )20 )下。將其輸出調下。將其輸出調至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數至零點或某一特定點，

18、使溫度上升或下降一定的度數( (例如例如5 5或或10)10)，再讀出輸出值，前后兩次輸出之差為溫度穩定性，再讀出輸出值，前后兩次輸出之差為溫度穩定性誤差。誤差。 溫度穩定性誤差用每度的絕對誤差或相對誤差表示每溫度穩定性誤差用每度的絕對誤差或相對誤差表示每的誤差又稱溫度誤差系數。的誤差又稱溫度誤差系數。滿量程輸出值溫度變化范圍為最大偏差FSFStFTTY;%100maxmax2.2 傳感器的一般特性8 8漂移漂移u傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等

19、。零點漂移和靈敏度漂移等。u漂移可分為時間漂移和溫度漂移。漂移可分為時間漂移和溫度漂移。u時間漂移是指在規定的條件下，零點或靈敏度時間漂移是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。隨時間的緩慢變化。u溫度漂移是指環境溫度變化而引起的零點或靈溫度漂移是指環境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移。敏度的漂移。2.2 傳感器的一般特性 8 8 多種抗干擾能力多種抗干擾能力 傳感器對各種外界干擾的抵抗能力。例如抗沖擊和抗振動傳感器對各種外界干擾的抵抗能力。例如抗沖擊和抗振動能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等，評價這些能能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等，評價這些能力比較復雜一般也不易

20、給出數量概念需要具體問題具體力比較復雜一般也不易給出數量概念需要具體問題具體分析。分析。9 9 靜態誤差靜態誤差 傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。程度。 靜態誤差的求取方法如下：把全部校準數據與擬合直線上對靜態誤差的求取方法如下：把全部校準數據與擬合直線上對應值的殘差，看成隨機分布，求其標淮偏差，即應值的殘差，看成隨機分布，求其標淮偏差，即niiyn12)(112222:%1003SRHLFSy差為幾個單項誤差的綜合誤標準偏差:取3值為傳感器的靜態誤差:2.2 傳感器的一般特性2.2 傳感器的一般特性1.2.2 1.

21、2.2 傳感器的動態特性傳感器的動態特性u傳感器的動態特性是指其輸出對隨時間變化的傳感器的動態特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。輸入量的響應特性。u動態特性好的傳感器，其動態特性好的傳感器，其輸出將再現輸入量的輸出將再現輸入量的變化規律，即具有相同的時間函數變化規律，即具有相同的時間函數。u實際上除了具有理想的比例特性外，輸出信號實際上除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數，這種將不會與輸入信號具有相同的時間函數，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態誤差。輸出與輸入間的差異就是所謂的動態誤差。2.2 傳感器的一般特性u以動態測溫的問題為例說明傳感器動態

22、特性。以動態測溫的問題為例說明傳感器動態特性。u在被測溫度隨時間變化或傳感器突然插入被測在被測溫度隨時間變化或傳感器突然插入被測介質中以及傳感器以掃描方式測量某溫度場的介質中以及傳感器以掃描方式測量某溫度場的溫度分布等情況下，都存在動態測溫問題，如溫度分布等情況下，都存在動態測溫問題，如圖所示圖所示: :動態測溫動態測溫2.2 傳感器的一般特性u傳感器的種類和形式很多，但它們一般可以傳感器的種類和形式很多，但它們一般可以簡化為一階或二階系統簡化為一階或二階系統。u 高階可以分解成若干個低階環節高階可以分解成若干個低階環節。u 對于正弦輸入信號，傳感器的響應稱為頻率對于正弦輸入信號，傳感器的響應

23、稱為頻率響應或穩態響應；對于階躍輸入信號，則稱響應或穩態響應；對于階躍輸入信號，則稱為傳感器的階躍響應或瞬態響應。為傳感器的階躍響應或瞬態響應。2.2 傳感器的一般特性1 1. . 瞬態響應特性瞬態響應特性u傳感器的瞬態響應是時間響應。傳感器的瞬態響應是時間響應。u從時域中對傳感器的響應和過渡過程進行分析從時域中對傳感器的響應和過渡過程進行分析稱為時域分析法，傳感器對所加激勵信號的響稱為時域分析法，傳感器對所加激勵信號的響應稱瞬態響應。應稱瞬態響應。u常用激勵信號有階躍函數、斜坡函數、脈沖函常用激勵信號有階躍函數、斜坡函數、脈沖函數等。下面以傳感器的單位階躍響應來評價傳數等。下面以傳感器的單位

24、階躍響應來評價傳感器的動態性能指標。感器的動態性能指標。2.2 傳感器的一般特性(1)(1)一階傳感器的單位階躍響應一階傳感器的單位階躍響應u一階傳感器單位階躍響應的通式一階傳感器單位階躍響應的通式：u式中式中 、 分別為傳感器的輸入量和輸出分別為傳感器的輸入量和輸出量量，均是時間的函數，表征傳感器的時間常數，均是時間的函數，表征傳感器的時間常數，具有時間具有時間“秒秒”的量綱。的量綱。u一階傳感器的傳遞函數：一階傳感器的傳遞函數：( )( )( )dy ty tx tdt( )x t( )y t( )1( )( )1Y SH sX Ss2.2 傳感器的一般特性u對階躍信號，傳感器輸出的拉氏變

25、換為：對階躍信號，傳感器輸出的拉氏變換為：u一階傳感器的單位階躍響應信號為：一階傳感器的單位階躍響應信號為：111Y(s)= H(s)X(s)=sst=1-ey(t)圖圖2-7一階傳感器的單位階躍響應一階傳感器的單位階躍響應2.2 傳感器的一般特性( (2 2) )二階傳感器的單位階躍響應二階傳感器的單位階躍響應u二階傳感器的單位階躍響應的通式為：二階傳感器的單位階躍響應的通式為： 傳感器的固有頻率；傳感器的固有頻率； 傳感器的阻尼比。傳感器的阻尼比。u二階傳感器的傳遞函數：二階傳感器的傳遞函數：2222( )( )2( )( )nnnd y tdy ty tx tdtdt222( )2nnn

26、H sssn2.2 傳感器的一般特性u 二階二階傳感器輸出的拉氏變換：傳感器輸出的拉氏變換：222( )( )( )2nnnY sH s X ss ss圖圖2-8 二階傳感器單位階躍響應圖二階傳感器單位階躍響應圖2.2 傳感器的一般特性(3)(3)瞬態響應特性指標瞬態響應特性指標 給傳感器輸入一個單位階躍信號時，其輸出特給傳感器輸入一個單位階躍信號時，其輸出特性如圖：性如圖：圖圖2-9 2-9 瞬態響應特性指標瞬態響應特性指標2.2 傳感器的一般特性2. 2. 頻率響應特性頻率響應特性u傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。響應特性。u頻率響

27、應法是從傳感器的頻率特性出發研究傳頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發研究傳感器的動態特性。感器的動態特性。（1 1）一階傳感器的頻率響應）一階傳感器的頻率響應1()() 1H jj2.2 傳感器的一般特性u幅頻特性：幅頻特性：21( )1()A幅頻特性幅頻特性2.2 傳感器的一般特性u相頻特性：相頻特性：arctan()() 相頻特性相頻特性圖圖2-10 2-10 一階傳感器頻率響應特性一階傳感器頻率響應特性2.2 傳感器的一般特性(2 (2) )二階傳感器的頻率響應二階傳感器的頻率響應u其幅頻特性和相頻特性分別為：其幅頻特性和相頻特性分別為：2nn1()1 ()2H jj222nn1( )1

28、 ()(2)A22( )1 ()nnarctan 2.2 傳感器的一般特性u二階二階傳感器的幅頻特性、相頻特性圖：傳感器的幅頻特性、相頻特性圖：幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性圖圖2-11 2-11 二階傳感器頻率響應特性二階傳感器頻率響應特性2.2 傳感器的一般特性2.2.3 2.2.3 傳感器的其它特性傳感器的其它特性u靜態特性和動態特性并不能完全描述傳感器的靜態特性和動態特性并不能完全描述傳感器的性能。性能。u在選擇傳感器時應當考慮的傳感器和待檢測量在選擇傳感器時應當考慮的傳感器和待檢測量有關的另一些特性。有關的另一些特性。u除那些傳感器特性以外，測量方法也必須始終除那些傳感器特性以外，

29、測量方法也必須始終適合于應用。適合于應用。2.2 傳感器的一般特性1 1）輸入特性：阻抗輸入特性：阻抗u待檢測的量的輸出阻抗決定傳感器的輸入阻抗。待檢測的量的輸出阻抗決定傳感器的輸入阻抗。u輸入阻抗的概念能使我們確定什么時候會出現輸入阻抗的概念能使我們確定什么時候會出現加載誤差。加載誤差。u用方塊圖描述傳感器或測量系統忽略了傳感器用方塊圖描述傳感器或測量系統忽略了傳感器要從測量系統提取某些功率這一事實。當這種要從測量系統提取某些功率這一事實。當這種功率提取使被測變量的值變更時，便視為存在功率提取使被測變量的值變更時，便視為存在加載誤差。加載誤差。2.2 傳感器的一般特性u為了使加載誤差最小，測

30、量作用變量時，必須為了使加載誤差最小，測量作用變量時，必須使輸入阻抗很高。使輸入阻抗很高。u當對一個量當對一個量 進行測量時，總是涉及到另一進行測量時，總是涉及到另一個量個量 ，乘積具有功率的量綱。，乘積具有功率的量綱。u若若 是作用變量，則得是作用變量，則得: :u從被測系統提取的功率為從被測系統提取的功率為 ，若要使，若要使 維持最小，則必須使維持最小，則必須使 盡可能小。因此，輸盡可能小。因此，輸入阻抗必須很高。入阻抗必須很高。12X (s)Z(s)X (s)1x1x2x2x12Px xP2.2 傳感器的一般特性u傳感器的輸出阻抗決定了接口電路所需的輸入傳感器的輸出阻抗決定了接口電路所需

31、的輸入阻抗。電壓輸出要求高輸入阻抗，以使檢測電阻抗。電壓輸出要求高輸入阻抗，以使檢測電壓壓 接近傳感器的輸出電壓。接近傳感器的輸出電壓。u相反，電流輸出則要求低輸入阻抗，以使輸入相反，電流輸出則要求低輸入阻抗，以使輸入電流電流 接近傳感器的輸出電流。接近傳感器的輸出電流。oooiiZIIZZ2.2 傳感器的一般特性2 2）可靠性）可靠性u傳感器只有在傳感器只有在規定條件和規定期間規定條件和規定期間無故障工作無故障工作才是可靠的。才是可靠的。u可靠性在統計學上被描述為：高可靠性意味著可靠性在統計學上被描述為：高可靠性意味著按要求工作的概率接近于按要求工作的概率接近于1 1（即在所考慮的期（即在所

32、考慮的期間，該傳感器的部件幾乎不失效）。間，該傳感器的部件幾乎不失效）。u失效率是失效率是指某一產品每單位壽命測度（時間、指某一產品每單位壽命測度（時間、周期）的失效數與保持完好的產品數之比周期）的失效數與保持完好的產品數之比。2.3 傳感器的標定和校準 任何一種新研制或生產的傳感器任何一種新研制或生產的傳感器, ,或存儲使用或存儲使用一段時間一段時間, ,都必須進行檢定都必須進行檢定, ,以確定實際性能。以確定實際性能。 標定：標定：新研制或生產的傳感器需要對技術性新研制或生產的傳感器需要對技術性能進行全面的檢定能進行全面的檢定，以確定其基本的靜態、，以確定其基本的靜態、動態特性，包括靈敏度

33、、非線性、遲滯、精動態特性，包括靈敏度、非線性、遲滯、精度和固有頻率等。度和固有頻率等。 將傳感器在使用中、損壞修復后、存儲一段將傳感器在使用中、損壞修復后、存儲一段時間后進行的性能復測稱為時間后進行的性能復測稱為校準校準。2.3 傳感器的標定和校準u傳感器的標定分為靜態標定和動態標定。傳感器的標定分為靜態標定和動態標定。u靜態標定目的是確定傳感器的靜態特性指標，靜態標定目的是確定傳感器的靜態特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。u動態標定目的是確定傳感器的動態特性參數，動態標定目的是確定傳感器的動態特性參數，如頻率響應、時間常數、固有頻率和阻尼比等。如

34、頻率響應、時間常數、固有頻率和阻尼比等。2.3 傳感器的標定和校準2.3.1 2.3.1 傳感器的靜態特性標定傳感器的靜態特性標定1 1靜態標準條件靜態標準條件u沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數本身沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數本身就是被測物理量）及環境溫度一般為室溫（就是被測物理量）及環境溫度一般為室溫（202055）、相對濕度不大于）、相對濕度不大于85% RH85% RH，大氣壓力，大氣壓力為為 1011017kPa7kPa的情況。的情況。2 2標定儀器設備精度等級的確定標定儀器設備精度等級的確定u標定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要標定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要

35、比被標定的傳感器的精度比被標定的傳感器的精度高一個等級高一個等級。2.3 傳感器的標定和校準3 3靜態特性標定的方法靜態特性標定的方法u將傳感器全量程分成若干等間距點；將傳感器全量程分成若干等間距點；u根據傳感器量程分點情況，根據傳感器量程分點情況，由小到大逐一輸入標由小到大逐一輸入標準量值準量值，并記錄下與各輸入值相對應的輸出值；，并記錄下與各輸入值相對應的輸出值；u將輸入值由將輸入值由大到小一點一點地減少大到小一點一點地減少，同時記錄下，同時記錄下與各輸入值相對應的輸出值；與各輸入值相對應的輸出值；u重復上述過程，對傳感器正、反行程多次測試，重復上述過程，對傳感器正、反行程多次測試，將得到

36、的輸出輸入測試數據列表或畫成曲線；將得到的輸出輸入測試數據列表或畫成曲線；u對測試數據進行必要處理，得出靜態特性指標。對測試數據進行必要處理，得出靜態特性指標。2.3 傳感器的標定和校準2.3.2 2.3.2 傳感器的動態特性標定傳感器的動態特性標定u傳感器的動態特性主要是研究傳感器的動態響傳感器的動態特性主要是研究傳感器的動態響應，和與動態響應有關的參數；應，和與動態響應有關的參數；u一階傳感器只有一個一階傳感器只有一個時間常數時間常數 ；u二階傳感器則有二階傳感器則有固有頻率固有頻率 和阻尼比和阻尼比 兩個參兩個參數。數。n2.3 傳感器的標定和校準u標準激勵信號是階躍變化和正弦變化的輸入

37、信標準激勵信號是階躍變化和正弦變化的輸入信號。號。u一階傳感器的單位階躍響應函數為一階傳感器的單位階躍響應函數為: :u則上式可變為則上式可變為=1tY(t)e1Z =ln- y(t)tZ 2.3 傳感器的標定和校準u上圖表明上圖表明z z和時間和時間t t成線性關系，并且有成線性關系，并且有=tt / /zz, ,可以根據測得的可以根據測得的y(ty(t) )值作出值作出z-tz-t曲線。曲線。u根據根據t/zt/z的值獲得時間常數的值獲得時間常數 。圖圖1-12 一階系統時間常數的測定一階系統時間常數的測定2.3 傳感器的標定和校準u如圖如圖1-131-13所示，二階欠阻尼傳感器（所示，二階欠阻尼傳感器（11）的）的單位階躍響應為：單位階躍響應為：222( )11sin( 1arcsin 1)ntny tet 圖圖1-13 二階系統階躍響應曲線二階系統階躍響應曲線123 傳感器的標定和校準u最大超調量與阻