新型傳感技術第二部分：傳感器的特性主要內容第一部分：基礎知識第二部分：傳感器的特性第三部分：敏感結構的材料與工藝第四部分：敏感結構的建模第五部分：典型傳感器第六部分：傳感器的典型應用2

3第二部分思考題（1）1.利用“極限點法”評估傳感器綜合誤差的意義、方法2.7個基本量溯源的量子化進程3.穩定性指標的意義及提高的措施發表在MOOC討論區里第二部分：傳感器的特性2.1傳感器特性的描述2.2傳感器的標定2.3傳感器靜態性能指標2.4傳感器動態性能指標42.1.1靜態特性的描述5p—傳感器輸出、輸入傳感器輸入輸出特性：曲線、公式、表格2.1.2動態特性的描述61.時域，描述傳感器輸入-輸出的微分方程為2.復頻域，描述傳感器輸入-輸出的傳遞函數為第二部分：傳感器的特性2.1傳感器特性的描述2.2傳感器的標定2.3傳感器靜態性能指標2.4傳感器動態性能指標72.2.1靜態標定的條件81.對標定環境要求2.對所用的標定設備要求3.對標定過程要求(1)無加速度,無振動,無沖擊；(2)溫度在15～25℃；(3)濕度不大于85％RH；(4)大氣壓力為0.1MPa。2.對所用的標定設備要求；7個基本量：長度、質量、時間、溫度、

電流、發光強度、物質量2個輔助量：平面角、球面度2.2.1靜態標定的條件91.對標定環境要求2.對所用的標定設備要求3.對標定過程要求(1)無加速度,無振動,無沖擊；(2)溫度在15～25℃；(3)濕度不大于85％RH；(4)大氣壓力為0.1MPa。2.對所用的標定設備要求；3.對標定過程要求在一定標準條件下，利用一定等級標定設備對傳感器多次往復測試過程

輸入量②x標準標定設備輸出量①ys被校傳感器輸出量③ym；10；利用測試數據，計算傳感器的性能指標

2.2.2靜態標定的結果2.2.3動態標定的條件111.合適的典型輸入信號發生器2.合適的動態信號記錄設備3.合適的數據采集處理系統→動態信號記錄設備固有角頻率不低于被標定傳感器固有角頻率3～5倍，或工作頻帶不低于被標定傳感器工作頻帶

2～3倍振動2.2.3動態標定的條件121.合適的典型輸入信號發生器2.合適的動態信號記錄設備3.合適的數據采集處理系統→數據采集處理系統采樣頻率應高于被標定傳感器固有頻率的10倍132.2.4動態標定的結果階躍輸入響應；回零過渡過程響應；脈沖輸入下的瞬態響應時域動態標定方式正弦輸入的頻域穩態響應：幅值增益(幅頻特性)和相位差(相頻特性)輸入響應；線性調頻響應頻域動態標定方式1.由非周期型階躍響應建立一階傳感器傳遞函數2.由衰減振蕩型階躍響應建立二階傳感器傳遞函數3.由實驗頻率特性獲取一階傳感器傳遞函數4.由有峰值實驗頻率特性獲取二階傳感器傳遞函數傳感器動態模型建立142.2.4動態標定的結果1.由非周期型階躍響應建立一階傳感器傳遞函數當傳感器實際階躍過渡過程曲線與右圖相似時，按一階傳感器處理；靜態增益由靜態標定獲得；時間常數由實驗過渡過程曲線獲得一階傳感器歸一化單位階躍過渡過程、以及經變換后的有關方程為傳感器階躍響應曲線152.2.4動態標定的結果2.由衰減振蕩型階躍響應建立二階傳感器傳遞函數振蕩二階傳感器歸一化階躍響應為

(1)阻尼較小、有振蕩如圖(a)、(b)所示實驗曲線，信息比較豐富利用超調量、峰值時間、上升時間計算固有角頻率和阻尼比進行建模傳感器衰減振蕩型階躍響應曲線162.2.4動態標定的結果2.由衰減振蕩型階躍響應建立二階傳感器傳遞函數振蕩二階傳感器歸一化階躍響應為

(2)振蕩次數不超過半次如圖(c)所示實驗曲線；利用上升時間和峰值時間計算固有角頻率和阻尼比進行建模傳感器衰減振蕩型階躍響應曲線172.2.4動態標定的結果2.由衰減振蕩型階躍響應建立二階傳感器傳遞函數振蕩二階傳感器歸一化階躍響應為

(3)超調量很小如圖(d)所示實驗曲線；在0.8～1.0之間初選一個阻尼比，利用上升時間計算固有角頻率，再檢驗回歸效果傳感器衰減振蕩型階躍響應曲線182.2.4動態標定的結果3.由實驗頻率特性建立一階傳感器傳遞函數基于一階傳感器歸一化幅頻特性取0.707，0.900和0.950時的角頻率，回歸時間常數

一階傳感器幅頻特性曲線利用模型計算幅頻特性，與實驗值進行比較，檢查回歸效果192.2.4動態標定的結果4.由有峰值實驗頻率特性建立二階傳感器傳遞函數如圖為有峰值二階傳感器歸一化幅頻特性，可利用峰值及對應的諧振角頻率，計算阻尼比和固有角頻率；二階傳感器幅頻特性利用模型計算幅頻特性，與實驗值進行比較，檢查回歸效果第二部分：傳感器的特性2.1傳感器特性的描述2.2傳感器的標定2.3傳感器靜態性能指標2.4傳感器動態性能指標201.測量范圍2.量程3.靜態靈敏度4.分辨力與分辨率5.漂移6.溫漂7.傳感器的測量誤差8.線性度9.符合度10.遲滯11.非線性遲滯12.重復性13.綜合誤差2.3傳感器靜態性能指標213.靜態靈敏度2.3傳感器靜態性能指標關于靜態靈敏度的討論224.分辨力與分辨率2.3傳感器靜態性能指標分辨力分辨率針對全測量范圍辨率235.漂移2.3傳感器靜態性能指標→輸出量隨時間變化的現象，又稱時漂反映傳感器的穩定性指標；時間范圍：1小時、1天、1個月、半年或1年等零點漂移滿量程漂移246.溫漂2.3傳感器靜態性能指標→輸出量隨溫度變化的現象零點漂移滿量程漂移257.傳感器的測量誤差2.3傳感器靜態性能指標(絕對誤差)(相對誤差)(針對被測量值)268.線性度2.3傳感器靜態性能指標

理論線性度(絕對)

端基線性度平移端基線性度最小二乘線性度獨立線性度→針對不同的參考直線279.符合度2.3傳感器靜態性能指標(1)應滿足所需要的擬合誤差要求；(2)函數的形式盡可能簡單；(3)選用多項式時，其階次盡可能低→針對不同的參考曲線2810.遲滯2.3傳感器靜態性能指標2911.非線性遲滯2.3傳感器靜態性能指標3012.重復性2.3傳感器靜態性能指標31物理意義（正態分布）綜合考慮正、反行程考慮全部測點3為置信概率系數3s為置信限或隨機不確定度13.綜合誤差2.3傳感器靜態性能指標極限點法以極限點中間值為參考值極限點偏差討論：是否需要考慮參考直線？32第二部分：傳感器的特性2.1傳感器特性的描述2.2傳感器的標定2.3傳感器靜態性能指標2.4傳感器動態性能指標332.4.1傳感器時域動態性能指標被測量為單位階躍信號時傳感器理想輸出為

k——傳感器的靜態增益一階傳感器歸一化單位階躍響應與相對動態誤差分別為——傳感器的穩態輸出342.4.1傳感器時域動態性能指標一階傳感器歸一化單位階躍響應與相對動態誤差一階傳感器歸一化單位階躍響應一階傳感器單位階躍響應相對動態誤差一階傳感器主要時域動態性能指標①

T—時間常數，輸出由零上升到穩態值63%所需時間②

—響應時間，輸出保持在與穩態值偏差絕對值不超過

某一量值的時間；取5%時，約為3T③

—上升時間，輸出由穩態值10%上升到90%所需時間④

—延遲時間，輸出由零上升到50%所需時間352.4.1傳感器時域動態性能指標36對于二階傳感器，階躍響應與其固有角頻率和阻尼比有關二階傳感器歸一化單位階躍響應2.4.1傳感器時域動態性能指標37對于二階傳感器，階躍響應與其固有角頻率和阻尼比有關→可計算不同誤差帶對應的傳感器響應時間一是當阻尼比大于1，為過阻尼無振蕩系統；其歸一化單位階躍響應與相對動態誤差分別為2.4.1傳感器時域動態性能指標38對于二階傳感器，階躍響應與其固有角頻率和阻尼比有關→可計算不同誤差帶對應的傳感器響應時間二是當阻尼比等于1，為臨界阻尼無振蕩系統；其歸一化單位階躍響應與相對動態誤差分別為2.4.1傳感器時域動態性能指標39對于二階傳感器，階躍響應與其固有角頻率和阻尼比有關三是當阻尼比小于1，為欠阻尼振蕩系統；其歸一化單位階躍響應與相對動態誤差分別為→二階傳感器響應以其穩態輸出值為平衡位置衰減振蕩

40對于二階傳感器，階躍響應與其固有角頻率和阻尼比有關三是當阻尼比小于1，為欠阻尼振蕩系統①振蕩次數N：相對誤差曲線幅值超過允許誤差限的次數②峰值時間：誤差曲線由起點到第一個振蕩幅值點的時間間隔二階傳感器歸一化單位階躍響應與包絡線及有關指標示意41對于二階傳感器，階躍響應與其固有角頻率和阻尼比有關三是當阻尼比小于1，為欠阻尼振蕩系統③超調量：峰值時間對應的相對動態誤差值二階傳感器歸一化單位階躍響應與包絡線及有關指標示意④響應時間：根據超調量與動態誤差帶的相互關系計算42對于二階傳感器，階躍響應與其固有角頻率和阻尼比有關三是當阻尼比小于1，為欠阻尼振蕩系統二階傳感器歸一化單位階躍響應與包絡線及有關指標示意2.4.2傳感器頻域動態性能指標43重點討論基于傳感器幅值頻率特性的通頻帶和工作頻帶兩個重要動態性能指標一階傳感器歸一化幅值增益和相位特性分別為

通頻帶：幅值增益對數特性衰減3dB(歸一化幅值增益下降到0.707

)，幅頻特性曲線所對應的頻率范圍

工作頻帶：歸一化幅值誤差小于所規定允許誤差時，幅頻特性曲線所對應的頻率范圍一階傳感器歸一化幅值增益和相位特性2.4.2傳感器頻域動態性能指標44重點討論基于傳感器幅值頻率特性的通頻帶和工作頻帶兩個重要動態性能指標一階傳感器通頻帶和工作頻帶分別為

通頻帶：幅值增益對數特性衰減3dB(歸一化幅值增益下降到0.707

)，幅頻特性曲線所對應的頻率范圍

工作頻帶：歸一化幅值誤差小于所規定允許誤差時，幅頻特性曲線所對應的頻率范圍一階傳感器歸一化幅值增益——所規定的歸一化幅值誤差的允許值2.4.2傳感器頻域動態性能指標45二階傳感器歸一化幅值增益和相位特性分別為二階傳感器歸一化幅值增益和相位特性2.4.2傳感器頻域動態性能指標46二階傳感器歸一化幅值增益和相位特性分別為二階傳感器歸一化幅值增益阻尼比小于0.707，幅頻特性曲線有峰值，傳感器諧振角頻率、諧振峰值以及相角分別為考慮到二階傳感器幅值增益有時產生較大峰值，故二階傳感器的工作頻帶更有意義2.4.2傳感器頻域動態性能指標47如圖給出了固有角頻率對工作頻帶的影響情況，固有角頻率越高，工作頻帶越寬；