传感器与检测技术---第2章 传感器概述

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1、第2章传感器概述2.1传感器的定义、组成和分类2.2传感器的基本特性2.3传感器的发展方向返回主目录2.1传感器的定义、组成和分类一、传感器的定义传感器是一种把被测量（主要是非电量）转换成便于传输、应用的输出信号的器件或装置。传感器又称为敏感元件(在电子技术领域，则强调的是对信号的敏感程度)、检测器(在测量领域，通常强调的测量结果）、转换器(在超声波技术中，则强调的是能量的转换)等。这些提法在含义上有些狭窄,而传感器一词是使用最为广泛而且是概括性最强的用语。传感器的输出信号可以是气量、光量、电量。但主要是电量,它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多

2、形式,如电压、电流、电容、电阻等,输出信号的形式由传感器的原理确定。二、传感器的组成传感器一般是由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。其组成见图2－1图2-1传感器组成框图①敏感元件是指传感器中能把被测量直接感受出来的部件。②转换元件是指传感器中将敏感元件感受到的被测量转换成适于传输或测量的电信号部件。③转换电路是将电信号进行放大、运算和调制的部件。传感器的分类方法很多。但常用的分类方法有两种:三、传感器的分类1、按被测参数分类温度传感器压力传感器位移传感器速度传感器等2、按工作原理分类应变式传感器电容式传感器压电式传感器电势式传感器等2.2传感器

3、的基本特性传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。一、传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，输出与输入的关系。它的特点是输入量x与输出量y之间的关系式中不含有时间变量。通常可用下式表示：式中：a0——是输入量x为零时的输出量；a1，a2，…，an——是非线性系数。（2-1）衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度,迟滞和重复性等。1.线性度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。通常用实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差ΔLmax与满量程输出值YFS之比γL来表示,即式中：ΔLmax——最大非线性绝

4、对误差;YFS——满量程输出。见下图所示（2-2）yYFS0x拟合直线实际曲线图线性度ΔLmax由定义可知，线性度的大小是以某一条拟合直线为基准算出来的，拟合直线取得不同，所得出的线性度就不一样。下图2-2是常见的几种关于拟合直线线性度的计算方法。图2–2几种直线拟合方法(a)零点切线拟合;(b)过零旋转拟合;(c)端点连线拟合;(d)端点平移拟合;2．灵敏度灵敏度是指传感器的输出变化量Δy与引起此变化的输入变化量Δx的之比，用S表示。即从图2-2中可以清楚地看出,即使是同一个传感器,取的拟合直线不同,其线性度也是不一样的。选取拟合直线的方法很多

5、,用最小二乘法求取的拟合直线的线性度最高。（2-3）显然，S越大，表示传感器越灵敏。传感器的灵敏度如图2-3所示。x对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率,即S=Δy/Δx为常数,而非线性传感器的灵敏度为一变量,用S=dy/dx表示。3.迟滞传感器在输入量由小到大或由大到减小的变化期间，其输入-输出特性曲线不重合的现象称为迟滞,如下图2-4所示。迟滞大小一般由实验确定。通常把传感器在全量程范围内的最大迟滞差值ΔHmax（或一半）与满量程输出值YFS之比成为迟滞误差，用γH表示，即:式中:ΔHmax——正、反行程输出值间的最大差值。或（2-4）

6、4.重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度,如下图2-5所示。重复性误差属于随机误差,常用标准偏差表示,也可用正反行程中的最大偏差表示,即（2-5）式中：△Rmax＝max{△Rmax1，△Rmax2}或二、传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。它不但与输入信号有关，而且与传感器的结构（即动态特性方程）有关。1.传感器的动态特性方程传感器的动态输入输出关系一般可用下面的微分方程来表示。（2-6）式中：x是传感器的输入信号，通常是时间的函数，y是传感器的输出信号，也是

7、时间的函数，a0,a1,…,an,,b0,b1,…,bm是与传感器结构有关的常数。(1)零阶系统在方程(2－6)中，除了a0，b0外，其他的系数均为零，即通常写成则称它为零阶系统（或比例系统）。(2)一阶系统在方程(2－6)中，除了a0，a1，b0外，其他系数均为零，即通常写成则称它为一阶系统（或惯性系统）。(3)二阶系统在方程(2－6)中，除了a0，a1，a2，b0外，其他系数均为零，即通常写成则称它为二阶系统。当ξ≥1时，称它为二阶惯性系统，当ξ＜1时，称它为二阶振荡系统，2.瞬态响应特性（即时域分析）(1)一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的动态

8、特性方程为：（2-7）为讨论方便，设k＝1，则它的传递函数为（2-8）对初始状态