傳感器的輸入輸出特性.ppt

傳感器的輸入輸出特性 2 1傳感器的靜態(tài)特性2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算2 3傳感器的靜態(tài)標定2 4傳感器的動態(tài)特性2 5一階傳感器的動態(tài)特性2 6二階傳感器的動態(tài)特性 2傳感器的輸入輸出特性 2 1傳感器靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指在穩(wěn)態(tài)條件下 傳感器無暫態(tài)分量 用分析或?qū)嶒灧椒ㄋ_定的輸入 輸出關系 這種關系可依不同情況 用函數(shù)或曲線表示 有時也用數(shù)據(jù)表格來表示 2 1傳感器靜態(tài)特性 靜態(tài)特性 輸入量為常量 或變化極慢 2 1傳感器的靜態(tài)特性2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算2 3非線性傳感器靜態(tài)性能指標2 4傳感器的靜態(tài)標定2 5傳感器的動態(tài)特性2 6一階傳感器的動態(tài)特性2 7二階傳感器的動態(tài)特性 2傳感器的輸入輸出特性 2 2 1測量范圍和量程2 2 2靜態(tài)靈敏度2 2 3分辨力與分辨率2 2 4零漂及溫漂2 2 5傳感器的測量誤差 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 6線性度2 2 7遲滯2 2 8重復性2 2 9準確度2 2 10穩(wěn)定性和環(huán)境影響2 2 11可靠性2 2 12符合度2 2 13總精度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 1測量范圍和量程測量上限 傳感器所能測量的最大被測量測量下限 傳感器所能測量的最小被測量范圍 用測量上限和測量下限表示的測量區(qū)間 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 量程 測量上限和測量下限的代數(shù)差E 3N 10N 靈敏度 傳感器輸出變化量與輸入變化量之比為靜態(tài)靈敏度 其表達式為 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 2靜態(tài)靈敏度 分辨率 指傳感器能夠檢測到的最小輸入增量 對于輸出為數(shù)字量的傳感器 分辨率可以定義為一個量化單位或二分之一個量化單位所對應的輸入增量 如圖所示 使傳感器產(chǎn)生輸出變化的最小輸入值稱為傳感器的閾值 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 3分辨率 2 2 4零漂及溫漂 傳感器的漂移量大小是表征傳感器性能穩(wěn)定性的重要指標零點時漂 在規(guī)定的條件下 傳感器零點隨時間的緩慢變化 零點溫漂 溫度變化引起的傳感器零點輸出的變化靈敏度溫漂 溫度變化引起的傳感器靈敏度的變化 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 b 靈敏度溫度系數(shù) 當溫度升高時 系統(tǒng)的靈敏度變化 溫度每升高1 靈敏度系數(shù)變化的百分比 稱為靈敏度溫度系數(shù) 如溫度系數(shù) 溫漂 a 零點溫度系數(shù) 在工作溫度范圍內(nèi) 環(huán)境溫度每變化1 時 引起的零點輸出變化與額定輸出的百分比 稱為零點溫度系數(shù) 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 4零漂及溫漂 2 2 5測量誤差基本概念 真值 指被測量在一定條件下客觀存在的 實際具備的量值 真值是不可確切獲知的 實際測量中常用 約定真值 和 相對真值 約定真值是用約定的辦法確定的真值 如砝碼的質(zhì)量 相對真值是指具有更高精度等級的計量器的測量值 標稱值 計量或測量器具上標注的量值 如標準砝碼上標注的質(zhì)量數(shù) 示值 由測量儀器 設備 給出的量值 也稱測量值或測量結(jié)果 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 準確度 是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合 表示測量結(jié)果與真值的一致程度 由于真值未知 準確度是個定性的概念 測量誤差 測量結(jié)果與被測量真值之間的差值 誤差公理 一切測量都具有誤差 誤差自始至終存在于所有科學試驗的過程之中 研究誤差的目的是找出適當?shù)姆椒p小誤差 使測量結(jié)果更接近真值 2 2 5測量誤差基本概念 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 3 引用誤差 絕對誤差與測量儀表量程之比 按最大引用誤差將電測量儀表的準確度等級分為7級 指數(shù)a分別為 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 2 相對誤差 絕對誤差與真值之比 在誤差較小時 可以用測量值代替真值 稱為示值相對誤差 x 2 2 5測量誤差的表示 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 所以電測量儀表在使用中的最大可能誤差為 例 某1 0級電壓表 量程為300V 求測量值Ux分別為100V和200V時的最大絕對誤差 Um和示值相對誤差 Ux 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 5測量誤差的表示 傳感器的輸入輸出關系可以用多項式表示 2 2 6線性度 其中 X 輸入量 Y 輸出量 a0 x 0時的輸出值a1 理想靈敏度a2 a3 an 非線性項系數(shù) 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 線性度是指系統(tǒng)標準輸入輸出特性與擬合直線的不一致程度 也稱非線性誤差 傳感器的理想輸入 輸出特性應是線性的 2 2 6線性度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 線性度是以一定的擬合直線作基準與校準曲線作比較 其不一致的最大偏差與理論滿量程輸出值的百分比來進行計算 式中 YFS ymax ymin 滿量程輸出電壓 2 2 6線性度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 對于非理想直線特性的傳感器 需要進行非線性校正 常采用以下方法 2 2 6線性度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 實際特性上分別對應于測量下限xmin和測量上限xmax的點A和B的連線稱端點擬合直線 特點 方法簡單 但由于數(shù)據(jù)依據(jù)不充分 且計算的線性度值往往偏大 因此不能充分發(fā)揮傳感器的精度潛力 A B 2 2 6線性度 端點法 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 把傳感器全量程內(nèi)的所有校準數(shù)據(jù) 前后分成兩組 分別求出兩組的點系中心 這兩點系中心的連線 就是平均選點法的擬合直線 特點 擬合精度較高 試驗點在擬合直線兩側(cè)分布 數(shù)據(jù)處理不復雜 把斜率和截距代入y a kx中即得到平均選點法擬合直線方程 2 2 6線性度 平均選點法 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 把所有校準點數(shù)據(jù)都標在坐標圖上 用最小二乘法擬合的直線y a kx 其校準點與對應的擬合直線的點之間的殘差平方和為最小 校準點 擬合直線 2 2 6線性度 最小二乘法 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 特點 擬合精度高 計算復雜 2 2 6線性度 最小二乘法 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 7遲滯 遲滯特性說明傳感器加載 輸入量增大 和卸載 輸入量減小 輸入 輸出特性曲線不重合的程度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 例 一電子秤增加砝碼10g 50g 100g 200g電橋輸出0 5mv 2mv 4mv 10mv減砝碼輸出1mv 3mv 6mv 10mv 2 2 7遲滯 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 8 重復性 重復性是指傳感器輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 衡量測量結(jié)果分散性的指標 即隨機誤差大小的指標 準確度 精度 表征測試系統(tǒng)的測量結(jié)果與被測量真值的符合程度 反映了系統(tǒng)誤差和隨機誤差對測試系統(tǒng)的綜合影響 用測量誤差表示 規(guī)定了精度等級指數(shù) 的產(chǎn)品 值越小 精度越高 精度等級由最大引用誤差確定 最大引用誤差是絕對誤差最大絕對值與滿量程之比 2 2 9 準確度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 9 準確度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 量程選擇應使測量值盡可能接近儀表的滿刻度值 并盡量避免讓測量儀表在小于1 3量程范圍內(nèi)工作 2 2 9 準確度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 10穩(wěn)定性和環(huán)境影響穩(wěn)定性 在規(guī)定工作條件范圍內(nèi)和規(guī)定時間內(nèi) 保持輸入信號不變時 系統(tǒng)或儀器性能保持不變的能力 通常用測試系統(tǒng)示值的變化量與時間之比來表示 如一測試儀器輸出電壓在8小時內(nèi)的變化量為1 3mV 則系統(tǒng)的穩(wěn)定度為1 3mV 8h 環(huán)境影響 環(huán)境溫度 濕度 大氣壓 電源電壓 振動等外界因素變化對測量系統(tǒng)或儀器示值的影響 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 11可靠性 裝置在規(guī)定時期內(nèi) 及在保持其運行指標不超限的情況下執(zhí)行其功能的性能 包括 a 平均無故障時間 MeanTimeBetweenFailure MTBF 表示相鄰兩次故障間隔時間的平均值b 可信任概率P 表示在給定時間內(nèi)誤差保持在規(guī)定限度內(nèi)的概率 概率P越大 系統(tǒng)可靠性越高 但是會增加成本 P的最佳值為0 8 0 9 c 故障率或失效率 1 MTBF 平均無故障時間的倒數(shù) d 有效度或可用度A 用MTTR代表平均修復時間 MeanTimetoRepair 若修復時間長 則有效使用時間短 A表示為 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 12符合度 傳感器的輸入輸出特性符合或接近某一參考曲線的性能 常常用于描述非線性傳感器 參考曲線的形式較多 針對不同的傳感器有不同的選擇 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 13總精度 反映的是傳感器實際輸出在一定的置信概率下對其理論特性或工作特性的偏離皆不超過一個范圍 是綜合評價傳感器性能優(yōu)劣的性能綜合指標計算方法 1 均方根法和代數(shù)和法2 極點法 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 13總精度 1 方和根法和代數(shù)和法均方根法 總精度計算偏小代數(shù)和法 總精度計算偏大特點 計算簡單 但由于三種誤差的最大值不一定出現(xiàn)在同一位置上 因此理論根據(jù)不足 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 2 13總精度 2 極點法 從校準實驗數(shù)據(jù)中直接求a 分別求正 反行程i校準點的平均值b 求極限點c 用最佳直線來擬合各極限點d 總精度為最大偏差除以滿量程乘100 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算 2 1傳感器的靜態(tài)特性2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標及其計算2 3傳感器的靜態(tài)標定2 4傳感器的動態(tài)特性2 5一階傳感器的動態(tài)特性2 6二階傳感器的動態(tài)特性 2傳感器的輸入輸出特性 靜態(tài)標定條件 1 對標定環(huán)境的要求2 對所用的標定設備的要求3 標定過程的要求 1 無加速度 無振動 無沖擊 2 溫度在15 25 3 相對濕度不大于85 4 大氣壓力為0 1MPa 2 4傳感器的靜態(tài)標定 2 4 2傳感器的靜態(tài)特性 2 4傳感器的靜態(tài)標定 2 4傳感器的靜態(tài)標定