传感器的线性度:一氧化碳(CO)传感器在四种领域的具体应用

2021/10/31 21:05 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器的线性度:一氧化碳(CO)传感器在四种领域的具体应用已关闭评论
摘要:

传感器的线性度:一氧化碳(CO)传感器在四种领域的具体应用传感器的关键性能参数有多种,其中最为基本的特性参数有:量程、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、带宽,本文将对这些参数进行一一介绍。量程每个传感器都有自身的测量范围,被测量处在这个范围内时,传感器的输出信号才是有一定的准确性的。传感器的量程

传感器的线性度:一氧化碳(CO)传感器在四种领域的具体应用  第1张

传感器的线性度:一氧化碳(CO)传感器在四种领域的具体应用

传感器的关键性能参数有多种,其中最为基本的特性参数有:量程、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、带宽,本文将对这些参数进行一一介绍。
量程
每个传感器都有自身的测量范围,被测量处在这个范围内时,传感器的输出信号才是有一定的准确性的。
传感器的量程XFS、满量程输出值YFS、测量上限Xmax、测量下限Xmin的关系见下图。
灵敏度
传感器的灵敏度是指其输出变化量ΔY与输入变化量ΔX的比值,可以用k表示。对于一个线性度非常高的传感器来说,也可认为等于其满量程输出值YFS与量程XFS的比值。
灵敏度高通常意味着传感器的信噪比高,这将会方便信号的传递、调理及计算。
线性度
传感器的线性度又称非线性误差,是指传感器的输出与输入之间的线性程度。理想的传感器输入-输出关系应该是呈线性的,这样使用起来才最为方便。但实际中的传感器都不具备这种特性,只是不同程度的接近这种线性关系。
实际中有些传感器的输入-输出关系非常接近线性,在其量程范围内可以直接用一条直线来拟合其输入-输出关系。有些传感器则有很大的偏离,但通过进行非线性补偿、差动使用等方式,也可以在工作点附近一定的范围内用直线来拟合其输入-输出关系。
选取拟合直线的方法很多,上图表示的是用最小二乘法求得的拟合直线,这是拟合精度最高的一种方法。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称之为传感器的非线性误差δ,其最大值与满量程输出值YFS的比值即为线性度γL。
迟滞
当输入量从小变大或从大变小时,所得到的传感器输出曲线通常是不重合的。也就是说,对于同样大小的输入信号,当传感器处于正行程或反行程时,其输出值是不一样大的,会有一个差值ΔH,这种现象称为传感器的迟滞。
产生迟滞现象的主要原因包括传感器敏感元件的材料特性、机械结构特性等,例如运动部件的摩擦、传动机构间隙、磁性敏感元件的磁滞等等。
迟滞误差γH的具体数值一般由实验方法得到,用正反行程最大输出差值ΔHmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。
重复性
一个传感器即便是在工作条件不变的情况下,若其输入量连续多次地按同一方向(从小到大或从大到小)做满量程变化,所得到的输出曲线也是会有不同的,可以用重复性误差γR来表示。
重复性误差是一种随机误差,常用正行程或反行程中的最大偏差ΔYmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。
精度
在测试测量过程中,出现误差是不可避免的。误差主要有系统误差和随机误差这两种。
引起系统误差的原因诸如测量原理及算法固有的误差、仪表标定不准确、环境温度影响、材料缺陷等,可以用准确度来反映系统误差的影响程度。
引起随机误差的原因有:传动部件间隙、电子元件老化等,可以用精密度来反映随机误差的影响程度。
精度则是一种反应系统误差和随机误差的综合指标,精度高意味着准确度和精密度都高。
一种较为常用的评定传感器精度方法是用线性度、迟滞和重复性这三项误差值的方根来表示。
分辨率
传感器的分辨率代表它能探测到的输入量变化的最小值。比如一把直尺,它的最小刻度为1mm,那么它是无法分辨出两个长度相差小于1mm的物体的区别的。
有些采用离散计数方式工作的传感器,例如光栅尺、旋转编码器等,它们的工作原理就决定了其分辨率的大小。有些采用模拟量变化原理工作的传感器,例如热电偶、倾角传感器等,它们在内部集成了A/D功能,可以直接输出数字信号,因此其A/D的分辨率也就限制了传感器的分辨率。
有些采用模拟量变化原理工作的传感器,例如电流传感器、电涡流位移传感器等,其输出为模拟信号,从理论上来讲它们的分辨率为无限小。但实际上,当被测量的变化值小到一定程度时,其输出量的变化值和噪声是处于同一水平的,已没有意义了,这也相当于限制了传感器的分辨率。
零点漂移
在传感器的输入量恒为零的情况下,传感器的输出值仍然会有一定程度的小幅变化,这就是零点漂移。引起零点漂移的原因有很多,比如传感器内敏感元件的特性随时间而变化、应力释放、元件老化、电荷泄露、环境温度变化等。其中,环境温度变化引起的零点漂移是最为常见的现象。
带宽
在实际应用中,大量的被测量是时间变化的动态信号,比如电流值的变化、物体位移的变化、加速度的变化等。这就要求传感器的输出量不仅要能够精确地反映被测量的大小,还要能跟得上被测量变化的快慢,这就是指传感器的动态特性。
从传递函数的角度来看,大多数传感器都可以简化为一个一阶或二阶环节,因此,通常可以用带宽来大概反映出其动态特性。
如下图所示,在传感器的带宽范围内,其输出量的幅值在一定范围内有个小幅变化(最大衰减为0.707)。因此,当输入值做正弦变化时,通常认为输出值是可以正确反映输入值的,但是当输入值变化的频率更高时,输出值将会产生明显的衰减,导致较大的测量失真。
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传感器的线性度:如何计算传感器的线性度

计算公式为:δ=ΔYmax/ Y*100%
测试系统的输出与输入系统能否像理想系统那样保持正常值比例关系(线性关系)的一种度量。
根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件,扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时,各电阻值将发生变化,电桥就会产生相应的不平衡输出。
扩展资料:
实测曲线与理想直线之间的偏差;精度由传感器的基本误差极限和影响量(如温度变化、湿度变化、电源波动、频率改变等)引起的改变量极限确定。
敏感元件直接感受被测量,并输出与被测量有确定关系的物理量信号;转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制;转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。
参考资料来源:百度百科--线性度
参考资料来源:百度百科--传感器

  计算传感器的线性度可以用以下公式:
  在规定条件下,传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差(ΔYmax)与满量程输出(Y)的百分比,称为线性度(线性度又称为“非线性误差”),该值越小,表明线性特性越好。表示为公式如下:
  δ=ΔYmax/ Y*100%

试验法~一个一个点的测量传感器的测量值与输出值的比值,这个值变化率越小也就是线性度越好,可能表达的不怎么好 请见谅
传感器的线性度:一氧化碳(CO)传感器在四种领域的具体应用  第2张

传感器的线性度:线性度

线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标,以被测输入量处于稳定状态为前提。在规定条件下,传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差(ΔYmax)与满量程输出(Y)的百分比,称为线性度(线性度又称为“非线性误差”),该值越小,表明线性特性越好。以上说到了“拟合直线”的概念,拟合直线是一条通过一定方法绘制出来的直线,求拟合直线的方法有:端基法、最小二乘法等等。精度:由传感器的基本误差极限和影响量(如温度变化、湿度变化、电源波动、频率改变等)引起的改变量极限确定。

传感器的线性度:麦克传感将携多种智慧物联解决方案亮相IOTE2021深圳物联网展

之前麦克传感有讲解了什么叫做传感器的“温漂”,然而一个高精度的传感器除了“温漂”以外,需要考察的性能可远不止此,非线性度就是其中重要的性能指标之一。
为什么需要关注压力传感器的非线性问题?压力传感器是压力变送器的核心部件,目前常用的压力传感器是压阻式压力传感器,而其输出信号存在着很大的非线性,会直接影响压力变送器的性能和测量精度。
那什么是传感器的非线性?从定义上来讲,传感器的非线性是指随着压力变化,压力传感器输出呈现一条特性曲线,这条曲线与拟合直线的最大偏差值与该传感器的满量程输出之间百分比叫做非线性度,这一百分比的大小决定了传感器非线性优劣,简单直观的理解上来说,就是指输出的特性曲线与拟合直线偏离程度为非线性度。
为什么压力传感器会产生非线性问题呢?压阻式压力传感器常用桥式测量电路(惠思登电桥),如下图所示,
在初始状态时,四个桥臂电阻值保持一致,当输入外力作用时,桥臂电阻平衡状态就会打破,此时输出端就会出现电位差,输出电压的大小与供电电压以及桥臂电阻的相对变化量成一定比例,这个桥臂电阻的相对变化量就决定着传感器非线性的大小。
而每个压阻式压力传感器在制造过程中采用一些特殊工艺,如老化、压力冲击、焊接等,均会对传感器性能产生不同程度的影响,再者,扩散硅芯片在实际生产工艺中,4个桥臂电阻值很难保持绝对一致,因此,每只传感器都有标称的非线性度。
既然非线性如此重要,那如何计算出传感器的非线性数值呢?首先,让传感器在规定温度环境下,给压力传感器加压测试,从零点加到满量程,待压力稳定后降压,返回零点。然后在包括传感器测量上、下限的全量程范围内,选择均匀分布的6~11个试验点进行测试,并且重复三次或三次以上的升、降压校准循环测试。
测试数据如下图所示:
在采集数据完毕后,我们就需要进行非线性指标的计算,常用的非线性指标计算方法有最佳直线法、端基法和最小二乘法两种,麦克传感采用最小二乘法来进行非线性指标计算。
看到这,你对压力传感器非线性有了解了吗?那么下一步,我们将介绍如何优化压力传感器的非线性?容我今天在这里先卖个关子,我们下期不见不散!
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