第2章-传感器的一般特性

第一章传感器的基本特性

传感器是电子器件（测量装置）

传感器是将外界各种非电量转变为电量的电子器件加速度、……温度、亮度、重量、流量、压力、磁场、电压、电流、电荷、电阻、电容、电感、电动势、……传感器电量非电量1.1传感器的定义按照一定的规律(物理量、化学量、生物量)1.2传感器的组成敏感元件：直接感受被测非电量，将被测非电量转换成容易变成电量的非电量敏感元件转换元件测量电路辅助电源非电量电量敏感元件也叫预变换器弹性元件——敏感元件也叫弹性敏感元件（应变片、铂电阻）1.2传感器的组成转换元件：将敏感元件感受的非电量直接转换为电量。敏感元件转换元件测量电路辅助电源非电量电量并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件（热敏电阻，压电晶体，热电偶，光电器件）

1.2传感器的组成敏感元件转换元件测量电路辅助电源非电量电量测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、传输、记录、控制和处理的有用电量（如电压、电流、频率等）测量电路即是信号调节与转换电路——放大器、电桥、振荡器、阻抗变换器1.2传感器的组成

图是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体1固接，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。example

膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力相通，内部感受被测压力，当压力变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。

转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。如何选择使用传感器、如何评价传感器的好坏——需要了解传感器的特性1.3传感器的基本特性传感器的基本特性——输出量与输入量之间的关系

静态特性——输入量为常量或缓慢变化时

动态特性——输入量随时间变化时1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性传感器的静态特性方程式（不考虑迟滞、蠕变等因素的影响）：

x——传感器的输入量

Y——传感器的输出量

a0——零位输出

a1——传感器的灵敏度

a2，…an——非线性项系数

静态特性：被测量处于稳定状态下，输出与输入的关系式，即y=f(x)。线性项非线性项1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性

理想的线性特性1.传感器的4种典型静态特性1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性

仅有奇次非线性项

因为曲线相对原点对称，所以在相当宽的范围内近似于线性；1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性

仅有偶次非线性项

仅有偶次非线性项的传感器，没有对称性，线性范围窄，一般设计传感器时很少使用者这种特性；1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性

奇次、偶次非线性项同时存在

实际应用中，若非线性项的方次不高，则在输入量变化不大的范围内，用切线或割线代替实际的静态特性曲线的某一段，使传感器的静态特性接近于线性——传感器静态特性的线性化1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性一、线性度（非线性误差）线性度（）：输入与输出成线性关系的程度。2.传感器静态特性的主要指标：线性度的定义式：在一定精度条件下，拟合校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比，即：满量程输出值，1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性2.传感器静态特性的主要指标：二、灵敏度

灵敏度是指在稳定工作状态下，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比值。

相应的定义式：

线性传感器灵敏度：

非线性传感器灵敏度：——对应拟合直线的斜率1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性2.传感器静态特性的主要指标：

精确度包括三个指标：精密度、正确度和精确度三、精确度（精度）1、精密度2、正确度表示测量结果的分散性，它对应的是随机误差概念表示测量结果偏离真值大小的程度，它对应的是系统误差概念1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性2.传感器静态特性的主要指标：三、精确度（精度）3、精确度（精度）表示以上二种误差之和来衡量仪表（传感器）测量结果的综合优良程度，通常用仪表允许的最大绝对误差与满量程输出值的百分比来表示。满量程输出值量程范围允许的最大误差传感器的精度1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性2.传感器静态特性的主要指标：四、最小检测量和分辨率均表示能反应检测最小被测量的能力大小。

一般模拟仪表采用检测量M表示，其值与传感器的灵敏度K有关，K越大，则M值越小，检测最小被测量的能力越好

而数字仪表常利用分辨率来表示，即数字指示值最后一位数字所代表的输入量的大小。一般与数字仪表的A/D转换器的位数大小有关，位数越大，分辨率越好1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性2.传感器静态特性的主要指标：迟滞误差：在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象(有回程差)五、迟滞产生原因：传感器的结构和工艺缺陷（轴承摩擦、间隙、螺钉松动、积尘等）或1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性2.传感器静态特性的主要指标：

指同一条件下，多次重复测量得到的结果不一致的程度。六、重复性

它反应的是测量结果偶然误差的大小，即随机误差的概念。

并不表示与真值之间的差别。有时重复性很好，但是可能远离真值。1.3传感器的基本特性1.3.1传感器的静态特性2.传感器静态特性的主要指标：传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原示值），即为零点漂移。七、零点漂移温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。八、温度漂移一般以温度变化输出最大偏差与满量程的百分比来表示：输出最大偏差温度变化范围满量程输出最大零点偏差（或相应偏差）1.3.2传感器的动态特性

动态特性：传感器的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。是传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映1.3传感器的基本特性对于一个传感器线性系统，常系数线性微分方程表示：一、动态特性的一般数学模型式中：1.3传感器的基本特性

绝大多数传感器输出与输入的关系（动态特性）均可用零阶、一阶和二阶微分方程来描述，据此将传感器分为零阶、一阶和二阶传感器。

零阶传感器的数学模型

如左图的线性电位器就是一个零阶传感器。输出电压和电刷位移之间的关系为：

线性正比关系1.3传感器的基本特性

一阶传感器的数学模型

如左图，不带保护套的热电偶插入恒温水浴中进行温度测量。1.3传感器的基本特性一阶传感器的数学模型1.3传感器的基本特性

二阶传感器的数学模型

如左图，带保护套的热电偶插入恒温水浴中的测温系统。1.3传感器的基本特性第一章第28页同理，得：联立，得：二阶传感器的数学模型1.3传感器的基本特性二、传感器的动态响应品质指标单位阶跃输入：

零阶和一阶传感器的动态响应指标响应和输入成正比K——静态放大倍数1、零阶其中K为放大倍数1.3传感器的基本特性在单位阶跃输入下，输出为：2、一阶τ——时间常数，是决定一阶传感器响应速度快慢的重要参数。设则一阶方程为：当t=τ时，y(t)=0.63Kx(t)当t=∞

时，y(t)=Kx(t)1.3传感器的基本特性单位阶跃输入：

二阶及二阶以上的传感器的动态响应指标