传感器特性
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传感器的特性传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。
通常把传感器的特性分为两种:静态特性和动态特性。
静态特性是指输入不随时间而变化的特性,它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。
动态特性是指输入随时间而变化的特性,它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。
一般来说,传感器的输入和输出关系可用微分方程来描述。
理论上,将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时,即可得到静态特性。
因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。
传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外,还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。
1传感器的静特性传感器的输入-输出关系:输入(外部影响:冲振、电磁场、线性、滞后、重复性、灵敏度、误差因素)—传感器—输出(外部影响:温度、供电、各种干扰稳定性、温漂、稳定性(零漂)、分辨力、误差因素)。
人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系,而且最好呈线性关系。
但一般情况下,输入输出不会完全符合所要求的线性关系,因传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等各种因素,以及受外界条件的各种影响。
传感器静态特性的主要指标有:线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等。
2传感器的动特性动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。
很多传感器要在动态条件下检测,被测量可能以各种形式随时间变化。
只要输入量是时间的函数,则其输出量也将是时间的函数,其间关系要用动特性来说明。
设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合适的参数;使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适的使用方法,同时对给定条件下的传感器动态误差作出估计。
总之,动特性是传感器性能的一个重要方面,对其进行研究与分析十分必要。
总的来说,传感器的动特性取决于传感器本身,另一方面也与被测量的形式有关。
(1)规律性的:1)周期性的:正弦周期输入、复杂周期输入;2)非周期性的:阶跃输入、线性输入、其他瞬变输入(2)随机性的:1)平稳的:多态历经过程、非多态历经过程;2)非平稳的随机过程。
1、静态特性指传感器本身具有的特征特点。
研究的几个主要指标有:线性度、精度、重复性、温漂等,通俗讲就是:非线性误差大小、线性误差大小如何、多次应用好坏、受温度变化误差大小等等。
2、动态特性指传感器在应用中输入变化时,它的输出的特性。
用它对某些标准输入信号的响应来表示,即自控理论中的传递函数。
实际工作中,便于工程项目中的采集、控制。
3、稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。
理想的情况是不论什么时候,传感器的特性参数都不随时间变化。
但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会发生改变。
这是因为敏感器件或构成传感器的部件,其特性会随时间发生变化,从而影响传感器的稳定性。
4、线性度通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中,为使仪表具有均匀刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
5、重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。
各条特性曲线越靠近,说明重复性越好,随机误差就越小。
6、灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一个常数。
否则,它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如,某位移传感器,在位移变化1mm时,输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm.当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。
7、分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
传感器的基本特性有以下两种:1.静态特性:线性度、灵敏度、重复性、迟滞性、稳定性、漂移、静态误差等。
2.动态特性:阶跃响应:最大超调量、延滞时间、上升时间、峰值时间、响应时间等。
频率响应:频率特性、幅频特性、相频特性等。
电阻式传感器把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。
它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器(见位移传感器)和锰铜压阻传感器等。
电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。
结构:由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。
电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动,因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
电位器的结构与材料(1)电阻丝: 康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等(2)电刷: 常用银、铂铱、铂铑等金属(3)骨架:常用材料为陶瓷、酚醛树脂、夹布胶木等绝缘材料,骨架的结构形式很多,常用矩形。
应用:电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。
优缺点:电阻式传感器具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。
但是它受环境条件如温度等影响较大,有分辨率不高等不足之处。
分类:电位器式传感器是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为和它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。
成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。
应变片式传感器的工作原理是基于电阻应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。
气敏和湿敏电阻传感器是一种把气体中的特定成分或水蒸气检测出来造成半导体阻值变化的电阻传感器。
电容式传感器:把被测的机械量,如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。