感知技术期末考前复习第 2 章传感器的性能与评价

2.2 传感器的误差

2.2.1 理想传感器与实用中局限性

理想传感器

输出量仅对输入量敏感
输入量与输出量呈唯一、稳定的关系（最好线性关系）
输出量可实时反应输入量的变化

实际上不可能达到，只能尽可能控制各种不利因素，使传感器性能尽可能接近理想特性

2.2.2 误差及其来源（重点⚠️）

误差的来源可分为两方面

一方面，传感器本身的误差：非线性、滞后、重复性、漂移（原理、结构设计、生成工艺决定）
另一方面，应用过程中引入：电磁干扰、温度波动、冲击震动、电源波动等。

误差的来源可分为五类

介入误差。传感器元件介入被测系统中得到的测量值和真实值之间的误差。所有的传感器都存在此误差。
应用误差。使用者使用不当；测量系统设计缺陷。
特性参数误差。传感器本事的特性参数决定。
动态误差。动态特性导致：所测参数发生变化后，传感器的反应存在滞后。
环境误差。环境参量：温度、冲击、震动、电磁场、化学腐蚀、电源电压震动

2.3 传感器的静态特性

2.3.1 输出与输入的静态函数关系

输入的两种形态：常量或随时间变化缓慢的量（静态输入量）；输入随时间变化（动态输入量）

传感器输出与输入的静态函数关系可表示为： $y=\sum_{i=0}^na_ix^i$ 。

其中， $a_0$ 为零输入时的输出值， $a_1$ 为线性输出系数（理论灵敏系数），其它的系数为非线性项系数。

三种情况：

除了 $a_1$ 之外其它系数全为 0。
偶次项系数全为 0。是奇函数，并且在原点附近近似认为呈线性关系。
非线性项中奇次项系数全为 0。零点附近灵敏度很小。

差动测量技术

$y(x)$ 和 $y(-x)$ ，相减消去偶次非线性项。

2.3.3 灵敏度与测量范围

灵敏度

线性： $s=\frac{\Delta y}{\Delta x}$

非线性： $s=\frac{dx}{dy}$

量程

输入量最大值和最小值的差

2.3.4 迟滞特征与重复性

迟滞环

迟滞误差定义 $r_H=\pm \frac{\Delta H_{max}}{y_{FS}}\times 100\%$

2.3.5 分辨力与阈值

分辨力：表示能检测到的最小输入增量

分辨率：分辨力与满量程输入之比

阈值：观察不到输出变化的最小输入量。

2.3.6 稳定性

零飘现象：输入值是 0 时，输出向某一方向飘移

时间零飘、零点零飘、灵敏度零飘

2.3.7 综合误差

也称精度，是传感器示值与被测量真值之间的最大偏差。

2.5 传感器的标定

2.5.1 传感器标定的基本概念（重点⚠️）

标定：用已知输入量输入传感器，测量传感器的相应输出量，进而得到传感器输出-输入特性的过程。

在使用或存储后的性能复测称为校准。

传感器的标定实际上是针对整个传感器系统的实验。

传感器的标定步骤

确定一个表达传感器输入-输出信号间关系的数学模型。
设计一个标定实验对传感器施加输入，测量其输出，并特别注意控制标定引入其它信号的影响。
用回归分析法处理标定实验所得数据，确定步骤 1 中的数学模型参数及测量误差。
分析模型，确定其是否合适；如不合适，需要修正或考虑新的数学模型

标定的两种形式

绝对标定：将传感器输出与真实的固定输入比较
相对标定：将传感器输出与已标定的传感器输出进行比较

标定时需要考虑的问题

传感器各模块标准特性参数、标定系统的可操作性、标定系统成本、人工成本、标定数据处理及传感器系统软硬件调整方案

静态标定：评定传感器制标的基本方式

动态标定：用于对传感器动态响应有要求的场合

2.6 传感器的合理选用

三条原则（重点⚠️）

整体需要原则：按照测量系统整体设计要求，所选传感器和测量方法适用于实际场合
高可靠性原则：可靠性首要考虑；在满足性能指标的前提下，尽量采用元器件少的简单方案，使得系统可靠性高
高性价比原则：符合性能要求的同时注重经济性：造价低、维护成本低

2.6.1 合理选择传感器的方法

根据测量对象和使用条件确定传感器类型
线性范围和量程
灵敏度
精度
频率响应特性
稳定性