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1、第六讲传感器分类及测试系统静态特性工程测试技术基础学习要求：1.了解传感器的分类2.建立测试系统的概念3.了解测试系统特性对测量结果的影响4.了解测试系统特性的测量方法1.传感器定义传感器是一种以一定精确度把被测量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。传感器分类2.传感器的构成传感器由敏感器件与转换电路组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。转换电路则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV3.传感器的分类1)按被测物
2、理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,转数,加速度,旋转角,质量,重量,力,力矩…热工量:温度,热量,比热，压力(真空度),流速,流量,物位……物理化学量:气体(液体)密度,湿度,黏度,浓度,盐度,化学成分…生物医学量:血压,眼压,体温,血流,心电,心音,心博,触觉,听觉…声,光,电,磁,热,机机械式,电气式,光学式,流体式,辐射式等.2)按工作的物理基础分类:能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.(无源传感器)如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部(有源传感器)供给能量的变化.如:
3、电阻应变片.基座质量块压电晶片弹簧1）由外部辅助能源供给传感器工作，则被测量来控制能量的变化。如：电阻应变仪，电感测微仪，电容测振仪能量控制型可分为两种类型：2）由外部能源供给激励信号发生器，激励信号发生器以信号激励被测对象，传感器接收被测对象对激励信号的响应。如超声波探伤，激光散斑测量应变。测量对象辅助能源传感器测量对象信号发生器传感器辅助能源4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.传感器的数学模型传感器作为感受被测量信息的器件，总是希望它能
4、按照一定的规律输出有用信号,因此,需要研究其输入－输出之间的关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。理论和技术上表征输入－输出之间的关系通常是以建立数学模型来体现，这也是研究科学问题的基本出发点。输入输出关系静态特性动态特性微分方程描述传感器的静态数学模型静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示：式中x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示；a2,a3,···,an为非线性项系数，其数值由具体传感器非线
5、性特性决定传感器静态数学模型有三种有用的特殊形式：1.理想的线性特性通常是所希望的传感器应具有的特性，只有具备这样的特性才能正确无误地反映被测的真值。2.仅有偶次非线性项其线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为该曲线的斜率，一般传感器设计很少采用这种特性。3.仅有奇次非线性项其线性范围较寛，且相对坐标原点是对称的，线性度较好，灵敏度为该曲线的斜率。使用时一般都加以线性补偿措施，可获得较理想的线性特性。除（a）为理想特性外，其它都存在非线性，都应进行线性处理。传感器的特性与技术指标传感器能否将被测非电量的变化不真地变换成相应的电量，取决于传感器的基本特性。传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态
6、量表现为动态特性。传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测值处于稳定状态时,传感器的输出与输入的关系,主要由线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等性能来描述。1.线性度Linearity线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，即线性拟合。非线性误差或线性度通常用相对误差表示：YFS为满量程输出，ΔLmax为最大非线性绝对误差目前常用的拟合方法有：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合；④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；
7、⑥最小包容拟合等。端基直线独立直线设拟合直线方程为最小二乘拟合若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使∑Δ2i为最小值，即在获得k和b之值后代入式拟合直线方程即可得到拟合直线，然后按前式残差公式求出残差的最大值ΔLmax即为非线性误差。2.灵敏度Sensitivity灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率对
