传感器理论基础(改)

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1、第3章　传感器理论基础3.1传感器的定义、组成和分类3.2传感器的基本特性3.1.1传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。包含的概念：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；④输出与输入有对应关系，且应有一定的精确程度。图3-1传感器的

2、组成3.1.2传感器的组成和分类组成敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量转换电路：上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出12435图3－2应变式加速度传感器1－应变梁2－质量块3－应变片4－壳体TT0AB3.1传感器的组成和分类图3-3热电偶分类按被测参数分：温度、压力、位移、速度等按工作原理分：应变式、电容式、压电式、磁电式等按传感器的能源分类:有源传感器和无源传感器3.2传感器的基本特性在生产过程和科学实验中,要对各种各样的参数进行检测和

3、控制,就要求传感器能感受被测非电量的变化并不失真地变换成相应的电量——基本特性传感器的基本特性通常分为静态特性和动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之间的关系。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，亦即输出对输入变化的动态跟随能力。3.3传感器的一般特性3.3.1静态特性传感器静态输入、输出关系一般可表示为：3.3传感器的一般特性3.3.1静态特性1.灵敏度2.线性度3.迟滞4.重复性5.漂移1.灵敏度灵敏度——单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化。2.线性度(Line)(1)线性度

4、是指？（输出与输入之间数量关系的线性程度）(2)关于拟合:(3)数学表达式其中为最大非线性绝对误差；为满量程输出直线拟合线性化非线性误差或线性度输出量输入量零点输出理论灵敏度非线性项系数图3-5几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合3.迟滞(Hold)迟滞——传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象。数学表达式其中为最大迟滞误差产生的原因？（传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷）图3-6迟滞特性3.迟滞(Hold)4.重复

5、性(Repeat)重复性——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。数学表达式其中为最大重复性偏差图3-7重复特性5.漂移传感器的漂移——输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化。产生的原因？（传感器自身结构参数；周围环境）温度漂移其中为测试温度下的输出；为20℃时的输出；，h的单位是小时。零点漂移传感器在无输入时，经长时间后其输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移零漂＝式中ΔY0——最大零点偏差；YFS——满量程输出。课堂练习(例3-1)有一位移测量系统，对位移在0～5mm的范围进行了两

6、个循环的测量，测量数据如下：以输出的平均值求端点连线拟合直线，问灵敏度和线性度、迟滞、重复性误差各是多少？（mm）012345(mV)0510152025上行程049142025下行程0510162125上行程0510151925下行程051116202504.751015.252025解:拟合直线由(0，0)和(5，25)两个端点确定,直线方程为y=5x比较线性化后的(xi，yi)各点对应的输出与实际测得的输出，最大线性度误差为ΔLmax=ΔL1=ΔL2=…=1mV则线性误差为灵敏度为课堂练习(例3-1)最大迟滞误差发生在第一

7、循环测量xi=3mm处，为ΔHmax=ΔH3=2mV则迟滞误差为对比上行程之间、下行程之间各点的输出偏差，最大重复性误差ΔRmax=1mV则重复性误差为课堂练习(例3-1)3.3.2动态特性传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。例：动态测温6---相当于一个匀速加载过程统计意义---概率分布、均值与方差等表示典型动态输入信号③正弦信号A---振幅（常数）①阶跃信号②斜坡信号载荷由A0瞬时加载到A并维持在这个水平④随机信号＝2f---角频率传感器基本动态特性方程传感器的动态特性一般用下述微分方程来描述：零阶

8、系统（又称比例系统）完全跟踪，无滞后一阶系统（又称惯性系统）二阶系统几个重要参数动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究传感器动特性时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的