第2章：传感技术的基本概念与特性电子课件y

1、 本章要求：本章要求： 1、掌握传感器的基本定律、静态特性和 动态特性及其参数； 2、传感的定义、组成和分类； 3、了解传感的新型材料及其发展方向。 本章重点：传感器的静态特性和动态特性。传感器的静态特性和动态特性。本章难点：传感器的动态特性。传感器的动态特性。l传感器传感器（transducer /sensor） 国家标准规定：能感受规定的被测量并按一定的规律转 换成可用输出信号的器件或装置称为传感器。 狭义地讲：能把被测非电量信息转换为电信号输出的器件或装置称为传感器。 传感器的定义包含着三层含义：（1）传感器是一种测量装置传感器是一种测量装置；（2）在规定的条件下感受外界信息；在规定的条

2、件下感受外界信息；（3）按一定规律转换成易于传输与处理的电信息按一定规律转换成易于传输与处理的电信息。 传感器一般由敏感元件敏感元件、传感元件传感元件、测量电路测量电路和辅辅助电源助电源等四部分组成。如图2-1所示。 1、敏感元件、敏感元件：是指传感器中能直接感受被测非电量信号，并将非电量信号按一定的对应关系转换成易于转换为电信号的另一种非电量信号的元件。 2、传感元件、传感元件：是指传感器中能将敏感元件输出的非电信号或直接将被测非电信号转换成电信号输出的元件。 3、测量电路、测量电路 ：能将传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。 4、辅助电源、辅助电源 ：为

3、传感元件和测量电路供给能源。 一、传感器的分类 感器最流行的分类方法有两种： 一种是按被测物理量分类；另一种一种是按被测物理量分类；另一种是按传感器工作原理分类。是按传感器工作原理分类。 1、按工作原理或基本效应分类：物理型、电化学型、生物型。物理型、电化学型、生物型。 2、在物理型传感器中，按构成原理分类： （1）、物性型传感器）、物性型传感器 ； （2）、结构型传感器）、结构型传感器3、按能量关系分类： （1）、能量转换型传感器）、能量转换型传感器 ； （2）、能量控制型传感器）、能量控制型传感器4、在物理型传感器中，按作用原理分类： （1）、电学式传感器）、电学式传感器。（2）、磁学式传

4、感器）、磁学式传感器。 （3）、光电式传感器）、光电式传感器。（4）、电势型传感器）、电势型传感器。 （5）、电荷传感器）、电荷传感器。 （6）、半导体传感器）、半导体传感器。 （7）、谐振式传感器。）、谐振式传感器。5、按输出量分类：模拟式、数字式。模拟式、数字式。6、化学型传感器化学型传感器。它可分为电位式、极普式和电解式电位式、极普式和电解式三种传感器。7、生物传感器生物传感器。 三、对传感器有以下要求三、对传感器有以下要求：1、有足够的容量有足够的容量。2、灵敏度高，精度适当灵敏度高，精度适当。3、响应速度快，工作稳定，响应速度快，工作稳定， 可靠性好可靠性好。4、实用性和适应性强实用

5、性和适应性强。5、使用经济使用经济。 二、采用传感器实现非电量二、采用传感器实现非电量 的电测量，的电测量， 具有以下一些优点具有以下一些优点 （1）具有测量的连续性。）具有测量的连续性。 （2）具有测量的远距性。）具有测量的远距性。 （3）测量的准确度高、灵敏度高和分辨力高）测量的准确度高、灵敏度高和分辨力高。 （4）反应速度快。）反应速度快。 （5）从被测物取用功率小。）从被测物取用功率小。 l 一、守恒定律一、守恒定律 。 二、场的定律。二、场的定律。 三、物质定律。三、物质定律。 四、统计法则。四、统计法则。1、新型敏感材料有三种：半导体材料半导体材料，陶瓷材料陶瓷材料，有机材料有机材

6、料。2、新型敏感材料的基本特性基本特性（1）敏感性敏感性。（2）可靠性可靠性。（3）可加工性可加工性。（4）经济性经济性。有机敏感材料具有如下优点：（1）有机材料柔性好，可加工成柔性器件；（2）高分子材料易加工成均匀大面积器件；（3）合成分子的自由度大，敏感特性多样化。 一、传感器所测非电量形式：（1 1）、静态信号；（）、静态信号；（2 2）、动态信号）、动态信号因此，传感器的输出输入特性也有两种：静态特性和动态特性静态特性和动态特性。 二、静态特性1、定义：静态特性表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系；静态特性表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系；2、代数方程式：nnx

7、axaxaxaay.3322103、这种多项式代数方程可能有、这种多项式代数方程可能有4种种情况：如图情况：如图2-2所示。所示。 理想线性： y=a1x 奇次项非线性偶次项非线性一般非线性.55331xaxaxayl4、线性化补偿方法有三种：、线性化补偿方法有三种： l 、拟合直线法。、拟合直线法。l 、差动法。、差动法。l 、非线性补偿法。、非线性补偿法。 5、线性传感器的优点： 、简化理论分析和设计计算；、简化理论分析和设计计算； 、有利于仪表标定和数据处理；、有利于仪表标定和数据处理； 、可使仪表刻度均匀，提高测量精度；、可使仪表刻度均匀，提高测量精度； 、避免复杂的非线性补偿环节。、

8、避免复杂的非线性补偿环节。6 6、静态特性参数、静态特性参数（1）、线性度。线性度。 （2）、灵敏度与灵敏度误差 。（3）、迟滞迟滞。 （4）、重复性重复性。 （5）、分辨力分辨力。 （6）、阀值阀值。（7）、稳定值稳定值。 （8）、漂移漂移。 （9）、精度（静态误差）精度（静态误差）。 ydyKxdxmax100%LFSLy max100%HFSHymax100%RFSRy2.72.7、传感器的动态特性、传感器的动态特性动态特性动态特性传感器对随时间变化的输入激励的响应特性即为动态特性传感器对随时间变化的输入激励的响应特性即为动态特性。动态误差动态误差输出与输入之间的差异，称动态误差输出与输

9、入之间的差异，称动态误差。动态误差包括两部分：（1）输出量达到稳定状态以后与理想输出量之间的差别；）输出量达到稳定状态以后与理想输出量之间的差别；（2）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳定状态到另一个稳定）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳定状态到另一个稳定 状态之间的过渡状态。状态之间的过渡状态。研究动态特性的方法有两种：即时域法和频域法。即时域法和频域法。 在时域内研究动态特性采用瞬态响应法瞬态响应法。输入的时间函数为阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数阶跃函数、脉冲函数、斜坡函数，工程上常输入标准信号为阶跃函数阶跃函数。 在频域内研究动态特性采用频率响应法频率响应法。输入的标准函数为正弦函数正弦

10、函数。 阶跃响应的指标可参见图2-6所示： l（1）时间常数）时间常数。即传感器输 出值上升到稳态值yc的63.2所需时间。l（2）上升时间）上升时间Tr。它有三种定义方法：l、传感器输出值由稳态值的10上升到90所需的时间；l适用于无振荡的传感器。l、响应曲线从零上升到稳态值所需时间；适用于 有振荡的传感器。l、传感器输出值由稳态值的5上升到95所需的l 时间；适用于一般传感器。l（3）响应时间）响应时间TS。输出值达到允许误差范围5或2）所需时间。l（4）峰值时间）峰值时间TP。响应曲线从0上升到第一个峰值 的时间。l（5）延迟时间）延迟时间Td。响应曲线从零上升到稳定值的50所需的时间。

11、l（6）超调量）超调量P。响应曲线第一次超过稳态值之后的峰值高度。 l（7）衰减率）衰减率。指相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数 l（8）稳态误差）稳态误差eSS。在无限长时间后，传感器的稳态输出值与目标值之间l 的偏差SS的相对值。100%sssscey二、传感器的频率响应特性1 1、微分方程、微分方程xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111.n 2、拉氏变换、拉氏变换Y(S)anSn+an-1Sn-1+a1s+a0=X(S)bmSm+bm-1Sm-+b1S+b03 3、传递函数传递函数 01110111.aSaSa

12、SabSbSbSbSXSYSHnnnnmmmm4 4、付氏变换、付氏变换jjnnnnmmmmeAeXYajajajabjbjbjbjXjYjH)()(.)()()(.)()()()()(011101115、幅频特性、幅频特性(动态灵敏度)22)()(| )(|)(IRHHXYjHA6、相频特性、相频特性 （）arctg HR()/HI() 式中：HR（）表求H（j）的实部。 HI（）表示H（j）的虚部。 l2.8、传感器无失真测试条件、传感器无失真测试条件 1、在时域内，传感器无失真测试条件为 y（t）=A0 x（t-0）2、在频域内，传感器的频率响应为 H（J）=A（）eJ（）3、A（）不等于常数引起的失真称为幅值失真； （）与不呈线性引起的失真称为相位失真。 4、如果测试目的只是为精确测出输入波形，那么只要满足 A（）=A0=常数 （）与呈线性关系 如果测试目的是将被测量结果作为反馈控制信号，则要满足 A（）=A0=常数 ：（）=0（即0=0）。1、什么叫传感器？由哪几部分组成？其作用及相互关系