稱重傳感器的特性是指傳感器的輸入量和輸出量之間的對應關系。通常把傳感器的特性分為兩種:靜態特性和動態特性。
靜態特性是指輸入不隨時間而變化的特性,它表示傳感器在被測量各個值處于穩定狀態下輸入輸出的關系。
動態特性是指輸入隨時間而變化的特性,它表示傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。
一般來說,傳感器的輸入和輸出關系可用微分方程來描述。理論上,將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時,即可得到靜態特性。因此傳感器的靜特性是其動特性的一個特例。
傳感器除了描述輸入與輸出量之間的關系特性外,還有與使用條件、使用環境、使用要求等有關的特性。
一、 傳感器的靜態特性
傳感器的輸入- 輸出關系:輸入(外部影響:沖振、電磁場、線性、滯后、重復性、靈敏度、誤差因素)—傳感器—輸出(外部影響:溫度、供電、各種干擾穩定性、溫漂、穩定性(零漂)、分辨力、誤差因素)。人們總希望傳感器的輸入與輸出成唯一的對應關系,而且最好呈線性關系。但一般情況下,輸入輸出不會完全符合所要求的線性關系,因傳感器本身存在著遲滯、蠕變、摩擦等各種因素,以及受外界條件的各種影響。一般稱重傳感器所標注的參數都是靜態參數。
傳感器靜態特性的主要指標有:線性度、靈敏度、重復性(穩定性)、遲滯性、分辨率、漂移等。
1、線性度(非線性度Nonlinearity)
指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。
2、遲滯特性
表明檢測系統在正向(輸入量增大)和反向(輸入量減小)行程期間(循環負載),輸入-輸出特性曲線不一致的程度。也就是說,對同樣大小的輸入量,檢測系統在下、反行程中,往往對應兩個大小不同的輸出量。
通過實驗,找出輸出量的這種最大差值,并以滿量程輸出YFS(滿量程)的百分數表示,就得到了遲滯的大小式中,為輸出值在正、反行程期間的最大差值。
3、重復性(Nonrepeatability)
重復性是指傳感器在檢測同一物理量時每次測量的不一致程度,也叫穩定性,一般取多次連續測量同一輸入值得最大隨機誤差。重復性的高低與許多隨機因素有關,也與產生遲滯的原因相似,它可用實驗的方法來測定。
4、蠕變性(Creep)
蠕變指的是材料在恒載下(外界載荷不變)的情況下,變形程度隨時間增加的現象,表現在傳感器上即其輸出的變化百分比。對于國外的傳感器來講,尤其是稱重傳感器,他們所標注的參數是綜合誤差,其含義就是在非線性度誤差、遲滯誤差、重復性誤差當中取其最大值作為誤差參數。
5、 靈敏度(Sensitivity)
對于線性傳感器,其靈名度就是它的靜態特性直線的斜率。
而非線性傳感器的靈敏度,是不同點不同值。
6、分辨率(Resolution)
分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力,是值引起示值改變的最小測量值,應與靈敏度系數分開(靈敏系數——指輸出與輸入之比)。理論上傳感器的分辨率是無限的,只是我們后期讀數或采樣設備中能夠精確的看到多少位的變化有局限性。例如:我們的壓力負荷是從0.01233N到0.01235N的一個微小的變化(甚至在更低位),那么我們傳感器本身是能夠有輸出變化的,但是我們的數采度數假如只能顯示到第四位,如果它輸出電壓的變化是從0.0000x V到0.0000y V(甚至更小,在更低位),它就很有可能讀不到這樣一個變化。所以分辨率和精度是兩個不能混為一談的概念。
7、漂移(Drift)
傳感器的漂移是指在外界的干擾下,輸出量發生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規定的條件下.零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移為環境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移。
對于溫度漂移,我們可以通過制作工藝來補償,比如說用隔熱材料作為傳感器外殼,或者選用一種自溫度補償的應變片,再或者使用溫度系數較低的材料作為傳感器測量元件。
二、傳感器的動態特性
動態特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。很多傳感器要在動態條件下檢測,被測量可能以各種形式隨時間變化。只要輸入量是時間的函數,則其輸出量也將是時間的函數,其間關系要用動特性來說明。動特性是傳感器性能的一個重要方面,對其進行研究與分析十分必要。
傳感器的動特性取決于傳感器本身材料的特性,另一方面也與被測量的形式有關。
1、材料本身特性
若材料本身有一個較高的固有頻率(Natural Frequency),例如壓電材料,它就可以制成頻率響應較高的傳感器。另外若被測量變化的頻率比較高,而傳感器本身的響應比較慢,這樣就會造成輸出的失真,不能真實反映實際測量的狀態。一般用沖擊響應中傳感器輸出達到穩態值的時間t來表征其性能,如圖1-4。對于不同的傳感器,其達到穩態所需的時間不同。簡單來說,對于一個瞬間的沖擊作用力(階躍輸入),傳感器輸出所表現出來的特性,即它的動態特性。
2、被測量的形式
( 1)規律性的: 1)周期性的:正弦周期輸入、復雜周期輸入;2)非周期性的:階躍輸入、線性輸入、其他瞬變輸入;3)隨機性的:
( 2)平穩的:1)多態歷經過程、非多態歷經過程;2)非平穩的隨機過程。
在研究動態特性時,通常只能根據“規律性”的輸入來考慮傳感器的響應。復雜周期輸入信號可以分解為各種諧波,所以可用正弦周期輸入信號來代替。其它瞬變輸入不及階躍輸入來得嚴峻,可用階躍輸入代表。因此,“標準”輸入只有三種;正弦周期輸入、階躍輸入和線性輸入。
經常使用的是前兩種,所以在傳感器選型時應注意被測量的特性,如果要求精確的看到它的動態變化,那么建議使用壓電式或其他頻響(Response Frequency)較高的傳感器,并考慮到壓電式傳感器有一個放電時間常數,后期數采設備也必須有較高的采樣頻率(Sample Rate),以獲取比較好的動態響應,達到準確測量的目的。
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