生物医学传感-传感器基本知识

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1、第2章传感器的基本知识17/15/20211传感器的定义内容回顾传感器的组成生物医学传感器的用途和分类7/15/20212第2章传感器基本知识3学习内容：传感器的基本特性：静态特性、动态特性知识要点：1、传感器的静态特性方程，静态特性指标2、传感器的动态特性的一般数学模型3、传感器动态特性：传递函数、动态响应及动态特性指标7/15/202134传感器或测量系统功能框图不失真地完成信号的转换概述7/15/20214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的静态特性只是动态特性的

2、一个特例。概述7/15/20215§2-1传感器的静态特性定义：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦不随时间变化，这时输出量和输入量之间的关系称为静态特性。1.传感器的静态特性不含有时间变量7/15/20216(2-1)传感器静态特性数学模型传感器的静态特性可由下列方程式表示：7/15/20217有以下四种情况：（1）线性特性（图a）X高次项为零，线性方程为：此时，称为传感器的灵敏度线性传感器7/15/20218(2)非线性项仅有奇次项（图b）注意，在图(b)中,原点附近较大范围内输出、输入特性基

3、本上是线性的。另外，输出－输入特性曲线关于原点对称（奇函数性质）:7/15/20219(3)非线性项仅有偶次项（图c）注意，在图(c)中,相对线性范围中心偏离原点。另外，输出－输入特性曲线无对称性。7/15/202110(4)奇偶次项都有的非线性(图d)7/15/202111在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性最接近直线的一小段，静态特性可近似线性。此时原点可能不在零点，以图(c)为例，如取ab段，则其原点在c点。注意：7/15/202112传感器的静态特性是在静态标准条件下校准的.校准方法：在静态标准工作状态下，1.利用一定精度等级的校

4、准设备；2.对传感器进行反复循环测试，即可得到输出一输入数据；3.将这些数据列成表格，再画出各被测量值的正行程输出值和反行程输出值的平均值连接起来的曲线，即传感器的静态校准曲线。静态标准条件：传感器的静态校准7/15/2021131）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，而测量范围的上限值Ymax与下限值Ymin之差就是传感器的量程YFS，即YFS=Ymax-Ymin例如:某温度计的测量范围为-20~100˚C，则其量程YFS=100˚C-(-20˚C)=120˚C2.衡量传感器静态特性的指标7/15/202

5、1142）线性度(非线性误差)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。7/15/2021152）线性度(非线性误差)定义：在规定条件下,传感器校准曲线与某一选定的拟合直线间的最大偏差与满量程(F.S)输出平均值的百分比,称为线性度L。7/15/202116采用拟合直线的方法不同，则其拟合后所得到的基准直线不同，计算出的线性度也会不一样。所以要特别注意：说明某传感器的线性度是多少时，不能笼统的说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线，即采用什么样的拟合方法。注意：7/15/202117a)理论直线拟合（理论线性度）

6、利用静态方程的第一种情况：几种常用的拟合直线方法:特点：方法比较明确和方便，但拟合精度较低7/15/202118b）端基法把传感器校准数据的零点输出平均值a0和满量程输出平均值b0连成的直线ab作为传感器特性的拟合直线。方法简单，但因未考虑到所有校准点数据的分布，拟合精度较低。端基线性度拟合直线式中Y—输出量X—输入量a0—Y轴上截距K—直线a0b0的斜率7/15/202119c）最小二乘法假设拟合直线的方程式为：而实际测量了n个点，则有n个校准数据Y1、Y2、……Yn。自然就可知，每个数据点都与拟合直线有偏差，△i（i＝1，……，n）。xY=

7、a0+KXy最小二乘法拟合直线7/15/202120最小二乘法的原则就是使这些△i之和最小。亦即使对K和a0的一阶偏导数等于零。来求出K和a0的表达式7/15/202121d)差动测量方法采用此方法，由于消除了X偶次项而使非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍，零点偏移也消除了。7/15/2021223)迟滞迟滞是描述传感器的正向和反向特性不一致的程度.迟滞特性传感器在全量程范围内最大的迟滞差值ΔHmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用δH表示，即7/15/2021234)重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续

8、变动多次所得特性曲线的不一致的程度。重复性误差属于随机误差，在数值上用各测量值正、反行程标准偏差最大值的两倍或三倍与满量程的百分比。即：重复性7/15