传感器的基本特性

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1、第二章传感器的基本特性第一节传感器的静态特性第二节传感器动态特性本章小结传感器的特性是它转换信息的能力和性质。这种能力和性质常用传感器的输入和输出的对应关系来描述。一个高质量的传感器，必需不失真地完成信号的转换。在选择合适而有效的传感器组建测量系统时，除了需要了解被测信号的特点外，还需了解传感器的基本特性。传感器的输入量可分为静态和动态两大类，所以传感器的特性由静态特性和动态特性决定。传感器特性主要是指输出与输入间的关系静态特性：输入量为常量，或变化极慢动态特性：输入量随时间较快地变化时传感器输出与输入关系可用微分方

2、程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。第一节传感器的静态特性一、传感器的静态特性定义：人体的各被测信息处于稳定状态时，传感器的输入量在较长时间维持不变或发生极其缓慢的变化，这时传感器的输出量与输入量间的关系就是传感器的静态特性。通常希望传感器的输出和输入之间具有一一对应的关系，这样的传感器才能如实反映待测的信息。1．理想情况下，传感器的输出量y与输入量x之间为线性关系，其静态特性可表示为y=a1x(2–1)若输入分别为x,x+Δx，

3、则对应于两者的输出差Δy为Δy=a1Δx(2–2)具有这种特性的传感器的数学模型是一线性方程，这种传感器称为线性传感器。如图所示yx0由(2–1)、(2–2)式，为传感器的灵敏度a1——线性静态特性的斜率2．实际传感器由于原理上和制作工艺上的原因，都有一定程度的非线性特性，这时的静态特性表达式常在线性项a1x上迭加非线性项（x的高次项）。以电容式位移传感器为例：电容量的电容器的极板在工作点d0附近产生位移Δd时，电容的变化量Δc为(2–3)式中第1项表示电容式位移传感器的输出量Δc与位移Δd成正比，是这种传感器的线性

4、项，常数是灵敏度。第2项以下是一些非线性项。3．传感器静态特性的数学模型传感器的静态特性:传感器的输入量x与输出量y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示：y=a0+a1x+a2x2+…+anxn(2–4)——传感器静态特性的数学模型式中：a0——输入量x为零时的输出量；a1——线性项系数，表示传感器的灵敏度；a2、a3、…、an——非线性项系数。讨论：（1）当a0=a2=a3···=0，该式就是理想情况；（2）当a0≠0，a1≠0，a2=a3=a4···=0，该式仍表示线性，这时直线不经过原点，有一非零偏；y=

5、a0+a1x+a2x2+…+anxny=a1xy=a0+a1x（3）如果非线性项只有x的奇次项，输出——输入关系曲线如图2-1所示，在原点附近有y(x)=-y(-x)的对称关系，且有足够长的线性段。在实际应用中，差动式传感器就是将电器元件对称排列，以消除电器元件的偶次分量，使线性得到改善，同时灵敏度提高一倍。（4）如果只有x的偶次项，输出——输入关系曲线不对称，如图2-1（a）所示，且线性范围较窄，所以传感器设计时少采用这种特性。1．测量范围2．灵敏度3．线性度4．迟滞5．稳定性6．重复性7．环境特性二、传感器的静态

6、特性指标衡量传感器静态特性品质的指标1．测量范围传感器的测量范围是指按其标定的精确度可进行测量的被测量的变化范围，而测量范围的上线值ymax与下限值ymin之差就是传感器的量程ym，即ym=ymax-ymin例如某温度计的测量范围为-20~100˚C，则其量程ym=100˚C-(-20˚C)=120˚C有的传感器一旦过载（即被测量超出测量范围）就将损坏，而有的传感器允许一定程度的过载，但过载部分不作为测量范围，这一点在使用中注意。灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度，灵敏度k值越大，表示传感器越灵敏。线性传感

7、器的灵敏度就是静态特性曲线斜率。在整个测量范围它是个定值。而非线性传感器的灵敏度则是其特性曲线某点切线的斜率。灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量的变化Δy与输入量的变化Δx之比。用k表示灵敏度，即（2-6）2．灵敏度（sensitivity）通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高

8、的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性（如图2-3所示）。图2-3线性度3.线性度（linearity)传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直