传感器与检测技术基础

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1、第1章　传感器与检测技术基础第1章　传感器与检测技术基础1.1　传感器简述1.2　测量误差与准确度1.3　弹性敏感元件1.1　传感器简述1.1.1　传感器的组成与分类1.传感器的定义　我国国家标准(GB/T7665—2005)中对传感器(Transducer/Sensor)的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的这一定义包含了以下几方面的意义：1)传感器是测量装置，能够完成检测任务。2)它的输入量是某一被测量，可以是物理量、化学量、生物量等。3)它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处

2、理、显示等，它可以是气、光、电量，但主要是电量。4)输出量与输入量应有对应关系，且应有一定的准确度。1.1　传感器简述2.传感器的组成　传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，有时还需外加辅助电源提供转换能量，其组成框图如图1-1所示。图1-1　传感器的组成框图(1)敏感元件　它是直接感受被测量(如温度、压力等)，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件(如弹性敏感元件)。1.1　传感器简述(2)转换元件　它是将敏感元件输出的非电信号直接转换为电信号，或直接将被测非电信号转换为电信号(如应变式压力传感器的电阻应变片，它作为转

3、换元件将弹性敏感元件的输出转换为电阻)。(3)转换电路　它能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、处理和传输的有用信号。3.传感器的分类　传感器技术是一门知识密集型技术。1.1　传感器简述表1-1　传感器的分类1.1　传感器简述表1-1　传感器的分类1.1　传感器简述1.1.2　传感器的基本特性传感器是实现传感功能的基本部件，传感器的输入⁃输出关系特性是传感器的基本特性。传感器的各种性能指标都是根据传感器输入与输出对应关系进行描述的。传感器的输入⁃输出特性是其外部特性，但却是由其内部参数决定的，不同的传感器的内部参数决定了它具有不同的外部

4、特性。1.传感器的静态特性　传感器的静态特性是指检测系统的输入量为不随时间变化的恒定信号时的输入-输出特性关系。(1)线性度　检测系统的线性度是指系统输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。1.1　传感器简述图1-2　各种直线的拟合方法a)理论直线拟合　b)过零旋转拟合　c)端点连线拟合　d)端点平移拟合1.1　传感器简述(2)灵敏度图1-3　传感器的灵敏度a)线性传感器　b)非线性传感器1.1　传感器简述(3)迟滞　迟滞是指在满量程范围内，传感器在升行程(输入量增大)和降行程(输入量减小)测量过程中，输入-输出特性曲线不重合的程

5、度，如图1-4所示。图1-4　迟滞特性1.1　传感器简述(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多次测试时，所得输入-输出特性曲线不一致性的程度，如图1-5所示。图1-5　重复性1.1　传感器简述(5)漂移　漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出量发生与输入量无关的变化，它包括零点漂移和温度漂移。1)零点漂移，简称零漂。2)温度漂移，简称温漂。(6)分辨率　分辨率是指在规定测量范围内传感器能检测到的输入量的最小变化量，表示检测系统分辨输入量微小变化的能力，用绝对值表示。2.传感器的动态特性　传感器的动态特性是指传感器测量动

6、态信号时，输入对输出的相应特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。1.1　传感器简述动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律与输入对时间变化的规律相同，即具有相同的时间函数。但在实际工作中，输出信号与输入信号具有不同的时间函数，这种输入与输出间的差异称为动态误差，动态误差反映的是惯性延迟所引起的附加误差。(1)瞬态响应法　在研究传感器的动态特性时，在时域中传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。图1-6　阶跃响应特性1.1　传感器简述1)超调量σ：传感器输出超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。2)延滞时

7、间td：阶跃响应达到稳态值的50%所需要的时间。3)上升时间tr：传感器的输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所需的时间。4)峰值时间tp：传感器从阶跃输入开始到输出值达到第一个峰值所需的时间。5)响应时间ts：传感器从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间。(2)频率响应法　频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。1.2　测量误差与准确度1.2.1　测量误差的基本概念1.测量误差的有关术语(1)真值　真值即真实值，是指在一定时间及空间条件下，被测物理量本身所具有的真实数值。(2)标称值　标称值是指测量

8、仪器或测量器具上标示的量值，如标准砝码上标出的1kg。(3)测量误差　测量误差是指用仪器测量出来的结果与被测量的真值之差，即测量误差=测量结果－真值。(4)测量准确度　测量准确度即测量结果的准