传感器及检测技术.pptx

教材介绍本书包括自动检测技术的基本知识、传感器原理与应用、检测仪表以及自动检测的新进展和共性技术四部分内容。p第一部分介绍传感器与检测技术的基本概念、测量误差与数据处理以及传感器的静动态特性和标定方法。p第二部分介绍电阻式传感、变阻抗式传感器、光电式传感器和电势式传感器的工作原理与应用。p第三部分介绍温度检测、流量检测和成分量检测。p第四部分介绍误差修正技术、现场总线、虚拟仪器和多传感器数据融合等。上一页下一页返 回第1章 绪论l1.1 自动检测技术概述自动检测技术概述l1.2 传感器概述传感器概述l1.3 测量误差与数据处理测量误差与数据处理l1.4 传感器的一般特性传感器的一般特性l1.5 传感器的标定和校准传感器的标定和校准上一页返 回下一页1.1 自动检测技术概述1.1.1 自动检测技术的重要性自动检测技术的重要性1.1.2 自动检测系统的组成自动检测系统的组成1.1.3 自动检测技术的发展趋势自动检测技术的发展趋势上一页下一页返 回上一页下一页返 回1.1.1 自动检测技术的重要性l测试手段就是仪器仪表。测试手段就是仪器仪表。在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。和快速地测得非电量的技术。l非电量电测量技术优点：非电量电测量技术优点：测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。仪表、能实现自动检测与转换等。l 机械制造业机械制造业l 化工行业化工行业l 烟草行业烟草行业l 环境保护等部门环境保护等部门l 现代物流行业现代物流行业l 科学研究和产品开发中科学研究和产品开发中l 文物保护领域文物保护领域l综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本之木。控制就成为无源之水，无本之木。上一页返 回下一页1.1.2 自动检测系统的组成图1.1.1 测量系统的组成 上一页返 回下一页传感器测量电路输出单元被测量l传感器传感器：把被测非电量转换成为与之有：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。量（通常为电量）的测量装置。l测量电路测量电路：把传感器输出的变量变换成：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。够作为控制系统的检测或反馈信号。l输出单元输出单元：指示仪、记录仪、累加器、：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。报警器、数据处理电路等。上一页返 回下一页1.1.3 自动检测技术的发展趋势（1）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。（2）开发新型传感器。）开发新型传感器。（3）开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。）开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。（4）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。度、自动化水平进一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。上一页返 回下一页1.2 传感器概述l1.2.1 1.2.1 传感器的定义传感器的定义l1.2.2 1.2.2 传感器的组成传感器的组成l1.2.3 1.2.3 传感器分类传感器分类上一页下一页返 回1.2.1 传感器的定义l根据中华人民共和国国家标准（根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）l传感器（传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。号的器件和装置。上一页下一页返 回包含的概念：传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。上一页下一页返 回1.2.1.2.2 2传感器的组成传感器的组成l敏感元件敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量l转换电路转换电路 上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出敏感元件转换元件转换电路被测量电量上一页下一页返 回1.2.3 1.2.3 传感器分类传感器分类工作机理：物理型、化学型、生物型物理型传感器：物理基础的基本定律。场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律构成原理结构型:物理学中场的定律物性型:物质定律能量转换能量控制型能量转换型物理原理用 途：位移、压力、振动、温度上一页下一页返 回1.3 测量误差与数据处理测量误差与数据处理1.3.1 测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类1.3.2 精度精度1.3.3 测量误差的表示方法测量误差的表示方法1.3.4 随机误差随机误差1.3.5 系统误差系统误差1.3.6 粗大误差粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法数据处理的基本方法上一页下一页返 回1.3.1 测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类l1.有关测量技术中的部分名词有关测量技术中的部分名词l2.误差的分类误差的分类上一页下一页返 回1.有关测量技术中的部分名词有关测量技术中的部分名词（1）等精度测量：）等精度测量：（2）非等精度测量：）非等精度测量：（3）真值：）真值：（4）实际值：）实际值：（5）标称值：）标称值：（6）示值：）示值：（7）测量误差：）测量误差：上一页下一页返 回2.误差的分类误差的分类（1）系统误差）系统误差（2）随机误差）随机误差（3）粗大误差）粗大误差上一页下一页返 回1.3.2 精度精度反映测量结果与真值接近程度的量反映测量结果与真值接近程度的量 (1)准确度准确度 (2)精密度精密度 (3)精确度精确度 对对于于具具体体的的测测量量，精精密密度度高高的的而而准准确确度度不不一一定定高高，准准确确度度高高的的精精密密度度不不一一定定高高，但精确度高，则精密度和准确度都高。但精确度高，则精密度和准确度都高。上一页下一页返 回1.3.3 测量误差的表示方法l(1)绝对误差绝对误差l(2)相对误差相对误差上一页下一页返 回(1)绝对误差绝对误差l绝绝对对误误差差是是示示值值与与被被测测量量真真值值之之间间的的差差值值。设设被被测测量量的的真真值值为为A0，器器具具的的标标称称值值或或示示值值为为x，则绝对误差为，则绝对误差为 （1.3.1）l由由于于一一般般无无法法求求得得真真值值A0，在在实实际际应应用用时时常常用用精精度度高高一一级级的的标标准准器器具具的的示示值值，即即实实际际值值A代代替替真真值值A0。x与与A之之差差称称为为测测量量器器具具的的示示值值误误差差，记为记为 （1.3.2）l通常以此值来代表绝对误差。通常以此值来代表绝对误差。上一页下一页返 回修正值修正值l为为了了消消除除系系统统误误差差用用代代数数法法加加到到测测量量结结果果上上的的值值称称为为修修正正值值，常常用用C表表示示。将将测测得得示示值值加加上上修修正正值值后后可可得得到到真值的近似值，即真值的近似值，即 A0=x+C （1.3.3）由此得由此得C=A0-x （1.3.4）l在在实实际际工工作作中中，可可以以用用实实际际值值A近近似似真真值值A0，则则（1.3.4）式变为）式变为C=A-x=-x （1.3.5）l修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修正修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修正值可以消除该误差的影响值可以消除该误差的影响 上一页下一页返 回(2)相对误差相对误差l相相对对误误差差是是绝绝对对误误差差与与被被测测量量的的约约定定值值之比。相对误差有以下表现形式：之比。相对误差有以下表现形式：实际相对误差。实际相对误差。示值相对误差。示值相对误差。满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差 上一页下一页返 回l 实际相对误差。实际相对误差。（1.3.6）l 示值相对误差。示值相对误差。（1.3.7）l 满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差上一页下一页返 回最大允许误差最大允许误差l指指示示仪仪表表的的最最大大满满度度误误差差不不许许超超过过该该仪仪表表准准确确度度等等级级的的百分数，即百分数，即 （1.3.9）当示值为当示值为x时可能产生的最大相对误差为时可能产生的最大相对误差为 （1.3.11）用用仪仪表表测测量量示示值值为为x的的被被测测量量时时，比比值值越越大大，测测量量结结果果的的相相对对误误差差越越大大。选选用用仪仪表表时时要要考考虑虑被被测测量量的的大大小小越越接接近近仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。上一页下一页返 回1.3.4 随机误差随机误差1.正态分布正态分布2.随机误差的评价指标随机误差的评价指标3.测量的极限误差测量的极限误差上一页下一页返 回1.正态分布正态分布l随机误差是以不可预定的方式变化着的随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律误差，但在一定条件下服从统计规律 上一页下一页返 回正态分布的随机误差分布规律正态分布的随机误差分布规律（1）对称性。）对称性。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。（2）单峰性。）单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。（3）有界性。）有界性。一一定定的的测测量量条条件件下下，随随机机误误差差的的绝绝对对值值不不会会超超过过一一定定界界限。限。（4）抵偿性。）抵偿性。随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。上一页下一页返 回2.随机误差的评价指标随机误差的评价指标l由由于于随随机机误误差差大大部部分分按按正正态态分分布布规规律律出出现现的的，具具有有统统计计意意义义，通通常常以以正正态态分分布布曲曲线线的的两两个个参参数数算算术术平平均均值值和和均均方方根根误误差作为评价指标。差作为评价指标。（1）算术平均值）算术平均值 （2）标准差）标准差上一页下一页返 回（1）算术平均值）算术平均值 当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平均值即等于真值，事实上是不可能无限次测量，即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加，算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。上一页下一页返 回()标准差标准差l 测量列中单次测量的标准差测量列中单次测量的标准差l 测量列算术平均值的标准差测量列算术平均值的标准差上一页下一页返 回 测量列中单次测量的标准差测量列中单次测量的标准差在等精度测量列中，单次测量的标准差 （1.3.18）式中，n测量次数；每次测量中相应各测量值的随机误差。上一页下一页返 回图1.3.2 三种不同值的正态分布曲线实际工作中用残差来近似代替随机误差求标准差的估计值 贝塞尔（Bessel）公式 上一页下一页返 回 测量列算术平均值的标准差测量列算术平均值的标准差式中，算术平均值标准差（均方根误差）；测量列中单次测量的标准差；n 测量次数当测量次数n愈大时，算术平均值愈接近被测量的真值，测量精度也越高。上一页下一页返 回.测量的极限误差测量的极限误差l测测量量的的极极限限误误差差是是极极端端误误差差，检检测测量量结结果果的的误误差差不不超超过过该该极极端端误误差差的的概概率率P，并并使使出出现现概概率率为为（-P）误误差差超超过过该该极极端端误差的检测量的测量结果可以忽略。误差的检测量的测量结果可以忽略。（1）单次测量的极限误差）单次测量的极限误差 （2）算术平均值的极限误差）算术平均值的极限误差上一页下一页返 回（1）单次测量的极限误差随机误差在至范围内概率为：经变换，(1.3.22）式为若某随机误差在t 范围内出现的概率为2(),则超出该误差范围的概率为上一页下一页返 回表1.3.1几个典型 t值的概率情况分析t|=t不超出|的概率2（）超出|的概率1-2（）0.670.670.49720.5028110.68260.3174220.95440.0456330.99730.0027440.99990.0001上一页下一页返 回图1.3.3 单次测量列极限误差 当t=3时，即|=时,误差不超过|的概率为99.73%,通常把这个误差称为单次测量的极限误差limx,即limx=3 上一页下一页返 回（2）算术平均值的极限误差l测量列的算术平均值与被测量的真值之差测量列的算术平均值与被测量的真值之差 l当当多多个个测测量量列列算算术术平平均均值值误误差差为为正正态态分分布布时时，得得到到测测量列算术平均值的极限误差表达式为量列算术平均值的极限误差表达式为 式中的式中的t为置信系数，为算术平均值的标准差。为置信系数，为算术平均值的标准差。通常取t=3,则上一页下一页返 回1.3.5 系统误差l1.系统误差的发现系统误差的发现l2.系统误差的削弱和消除系统误差的削弱和消除上一页下一页返 回1.系统误差的发现（1）理论分析及计算）理论分析及计算（2）实验对比法）实验对比法（3）残余误差观察法）残余误差观察法（4）残余误差校核法）残余误差校核法（5）计算数据比较法）计算数据比较法上一页下一页返 回l（1）理论分析及计算）理论分析及计算因因测测量量原原理理或或使使用用方方法法不不当当引引入入系系统统误误差差时时，可可以以通通过过理理论分析和计算的方法加以修正。论分析和计算的方法加以修正。l（2）实验对比法）实验对比法实实验验对对比比法法是是改改变变产产生生系系统统误误差差的的条条件件进进行行不不同同条条件件的的测测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。l（3）残余误差观察法）残余误差观察法 根根据据测测量量列列的的各各个个残残余余误误差差的的大大小小和和符符号号变变化化规规律律，直直接接由由误误差差数数据据或或误误差差曲曲线线图图形形来来判判断断有有无无系系统统误误差差，这这种种方方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。法主要适用于发现有规律变化的系统误差。上一页下一页返 回（4）残余误差校核法l 用于发现累进性系统误差用于发现累进性系统误差马马利利科科夫夫准准则则：设设对对某某一一被被测测量量进进行行n次次等等精精度度测测量量，按按测测量量先先后后顺顺序序得得到到测测量量值值x1，x2，xn，相相应应的的残残差差为为v1，v2，vn。把把前前面面一一半半和和后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值l 用于发现周期性系统误差用于发现周期性系统误差阿卑阿卑-赫梅特准则：赫梅特准则：则认为测量列中含有周期性系统误差。当存在 设 上一页下一页返 回(5)计算数据比较法l对同一量进行多组测量，得到很多数据，通过对同一量进行多组测量，得到很多数据，通过多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比较结果应满足随机误差条件，否则可认为存在较结果应满足随机误差条件，否则可认为存在系统误差。系统误差。l任意两组结果与间不存在系统误差的标志是任意两组结果与间不存在系统误差的标志是 上一页下一页返 回2.2.系统误差的削弱和消除系统误差的削弱和消除（1）从产生误差源上消除系统误差）从产生误差源上消除系统误差（2）引入修正值法）引入修正值法（3）零位式测量法）零位式测量法（4）补偿法）补偿法（5）对照法）对照法上一页下一页返 回1.3.6 粗大误差l判别粗大误差最常用的统计判别法判别粗大误差最常用的统计判别法：如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1，x2，xd,，xn 其其标标准准差差为为，如如果果其其中中某某一一项项残残差差vd大大于于三三倍倍标标准准差差，即即 则则认认为为vd为为粗粗大大误误差差，与与其其对对应应的的测测量量数数据据xd是是坏坏值值，应从测量列测量数据中删除。应从测量列测量数据中删除。上一页下一页返 回1.3.7 数据处理的基本方法数据处理的基本方法l数数据据处处理理:从从获获得得数数据据起起到到得得出出结结论论为为止止的的整整个个数据加工过程。数据加工过程。常用方法常用方法:列表法、作图法和最小二乘法拟合。列表法、作图法和最小二乘法拟合。l最最小小二二乘乘法法原原理理是是指指测测量量结结果果的的最最可可信信赖赖值值应应在在残残余余误误差差平平方方和和为为最最小小的的条条件件下下求求出出。在在自自动动检检测测系系统统中中，两两个个变变量量间间的的线线性性关关系系是是一一种种最简单、也是最理想的函数关系。最简单、也是最理想的函数关系。上一页下一页返 回设有n组实测数据（xi，yi）(i=1，2，n)，其最佳拟合方程(回归方程)为 y=A+Bx (1.1.37)式中，A为直线的截距；B为直线的斜率。根据最小二乘法原理，要使 为最小，取其对A、B求偏导数，并令其为零，可得两个方程，联立两个方程可求出A,B的唯一解。上一页下一页返 回1.4 传感器的一般特性l1.4.1 1.4.1 传感器的静特性传感器的静特性l1.4.2 1.4.2 传感器的动特性传感器的动特性上一页下一页返 回1.4.1 1.4.1 传感器的静特性传感器的静特性输出与输入间关系 微分方程微分方程静特性：输入量为常量，或变化极慢动特性：输入量随时间较快地变化时微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，可得到静特性静特性（动特性的特例）表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。上一页下一页返 回静特性指标一、一、线性度线性度二、二、灵敏度灵敏度三、三、迟滞迟滞四、四、重复性重复性五、五、零点漂移零点漂移六、六、温度漂移温度漂移上一页下一页返 回1、线性度l静特性静特性输 出 量输 入 量零点输出理论灵敏度非线性项系数直线拟合线性化 非线性误差或线性度最大非线性误差 满量程输出上一页下一页返 回直线拟合线性化l出发点出发点 获得最小的非线性误差获得最小的非线性误差拟合方法拟合方法：理论拟合；过零旋转拟合；端点连线拟合；端点连线平移拟合；最小二乘拟合；最小包容拟合上一页下一页返 回理论拟合理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说 较大xyLmax上一页下一页返 回过零旋转拟合过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使xyL2L1上一页下一页返 回端点连线拟合端点连线拟合l把输出曲线两端点的连线作为拟合直线把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyLmax上一页下一页返 回端点连线平移拟合端点连线平移拟合l在端点连线拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离基础上使直线平移，移动距离为原先的一半为原先的一半yxLmaxL1上一页下一页返 回最小二乘拟合最小二乘拟合原理:上一页下一页返 回最小二乘拟合方法最小二乘拟合方法xy=kx+by上一页下一页返 回2、灵敏度、灵敏度l传感器输出的变化量与引起该变化量的传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度输入变化量之比即为其静态灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力上一页下一页返 回表征传感器对输入量变化的反应能力(a)线性传感器 (b)非线性传感器 图 1.4.2 传感器的灵敏度 上一页下一页返 回3、迟滞、迟滞l正（输入量增大）反（输入量减小）行正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞程中输出输入曲线不重合称为迟滞 正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差表示检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。上一页下一页返 回迟滞特性迟滞特性xHmaxY上一页下一页返 回4 4、重复性、重复性l传感器在输入按同一方向连续多次变动传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度时所得特性曲线不一致的程度正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差取较大者为上一页下一页返 回 重复特性重复特性xRmax1Rmax2y上一页下一页返 回5.零点漂移零点漂移 l传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移长时间工作稳定性或零点漂移零漂 式中Y0最大零点偏差；YFS 满量程输出。上一页下一页返 回6、温漂温漂 l传感器在外界温度下输出量发出的变化传感器在外界温度下输出量发出的变化温漂 式中max 输出最大偏差；T 温度变化范围；YFS 满量程输出。上一页下一页返 回1.4.2 传感器的动态特性传感器的动态特性l传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。现变化着的输入量的能力。l研研究究传传感感器器的的动动态态特特性性主主要要是是从从测测量量误误差差角角度度分析产生动态误差的原因以及改善措施。分析产生动态误差的原因以及改善措施。时域时域：瞬态响应法：瞬态响应法频域频域：频率响应法：频率响应法 上一页下一页返 回1.瞬态响应特性瞬态响应特性 l在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。l理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应保持阶跃输入信号在传感器特性程实验时，应保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。曲线的线性范围内。上一页下一页返 回 一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应l设设x(t)、y(t)分分别别为为传传感感器器的的输输入入量量和和输输出出量量，均均是是时时间间的的函函数数，则则一一阶阶传传感感器器的的传传递递函函数为数为式中式中 时间常数；时间常数；K静态灵敏度。静态灵敏度。由由于于在在线线性性传传感感器器中中灵灵敏敏度度K为为常常数数，在在动动态态特特性性分分析析中中，K只只起着使输出量增加起着使输出量增加K倍的作用。讨论时采用倍的作用。讨论时采用 K=1。上一页下一页返 回对于初始状态为零的传感器，当输入为单位阶跃信号时，X(s)=1/s,传感器输出的拉氏变换为则一阶传感器的单位阶跃响应为一阶传感器的时间常数越小越好上一页下一页返 回 二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的传递函数为 式中 n 传感器的固有频率；传感器的阻尼比。在单位阶跃信号作用下，传感器输出的拉氏变换为上一页下一页返 回对Y（s）进行拉氏反变换，即可得到单位阶跃响应。图1.4.6为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。传感器的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率n。在实际使用中，为了兼顾有短的上升时间和小的超调量，一般传感器都设计成欠阻尼式的，阻尼比一般取在0.60.8之间。带保护套管的热电偶是一个典型的二阶传感器。上一页下一页返 回 瞬态响应特性指标瞬态响应特性指标l时时间间常常数数是是描描述述一一阶阶传传感感器器动动态态特特性性的的重重要要参参数数，越小，响应速度越快。越小，响应速度越快。二阶传感器阶跃响应的典型性能指标可由图二阶传感器阶跃响应的典型性能指标可由图1.4.7表示，表示，上一页下一页返 回各指标定义各指标定义各指标定义各指标定义如下：如下：上上升升时时间间tr 输输出出由由稳稳态态值值的的10%变变化化到到稳稳态态值值的的90%所用的时间。所用的时间。响响应应时时间间ts 系系统统从从阶阶跃跃输输入入开开始始到到输输出出值值进进入入稳态值所规定的范围内所需要的时间。稳态值所规定的范围内所需要的时间。峰峰值值时时间间tp 阶阶跃跃响响应应曲曲线线达达到到第第一一个个峰峰值值所所需需时间。时间。超超调调量量 传传感感器器输输出出超超过过稳稳态态值值的的最最大大值值A，常用相对于稳态值的百分比常用相对于稳态值的百分比表示。表示。上一页下一页返 回2.频率响应特性频率响应特性l传感器对正弦输入信号的响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性频频率率响响应应法法是是从从传传感感器器的的频频率率特特性性出出发发研研究究传传感器的动态特性。感器的动态特性。（1）零阶传感器的频率特性）零阶传感器的频率特性（2）一阶传感器的频率特性）一阶传感器的频率特性（3）二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性（4）频率响应特性指标）频率响应特性指标 上一页下一页返 回（1）零阶传感器的频率特性）零阶传感器的频率特性零阶传感器的传递函数为频率特性为零阶传感器的输出和输入成正比，并且与信号频率无关。因此，无幅值和相位失真问题，具有理想的动态特性。电位器式传感器是零阶系统的一个例子。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似的当作零阶系统来处理。上一页下一页返 回 一阶传感器的频率特性一阶传感器的频率特性将一阶传感器的传递函数中的s用j代替，即可得到频率特性表达式 幅频特性 相频特性 上一页下一页返 回(a)幅频特性 (b)相频特性 1.4.8 一阶传感器的频率特性时间常数越小，频率响应特性越好。当 1时，A()1，()，表明传感器输出与输入为线性关系，相位差与频率成线性关系，输出 y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。因此，减小可以改善传感器的频率特性。上一页下一页返 回 二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性 二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为 上一页下一页返 回图 1.4.9 二阶传感器的频率特性 上一页下一页返 回 频率响应特性指标频率响应特性指标 频带频带 传传感感器器增增益益保保持持在在一一定定值值内内的的频频率率范范围围，即即对对数数幅幅频频特特性性曲曲线线上上幅幅值值衰衰减减3dB时时所所对对应应的的频频率率范范围围，称称为为传传感感器器的的频带或通频带，对应有上、下截止频率。频带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数时间常数 用用时时间间常常数数来来表表征征一一阶阶传传感感器器的的动动态态特特性性，越越小小，频频带带越宽。越宽。固有频率固有频率n 二阶传感器的固有频率二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。表征了其动态特性。上一页下一页返 回1.5 传感器的标定和校准l传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。件下的误差关系。传感器的标定工作传感器的标定工作可分为如下几个方面，可分为如下几个方面，1.新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；设计的重要依据；2.经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。上一页下一页返 回传感器的标定传感器的标定 l静态标定静态标定:目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。灵敏度、滞后和重复性等。l动态标定动态标定:目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。应、时间常数、固有频率和阻尼比等。上一页下一页返 回1.5 传感器的标定和校准传感器的标定和校准1.5.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定1.5.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定1.5.3 压力传感器的静态标定压力传感器的静态标定1.5.4 压力传感器的动态标定压力传感器的动态标定1.5.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定 1.静态标准条件静态标准条件2.标定仪器设备精度等级的确定标定仪器设备精度等级的确定3.静态特性标定的方法静态特性标定的方法上一页下一页返 回1.静态标准条件静态标准条件 l没没有有加加速速度度、振振动动、冲冲击击（除除非非这这些些参参数数本本身身就就是是被被测测物物理理量量）及及环环境境温温度度一一般般为为室室温温（205）、相相对对湿湿度度不不大大于于85%，大气压力为，大气压力为1017kPa的情况。的情况。上一页下一页返 回2.标定仪器设备精度等级的确定标定仪器设备精度等级的确定l对对传传感感器器进进行行标标定定，是是根根据据试试验验数数据据确确定定传传感感器器的的各各项项性性能能指指标标，实实际际上上也也是是确确定定传传感感器器的的测量精度。测量精度。l标标定定传传感感器器时时，所所用用的的测测量量仪仪器器的的精精度度至至少少要要比比被被标标定定的的传传感感器器的的精精度度高高一一个个等等级级。这这样样，通通过过标标定定确确定定的的传传感感器器的的静静态态性性能能指指标标才才是是可可靠的，所确定的精度才是可信的。靠的，所确定的精度才是可信的。上一页下一页返 回3.静态特性标定的方法静态特性标定的方法标定过程步骤标定过程步骤标定过程步骤标定过程步骤：将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；根根据据传传感感器器量量程程分分点点情情况况，由由小小到到大大逐逐渐渐一一点点一一点点的的输输入入标标准准量量值值，并记录下与各输入值相对应的输出值；并记录下与各输入值相对应的输出值；将将输输入入值值由由大大到到小小一一点点一一点点的的减减少少，同同时时记记录录下下与与各各输输入入值值相相对对应应的输出值；的输出值；按按、所所述述过过程程，对对传传感感器器进进行行正正、反反行行程程往往复复循循环环多多次次测测试试，将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成曲线；将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成曲线；对对测测试试数数据据进进行行必必要要的的处处理理，根根据据处处理理结结果果就就可可以以确确定定传传感感器器的的线线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。上一页下一页返 回1.5.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定l主主要要研研究究传传感感器器的的动动态态响响应应，而而与与动动态态响响应应有有关关的的参参数数，一一阶阶传传感感器器只只有有一一个个时时间间常常数数，二二阶阶传传感感器器则则有有固固有有频频率率n和和阻阻尼尼比比两两个个参参数。数。l标准激励信号标准激励信号:阶跃变化和正弦变化的输入信号阶跃变化和正弦变化的输入信号上一页下一页返 回一阶传感器的单位阶跃响应函数为则上式可变为z和时间t成线性关系，并且有=t/z 可以根据测得的y(t)值作出z t曲线，并根据t/z的值获得时间常数 一阶传感器时间常数的求法 上一页下一页返 回二阶传感器（1）的单位阶跃响应为 上一页下一页返 回如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个过冲量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比，其中n是该两峰值相隔的周期数（整数）。当0.1时，以1代替，此时不会产生过大的误差（不大于0.6%）,则可用式(1.5.8)计算，即上一页下一页返 回若传感器是精确的二阶传感器，则n值采用任意正整数所得的值不会有差别。反之，若n取不同值获得不同的值，则表明该传感器不是线性二阶系统。根据响应曲线测出振动周期Td，有阻尼的固有频率d为则无阻尼固有频率n为上一页下一页返 回利用正弦输入，测定输出和输入的幅值比和相位差来确定传感器的幅频特性和相频特性，然后根据幅频特性，分别按下图求得一阶传感器的时间常数和欠阻尼二阶传感器的固有频率和阻尼比。由幅频特性求时间常数 欠阻尼二阶传感器的n和上一页下一页返 回1.5.3 压力传感器的静态标定压力传感器的静态标定l常常用用的的标标定定装装置置有有：活活塞塞压压力力计计、杠杠杆杆式式和和弹弹簧测力计式压力标定机。簧测力计式压力标定机。1.5.5 活塞压力计标定压力传感器的示意图1-标准压力表 2砝码 3活塞 4进油阀 5油杯 6被标传感器 7针形阀 8手轮 9手摇压力泵上一页下一页返 回 图 1.5.6 压力标定曲线 上述标定方法不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计的加载过程时间太长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重影响其标定精度。所以，对压电式测压系统一般采用杠杆式压力标定机或弹簧测力计式压力标定机。为了保证压力传感器的测量准确度，需定期检定，检定周期最长不超过一年。上一页下一页返 回1.5.4 压力传感器的动态标定压力传感器的动态标定l给给传传感感器器加加一一个个特特性性已已知知的的校校准准动动压压信信号号作作为为激激励励源源，从从而而得得到到传传感感器器的的输输出出信信号号，经经计计算算分析、数据处理，即可确定传感器的频率特性。分析、数据处理，即可确定传感器的频率特性。压力传感器在标定时广泛采用压力传感器在标定时广泛采用激波管激波管法方法。法方法。激波管法三大特点激波管法三大特点：压力幅度范围宽，便于改变压力值；压力幅度范围宽，便于改变压力值；频率范围宽频率范围宽(2kHz 2.5MHz)；便于分析研究和数据处理。便于分析研究和数据处理。上一页下一页返 回1.激波管标定装置工作原理激波管标定装置工作原理图 1.5.7 激波管标定装置系统原理框图1-高压室 2-低压室 3-膜片 4-侧面被标定的传感器 5-底面被标定的传感器 6、7-测速压力传感器8-测速前置级 9-数字频率计 10-测压前置级 11-记录装置 12-气源 13-气压表 14-泄气门 上一页下一页返 回激波管标定装置系统激波管标定装置系统l激波管激波管l入射激波测速系统入射激波测速系统l标定测量系统标定测量系统l气源气源上一页下一页返 回传感器在激波的激励下按固有频率产生一个衰减振荡。其波形由显示系统记录下来用以确定传感器的动态特性。图 1.5.8 被标定传感器的输出波形 上一页下一页返 回激激波波管管中中压压力力与与波波动动情情况况(a)膜片爆破前的情况 (b)膜片爆破后稀疏波反射前的情况(b)稀疏波反射后的情况 (d)反射激波的波动情况 上一页下一页返 回2