Sensor and Actuator Characteristics

• 通常用下面四个指标来表示传感器的动态性 能(P37): （1）时间常数τ （2）上升时间tr （3）响应时间t5、t2 （4）超调量

• 2.频域性能指标（P32） 通常在正弦信号作用下测定传感器动 态性能的频域指标，称为频率法。具体方 法是在传感器输入端加恒定幅值的正弦信 号，测出不同频率下稳定输出信号的幅值， 绘制出幅频特性曲线。 频域通常有下面三个动态性能指标： （1）通频带 b （2）工作频带 （3）相位误差
• 2.2传感器的动态特性 传感器的动态特性是指输入量随时间动态变 化时，其输出与输入的关系。传感器所检测的物 理量大多数是时间的函数，为使传感器输出信号 及时准确地反映输入信号的变化，不仅要求它具 有良好的静态特性，还要求它具有良好的动态特 性。 为研究传感器的动态特性，可建立其动态数 学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法，分析 传感器在动态变化的输入量作用下，输出量如何 随时间改变。也常用实验手段研究传感器的动态 特性，即给传感器一个“标准”信号（正弦输入 和阶跃输入），测出其输出随时间的变化关系， 进而得到其各项动态特性技术指标。
1.理想的线性特性 当a0=a2 =a3=…=an=0时，具有这种特性。此时 y=a1x,静态特性曲线是一条直线，传感器的灵敏 度为Sn=y/x=a1=常数 2.非线性项仅有一次项和偶次项 即y= a1x+a2x2+a4x4+… 因不具有对称性，其线性范围较窄，所以在设 计传感器时一般很少采用这种特性。当出现 时，必须采取线性化补偿措施。
• 2.2.1传感器的动态数学模型 要精确建立传感器或其测试系统的数学 模型是很困难的，在工程上采取一些近似， 略去一些影响不大的因素。通常把传感器 看成一个线性时不变系统，用常系数线性 微分方程来描述其输出量y与输入量x之间的 关系。 对于一个复杂的系统或输入信号，求解 微分方程是很难的，常用一些足以反映系 统动态特性的函数，将系统的输出与输入 联系起来，这些函数有传递函数、频率响 应函数和脉冲响应函数等。

传感器的基本特性传感器的基本特件是指传感器的输出与输入之间的关系。

由1—传感器洲量的参数一般有两种形式：一种是不随时间的变化而变化(或变化极其缓慢)的稳态信号，另“种是随N 间的变化而变化的动态信号。

因此传感器的基本特性分为静态特性和动态特性。

件感器的静态特性与指标如下：传感器的静态特件是指化感器输入信号处T低定状态时，其输出与输入之间呈现的关系。

表不力式中，y—一传感器输出量if一传感器输人员AL)——传感器的零位输出；A J——传感器的灵敏座，A：，A√”，A n为非线件项系数。

衡量静态待件的主要指标有精确度、稳定件、灵敏度、线性度、迟滞和可靠性等。

(1)精确皮精确度足反映测旦系统小系统误差和随机误差的综合评走指标。

与精确度有关的指挪有精密度、准确皮利精确度。

①精密度。

说刚测量系统指示值的分散租皮。

精密度反映j’随机误差的大小，精密度高则随机误差小。

②准确度。

说叫测量系统的输山值偏离真值的程度。

避确度炬系统误差大小的标志．脏确度高则系统误差小。

②精确度。

是准确度与ATMEL代理商精密度两者的总和，常用仪表的基本误差表不。

精确度而表示精密度和难确度都而。

Iql—4个的肘市例子有助十对牌确皮、精密度和精确度3个概念的理解。

图(a)表不准确度；苟而精密度低；图(b)大示精密度尚而淮确度低；阎(c)表不准确度和精密度部高。

即它的桔确陵尚。

(2)稳定性传感器的稳定性常用稳定度和影响系数表尔。

①稳定度。

是指在规定I：作条件范围和规定时间内，传感器性能保持不变的能力。

传感器在工作时，内部随机变动的因素很多，例如发生周期性变动、漂移或机械部分的摩擦等都会引起输出值的变化。

稳定度般用甫复件的数值羽I观测时间的长短表示。

例如，某传感器输出电压值每小时变化1．5rnv。

可4成稳定度为1．5n、v儿。

(9影响系数。

是指出于外界环境变化引起传感器输小值变化的足。

一般传感器都有给定的标准工作条件，如环境温度20℃、相对湿度60％、大气压力10]．咒kPa、电源电压22()V等。

传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述什么是传感器？答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。

传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。

另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。

传感器是如何分类的？答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等分类，其中按输入量和工作原理的分类方式应用较为普遍。

①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。

②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。

③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。

改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。

第2章传感器的基本特性什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？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-输出关系中不含时间变量。

衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。

利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。

设压力解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。

解：（2） A = π ( R 2 − r 2 ) = 59.7 ×10−6 m 2
F ∆R1 = ∆R2 = ∆R3 = ∆R4 = k AE R = 0.191Ω
∆R5 = ∆R6 = ∆R7 = ∆R8 = −µ∆R1 = −0.0573Ω
（3）U0 = 1mV
3.7 图 3.5 中，设负载电阻为无穷大（开路），图中，E=4V,
第三章 思考题和习题 3.1 应变电阻式传感器的工作原理是什么？
电阻应变式传感器的工作原理是基于应变效应的。 当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等作用下发生形变，变换 成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变 化，通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量的大小。 3.2 电阻应变片的种类有哪些？各有何特点？ 按组成材料有金属和半导体之分，金属应变片受力时，主要是基于应变效应，是引起 应变片的外形变化进而引起电阻值变化，而半导体应变片时基于压阻效应工作的，当受力时， 引起应变片的电阻率变化进而引起电阻值变化。 按结构形式有丝式和箔式之分。丝式是应变金属丝弯曲成栅式结构，工艺简单，价钱便 宜。箔式是采用光刻和腐蚀等工艺制成的，工艺复杂，精度高，价钱较贵。 3.3 引起电阻应变片温度误差的原因是什么？电阻应变片的温度补偿方法是什么？ 一是电阻温度系数，二是线膨胀系数不同。 单丝自补偿应变片，双丝组合式自补偿应变片，补偿电路 3.4 试分析差动测量电路在应变式传感器中的好处。 灵敏度提高一倍，非线性得到改善。
2.8 某温度传感器为时间常数τ = 3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器
温差的三分之一和二分之一所需的时间。 温差为二分之一时，t=2.08s 温差为三分之一时，t=1.22s 2.9 玻璃水银温度计通过玻璃温包将热量传给水银，可用一阶微分方程来表示。现已知某玻