传感器的静、动态特性

传感器有很多特性，所谓特性也就是传感器所独有的性质，压力传感器作为传感器中最普遍的一种传感器也有很多特性，压力传感器的特性一般可分为静态特性和动态特性。

压力传感器的静态特性是指对静态的输入信号，压力传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即压力传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征压力传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

所谓动态特性，是指压力传感器在输入变化时，它的输出的特性。

在实际工作中，压力传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为压力传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。

最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以压力传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

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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：何为传感器的静态特性？主要技术指标是什么？答：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性；其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。

2：何为传感器的动态特性？主要技术指标是什么？答：（1）动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性；描述动态特性的指标：对一阶传感器：时间常数；对二阶传感器：固有频率、阻尼比。

3：什么是金属材料的应变效应？什么是半导体材料的压阻效应？答：①金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。

（②半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。

4：比较金属丝应变片和半导体应变片的相同和不同点。

答：相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。

5：什么事金属应变片的灵敏度系数？答：金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数；（它与金属丝应变灵敏度函数不同，应变片由于由金属丝弯折而成，具有横向效应，使其灵敏度小于金属丝的灵敏度）6：采用应变片进行测量时为什么要进行温度补偿？常用温补方法有哪些？答：①因为金属的电阻本身具有热效应，从而使其产生附加的热应变；（②基底材料、应变片、粘接剂、盖板等都存在随温度增加而长度应变的线膨胀效应，若它们各自的线膨胀系数不同，就会引起附加的由线膨胀引起的应变；常用的温度补偿法有单丝自补偿，双丝组合式自补偿和电路补偿法。

7：固态压阻器件的结构特点是什么？受温度影响会产生那些温度漂移？如何进行补偿？答：（1）固态压阻器件的特点是：属于物性型传感器，是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应好、精度高易于集成化、微型化等特点。

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。

1、什么是传感器的静态特性？它有哪些性能指标？ 如何用公式表征这些性能指标？2、什么是传感器的动态特性？ 其分析方法有哪几种？3、什么是传感器的静特性？主要指标有哪些？有何实际意义？4、什么是传感器的基本特性?传感器的基本特性主要包括哪两大类？解释其定义并分别列出描述这两大特性的主要指标。

(要求每种特性至少列出2种常用指标)1、 答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入-输出关系。

静态特性所描述的传感器的输入、输出关系式中不含有时间变量。

传感器的静态特性的性能指标主要有： ① 线性度：非线性误差maxL FSL 100%Y γ∆=±⨯ ② 灵敏度：yn xd S=d③ 迟滞：max HFSH 100%Y γ∆=⨯ ④ 重复性：maxRFSR 100%Y γ∆=±⨯⑤ 漂移：传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。

2、答：传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

知识点：传感器的动态特性 3、答：传感器的静态特性是当其输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。

传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。

通常人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

知识点：传感器的静态特性 4、答：传感器的基本特性是指传感器的输入-输出关系特性。

传感器的基本特性主要包括静态特性和动态特性。

其中，静态特性是指传感器在稳态信号作用下的输入-输出关系，描述指标有：线性度（非线性误差）、灵敏度、迟滞、重复性和漂移；动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性，主要描述指标有：时间常数、延迟时间、上升时间、峰值时间、响应时间、超调量、幅频特性和相频特性。

实验三电容式传感器静、动态特性实验一、实验目的：1. 了解电容式传感器结构及其特点。

2. 了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。

二、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、低通滤波模板、数显单元、直流稳压源、双踪示波器。

三、实验步骤：1、按实验二的图2-1安装示意图将电容传感器接于电容传感器实验模板上。

2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图3-1。

图3-1 电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元V i相接(插入主控箱V i孔)，R w调节到中间位置。

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表3-1。

5、根据表3-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

6、传感器安装图同实验二图2-1，按图3-1接线。

实验模板输出端V01 接滤波器输入端。

滤波器输出端V，接示波器一个通道（示波器Ｘ轴为20ms/div、Y轴示输出大小而变）。

调节传感器连接支架高度，使Ｖ01输出在零点附近。

7、主控箱低频振荡器输出端与振动源低频输入相接，振动频率选6～12Hz之间，幅度旋钮初始置０。

8、输入±15V电源到实验模板，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中，注意观察示波器上显示的波形。

9、保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率（将低频振荡器输出端与数显Fin输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。

从示波器测出传感器输出的Ｖ01峰－峰值。

保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的Ｖ01峰－峰值。

四、思考题：1、试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？2、为了进一步提高电容传器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计？如何设计成所谓容栅传感器？3、根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量C O和移动0.5mm时的变化量，（本实验外圆半径R=8mm，内圆柱外半径r=7.25mm，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度1=16mm。