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1、第第1章章 传感器理论基础传感器理论基础11.1 传感器基础传感器基础 传感器就是把传感器就是把非电量非电量转换成转换成电量电量的装置。的装置。传感器传感器-是一种能是一种能感受感受规定的规定的被测量被测量并按并按 照一照一定的规律转换成定的规律转换成可用量可用量的的器件和装置器件和装置。1.1.1 传感器的概念传感器的概念22023-4-621.1.2 传感器的组成和分类传感器的组成和分类传感器是由传感器是由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件和和测量电路测量电路组成。组成。1传感器的组成传感器的组成 2023-4-63直接直接感受被测量感受被测量的变化，并的变化，并输出输出与被测量成确与被测
2、量成确定关系的某一定关系的某一物理量物理量的元件。的元件。敏感元件是传感器的核心敏感元件是传感器的核心2023-4-64转换元件：转换元件： 将敏感元件输出的物理量将敏感元件输出的物理量转换转换成适成适于传输或测量于传输或测量电信号电信号的元件。的元件。2023-4-65测量电路：测量电路： 将转换元件输出的电信号进行进一将转换元件输出的电信号进行进一步步转换和处理转换和处理的部分，如放大、滤波、线性化、的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。实现显示、记录、处理及控制等功能。2023-
3、4-66（1）按照其工作原理分：）按照其工作原理分：2传感器的分类传感器的分类 传感器可分为电参数式传感器可分为电参数式(如电阻式、电感式和如电阻式、电感式和电容式电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器传感器、压电式传感器、光电式传感器及热电式传感器等。及热电式传感器等。 传感器可分为力、位移、速度、加速度传感传感器可分为力、位移、速度、加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温度和光等。度和光等。（2）按照其被测量对象分：）按照其被测量对象分：2023-4-672传感器的分类传感器的分类 B、结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化实、结
4、构型传感器是依靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。现信号变换，如：电容式传感器。（3）按照其结构分：）按照其结构分：传感器可分为传感器可分为结构型结构型、物性型物性型和和复合型复合型传感器。传感器。A、物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性、物性型传感器是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。质的变化来实现信号变换，如：水银温度计。1.1.3 传感器基本特性传感器基本特性2023-4-68当传感器的输入信号是常量，不随时间变化当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其输入输出关系特性称为时，其输入输出关系特性称为静态特性静态特性。传感器的基本特
5、性是指系统的输入与输出关系特性，传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性，即传感器系统的输出信号即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测量）和输入信号（被测量）x(t)之间的关系，之间的关系，传感器系统示意图1.1.3 传感器基本特性传感器基本特性2023-4-691)传感器的静态特性传感器的静态特性:1. 测量范围测量范围：传感器所能测量到的最小输：传感器所能测量到的最小输入量入量 与最大输入量与最大输入量 之间的范围称为传感器的之间的范围称为传感器的测量范围。测量范围。2. 量程量程：传感器测量范围的上限值：传感器测量范围的上限值 与下限与下限值值 的代数差的代数差 称为量程。称
6、为量程。传感器的精度是指测量结果的可靠程度。传感器的精度是指测量结果的可靠程度。2023-4-610工程技术中为简化传感器精度的表示方法，工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了引用了精度等级精度等级的概念。的概念。 3. 精度：精度：精度等级以一系列标准精度等级以一系列标准百分比数值百分比数值分档表示。分档表示。代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。 4. 灵敏度：灵敏度：灵敏度是指传感器输出的变化灵敏度是指传感器输出的变化 量与引起该变化量的输入变化量之比，如下量与引起该变化量的输入变化量之比，如下图所示。图所示。2023-4-611syx
7、 灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力(a) 线性传感器线性传感器 (b) 非线性传感器非线性传感器 M() 100%LaxFSLy 最大非线性误差最大非线性误差 满量程输出满量程输出b、线性度就用输入、线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。示。5. 线性度：线性度：指其输出量与输入量之间的指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度关系曲线偏离理想直线的程度。a、在非线性误差不太大的情况下，通常采用、在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合直线拟
8、合的方法来线性化。的方法来线性化。直线拟合线性化直线拟合线性化出发点出发点 获得最小的非线性误差获得最小的非线性误差： 理论拟合；理论拟合； 过零旋转拟合；过零旋转拟合； 端点连线拟合；端点连线拟合； 端点连线平移拟合；端点连线平移拟合； 最小二乘拟合；最小二乘拟合； 最小包容拟合最小包容拟合理论拟合理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说方法十分简单，但一般说 较大较大LMaxLMax xyLmax过零旋转拟合过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使曲线过零的传感器。拟合时，使L1L2LMaxL1L2LMax
9、= = = = xyL2L1端点连线拟合端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟合直线把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyLmax端点连线平移拟合端点连线平移拟合在端点连线拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原基础上使直线平移，移动距离为原先的一半先的一半L2L1L3LMaxL2L1L3LMax = = = = = = yxLmaxL2L1L3最小二乘拟合最小二乘拟合ykxb()iiiykxb 2211()minnniiiiiykxb 22()()0iiiiykxbxk 22()( 1)0iiiykxbb 22()iiiiiinx yxyknxx 222()iiiiiiixyxx
10、ybnxx 最小二乘拟合方法最小二乘拟合方法xy=kx+by6、迟滞迟滞正（输入量增大）反（输入量减小）行程中正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞输出输入曲线不重合称为迟滞(1 2)() 100%HHMAXFSy 正反行程间输出的最大差值。正反行程间输出的最大差值。HMAXHMAX 迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差绝对误差表示表示检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者
11、即为回程误差。回程误差。7、重复性重复性传感器在输入按同一方向连续多次变动时传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度所得特性曲线不一致的程度正行程的最大重复性偏差正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差RMax1RMax1 RMax2RMax2 Max() 100%RRFSy 取较大者为取较大者为R RMMa ax x Max() 100%RRFSy 8. 零点漂移零点漂移 漂移是指在漂移是指在外界的干外界的干扰下扰下，在一定时间间，在一定时间间隔内，传感器隔内，传感器输出量输出量发生与输入量无关的发生与输入量无关的或不需要的或不需要的变化变化。漂
12、。漂移包括移包括零点漂移零点漂移和和灵灵敏度漂移敏度漂移等，如图所等，如图所示。示。 2023-4-62610. 分辨率分辨率 : 分辨率是指检测仪表能够精确分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力。检测出被测量最小变化值的能力。一般一般模拟式仪表模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分的分辨率规定为最小刻度分格值的格值的一半一半。数字式仪表的分辨率是。数字式仪表的分辨率是最后一最后一位的一个字位的一个字。 9. 稳定性稳定性: 稳定性表示传感器在一个较稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。长的时间内保持其性能参数的能力。2）传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的传
13、感器的动态特性动态特性是指传感器的输出对随时间变化是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。的输入量的响应特性。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。产生动态误差的原因以及改善措施。：瞬态响应法：瞬态响应法：频率响应法：频率响应法 反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。1. 瞬态响应特性瞬态响应特性 传感器的瞬态响应即为传感器的瞬态响应即为时间响应时间响应。 在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程
14、进行分析，这种分析对传感器的响应和过渡过程进行分析，这种分析方法称为方法称为时域分析法时域分析法。一阶传感器一阶传感器二阶传感器二阶传感器 延迟延迟输出达到稳态值的输出达到稳态值的50%所用的时间。所用的时间。 瞬态响应特性指标瞬态响应特性指标如下：如下： 一阶传感器的上升到一阶传感器的上升到63.2%所需的时间，称为时所需的时间，称为时间常数。间常数。 输出达到稳态值的输出达到稳态值的90%所用的时间。所用的时间。 阶跃响应曲线达到第一个峰阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。值所需时间。 瞬态响应特性指标瞬态响应特性指标+ 传感器输出超过稳态值的最传感器输出超过稳态值的最大值。大值。 +衰减
15、比衰减比d 衰减震荡的二阶传感器输衰减震荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比。2. 频率响应特性频率响应特性传感器对不同频率正弦输入信号的响应特性，称为频传感器对不同频率正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。率响应特性。是从传感器的频率特性出发研究传感器是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。的动态特性。（1）零阶传感器的频率特性）零阶传感器的频率特性（2）一阶传感器的频率特性）一阶传感器的频率特性（3） 二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性（4）频率响应特性指标）频率响应特性指标 (a) 幅频特性 (b) 相频特性时间常数越
16、小，频率响应特性越好。当 1时，A ()1， ()，表明传感器输出与输入为线性关系，相位差与频率成线性关系，输出 y ( t ) 比较真实地反映输入x ( t ) 的变化规律。因此，减小可以改善传感器的频率特性。二阶传感器的频率特性 频率响应特性指标（自己看）频率响应特性指标（自己看） 传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。频带或通频带，对应有上、下截止频率。 用时间常数用时间常数来表征一阶传感器的动态特性，来表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越小，频带越宽。越宽。 二阶传感器的固有频率二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。表征了其动态特性。1.1.4 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号 2023-4-636传感器的全称应由传感器的全称应由“主题词主题词+四级修饰语四级修饰语”组成，即组成，即主题词主题词 传感器传感器一级修饰语一级修饰语 被测量，包括修饰被测量的定语
