傳感器的輸入輸出特性.ppt

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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(biāo)及其計(jì)算2 3傳感器的靜態(tài)標(biāo)定2 4傳感器的動(dòng)態(tài)特性2 5一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性2 6二階傳感器的動(dòng)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?yàn)方法所確定的輸入 輸出關(guān)系 這種關(guān)系可依不同情況 用函數(shù)或曲線表示 有時(shí)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(biāo)及其計(jì)算2 3非線性傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)2 4傳感器的靜態(tài)標(biāo)定2 5傳感器的動(dòng)態(tài)特性2 6一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性2 7二階傳感器的動(dòng)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(biāo)及其計(jì)算 2 2 6線性度2 2 7遲滯2 2 8重復(fù)性2 2 9準(zhǔn)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(biāo)及其計(jì)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(biāo)及其計(jì)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(dá)式為 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)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(duì)于輸出為數(shù)字量的傳感器 分辨率可以定義為一個(gè)量化單位或二分之一個(gè)量化單位所對(duì)應(yīng)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(biāo)及其計(jì)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(biāo)零點(diǎn)時(shí)漂 在規(guī)定的條件下 傳感器零點(diǎn)隨時(shí)間的緩慢變化 零點(diǎn)溫漂 溫度變化引起的傳感器零點(diǎn)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(biāo)及其計(jì)算 b 靈敏度溫度系數(shù) 當(dāng)溫度升高時(shí) 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(diǎn)溫度系數(shù) 在工作溫度范圍內(nèi) 環(huán)境溫度每變化1 時(shí) 引起的零點(diǎn)輸出變化與額定輸出的百分比 稱為零點(diǎn)溫度系數(shù) 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)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(shí)際具備的量值 真值是不可確切獲知的 實(shí)際測量中常用 約定真值 和 相對(duì)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(duì)真值是指具有更高精度等級(jí)的計(jì)量器的測量值 標(biāo)稱值 計(jì)量或測量器具上標(biāo)注的量值 如標(biāo)準(zhǔn)砝碼上標(biāo)注的質(zhì)量數(shù) 示值 由測量儀器 設(shè)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(biāo)及其計(jì)算 準(zhǔn)確度 是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機(jī)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(zhǔn)確度是個(gè)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(xué)試驗(yàn)的過程之中 研究誤差的目的是找出適當(dāng)?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(biāo)及其計(jì)算 3 引用誤差 絕對(duì)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(zhǔn)確度等級(jí)分為7級(jí) 指數(shù)a分別為 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 2 相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差與真值之比 在誤差較小時(shí) 可以用測量值代替真值 稱為示值相對(duì)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(biāo)及其計(jì)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(jí)電壓表 量程為300V 求測量值Ux分別為100V和200V時(shí)的最大絕對(duì)誤差 Um和示值相對(duì)誤差 Ux 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)算 2 2 5測量誤差的表示 傳感器的輸入輸出關(guān)系可以用多項(xiàng)式表示 2 2 6線性度 其中 X 輸入量 Y 輸出量 a0 x 0時(shí)的輸出值a1 理想靈敏度a2 a3 an 非線性項(xiàng)系數(shù) 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)算 線性度是指系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)及其計(jì)算 線性度是以一定的擬合直線作基準(zhǔn)與校準(zhǔn)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(jìn)行計(jì)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(biāo)及其計(jì)算 對(duì)于非理想直線特性的傳感器 需要進(jìn)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(biāo)及其計(jì)算 實(shí)際特性上分別對(duì)應(yīng)于測量下限xmin和測量上限xmax的點(diǎn)A和B的連線稱端點(diǎn)擬合直線 特點(diǎn) 方法簡單 但由于數(shù)據(jù)依據(jù)不充分 且計(jì)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(diǎn)法 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)算 把傳感器全量程內(nèi)的所有校準(zhǔn)數(shù)據(jù) 前后分成兩組 分別求出兩組的點(diǎn)系中心 這兩點(diǎn)系中心的連線 就是平均選點(diǎn)法的擬合直線 特點(diǎn) 擬合精度較高 試驗(yàn)點(diǎn)在擬合直線兩側(cè)分布 數(shù)據(jù)處理不復(fù)雜 把斜率和截距代入y a kx中即得到平均選點(diǎn)法擬合直線方程 2 2 6線性度 平均選點(diǎn)法 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)算 把所有校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)都標(biāo)在坐標(biāo)圖上 用最小二乘法擬合的直線y a kx 其校準(zhǔn)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的擬合直線的點(diǎn)之間的殘差平方和為最小 校準(zhǔn)點(diǎn) 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(biāo)及其計(jì)算 特點(diǎn) 擬合精度高 計(jì)算復(fù)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(biāo)及其計(jì)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(biāo)及其計(jì)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(biāo)及其計(jì)算 2 2 8 重復(fù)性 重復(fù)性是指傳感器輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)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(biāo)及其計(jì)算 衡量測量結(jié)果分散性的指標(biāo) 即隨機(jī)誤差大小的指標(biāo) 準(zhǔn)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(jī)誤差對(duì)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(jí)指數(shù) 的產(chǎn)品 值越小 精度越高 精度等級(jí)由最大引用誤差確定 最大引用誤差是絕對(duì)誤差最大絕對(duì)值與滿量程之比 2 2 9 準(zhǔn)確度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)算 2 2 9 準(zhǔn)確度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)算 量程選擇應(yīng)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(zhǔn)確度 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)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(shí)間內(nèi) 保持輸入信號(hào)不變時(shí) 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(shí)間之比來表示 如一測試儀器輸出電壓在8小時(shí)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(dòng)等外界因素變化對(duì)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(biāo)及其計(jì)算 2 2 11可靠性 裝置在規(guī)定時(shí)期內(nèi) 及在保持其運(yùn)行指標(biāo)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(shí)間 MeanTimeBetweenFailure MTBF 表示相鄰兩次故障間隔時(shí)間的平均值b 可信任概率P 表示在給定時(shí)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(huì)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(shí)間的倒數(shù) d 有效度或可用度A 用MTTR代表平均修復(fù)時(shí)間 MeanTimetoRepair 若修復(fù)時(shí)間長 則有效使用時(shí)間短 A表示為 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)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(duì)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(biāo)及其計(jì)算 2 2 13總精度 反映的是傳感器實(shí)際輸出在一定的置信概率下對(duì)其理論特性或工作特性的偏離皆不超過一個(gè)范圍 是綜合評(píng)價(jià)傳感器性能優(yōu)劣的性能綜合指標(biāo)計(jì)算方法 1 均方根法和代數(shù)和法2 極點(diǎn)法 2 2傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)及其計(jì)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(jì)算偏小代數(shù)和法 總精度計(jì)算偏大特點(diǎn) 計(jì)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(biāo)及其計(jì)算 2 2 13總精度 2 極點(diǎn)法 從校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中直接求a 分別求正 反行程i校準(zhǔn)點(diǎn)的平均值b 求極限點(diǎn)c 用最佳直線來擬合各極限點(diǎn)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(biāo)及其計(jì)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(biāo)及其計(jì)算2 3傳感器的靜態(tài)標(biāo)定2 4傳感器的動(dòng)態(tài)特性2 5一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性2 6二階傳感器的動(dòng)態(tài)特性 2傳感器的輸入輸出特性 靜態(tài)標(biāo)定條件 1 對(duì)標(biāo)定環(huán)境的要求2 對(duì)所用的標(biāo)定設(shè)備的要求3 標(biāo)定過程的要求 1 無加速度 無振動(dòng) 無沖擊 2 溫度在15 25 3 相對(duì)濕度不大于85 4 大氣壓力為0 1MPa 2 4傳感器的靜態(tài)標(biāo)定 2 4 2傳感器的靜態(tài)特性 2 4傳感器的靜態(tài)標(biāo)定 2 4傳感器的靜態(tài)標(biāo)定