传感器与检测技术(1)

传感器与检测技术基础
一、传感技术与传感器
感官 神经
通信技术
大脑
传感技术 现代信息技术
计算机技术
传感技术的核心----------传感器 传感器 传感技术的核心
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二、传感器的定义与组成及分类 （1）传感器的定义与组成 传感器的定义与组成 传感器是能感受被测量并转换为与之有 确定对应关系的可用输出信号的装置。 传感器组成：
线性度是指传感器的输 出与输入之间数量关系的线 性程度。 线性度：标定曲线与拟 合直线的偏离程度。 非线性度=(△ 非线性度 △ym/yfs) ×100%
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2、灵敏度传感器输出的变化量与引起该变化量的输
入变化量之比即为其静态灵敏度。 灵敏度=(△y/ △x)（线性）灵敏度=(dy/ dx)（非线性）
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2） 一阶系统 若在方程式（2-8）中的系数除了a0 、a1 与b0 之外，其它 的系数均为零，则微分方程为
dy (t ) a1 + a0 y = b0 x dt
上式通常改写成为
dy (t ) τ + y = kx dt
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(a) 一阶响应
（b）零阶响应 ）
（c)应二阶响应 应二阶响应
检测系统获取信息质量的高低，通常由传感器 的性能决定。
（1）传感器的静态特性 当被测量为静态信号，即 被测量不随时间变化或处于稳定 时，传感器的输出量与输入量的 相互关系。常采用输入----输出曲 线。
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实际测试装置的标定曲线并非理想特性曲线。
静态特性曲线可用实际测试获得。 静态特性曲线可用实际测试获得。实际 中为了标定和数据处理的方便， 中为了标定和数据处理的方便，希望得 到线性关系， 到线性关系，采用各种方法如计算机硬 件或软件补偿法等进行线性化处理。 件或软件补偿法等进行线性化处理。但 这些办法都比较复杂。 这些办法都比较复杂。在线性误差不太 大的情况下， 大的情况下，总是采用直线拟合的办法 来线性化。 来线性化。
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传感器的校准 任何一种传感器在装配完后都必须按设计 指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间 后（中国计量法规定一般为一年），或经过修 理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以 便确保传感器的各项性能指标达到要求。
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6、测量的一般知识 测量方法的分类 （1）按照测量手段分类： 直接测量 ：使用测量仪直接读取测量数据。 间接测量：测量与被测物理量有确定函数关系 的几个物理量，经过计算得到结果。 联立测量：改变测试条件，建立联立方程，求 解最后结果。
被测量 敏感元件 传感与元件 信号调节电路 输出
辅助电源
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有 确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 其包含以下几个方面的意思： 1.传感器是测量装置，能完成检测任务 2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能 是化学量、生物量等 3.输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、 处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主 要是电量。 4.输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。
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
x 0 xI
Δi=yi-(kxi+b)
∆ 2i =
∆2i 为最小值，即 最小二乘法拟合直线的原理就是使 ∑
n
∑
i =1
∑ [y
i =1
n
i
− (kx i + b )] = min
2
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一些基本概念 1、线性度
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动态标定：动态标定，以便确定它们的动态灵 敏度、固有频率和频响范围等。 进行动态标定时，需有一标准信号对它激励， 常用的标准信号有二类：一是周期函数，如正 弦波等；另一是瞬变函数，如阶跃波等。用标 准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析 计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅 频特性、相频特性和动态灵敏度等。
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y=a0+a1x+a2x2+…+anxn
(1) 端点连线
y
如果传感器非线性的方次不 高， 输入量变化范围较小 时，可用一条直线（切线或 割线）近似地代表实际曲线 的一段，使传感器输入输出 特性线性化，所采用的直线 a0 称为拟合直线。
y = a0 + Kx
b0 ∆ymax
x
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主要发展动向，一是开展基础研究，发现新现 象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现 传感器的集成化与智能化。 （1）传感器向新型、微型和智能型发展 （2）测量仪器向高精度和多功能发展 （3）参数测量与数据处理向自动化方向发展 （4）防生化的传感器研究
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四、传感器的特性
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（2）按照测量方式分类： 偏差式测量：用标准量具对仪表刻度进行校准， 测量时，按照指针在标尺上的示值，决定被测 量数值。 零位式侧量：用指零仪表的零位指示检测测量 的平衡状态，测量过程中，标准量与被测量比 较，调整标准量，直到被测量与标准量相等。 微差式测量：将被测量的大部分与已知标准量 相抵消，两者的差值再用偏差式测量。
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由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时 间变化时，传感器的输出往往来不及达到平衡 状态，处于动态过渡过程之中，所以传感器的 输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态 特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输 出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时 间函数。
实际的传感器， 实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相 同的时间函数, 这种输出与输入间的差异就是动态误差。 同的时间函数 这种输出与输入间的差异就是动态误差。
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传感器的标定与校准 标定：通过试验确定传感器的性能参数。 标定方法：利用某种标准设备所产生的已知某 种非电量作为输入量，输入到待标定的传感器 中，对传感器的性能进行确定。 静态标定：输入标准非电量，测出传感器的静 态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复 性等。
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静态标定具体标定步骤如下： （1）将传感器测量范围分成若干等间距点； （2）根据传感器量程分点情况，输入量由小到大逐 渐变化，并记录各输入输出值； （3）再将输入值由大到小慢慢减少，同时记录各输 入输出值； （4）重复上述两步，对传感器进行正反行程多次重 复测量，将得到的测量数据用表格列出或绘制曲线； （5）进行测量数据处理，根据处理结果确定传感器 的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。
传感器与检测技术
重庆电力高等专科学校 蒋承延
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传感器的重要性（ 传感器的重要性（The importance of sensor)
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为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必 须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求 只有电信号能够满足。因此作为一种功能块的 传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号 变换为电信号的一类元件。”
（2） 端点连线平移拟合 在端点连线拟合基础上使直线平移，
y ∆y1 x ∆y2
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（3）过零旋转拟合 ） 曲线过零的传感器。拟合时，使 ∆ y1 = ∆ y 2 = ∆ yMax y
∆y1 ∆y2
x
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（4）最小二乘拟合 ）
设拟合直线方程：
y=kx+b
y yi y=kx+b
∆H max eH = ± × 100% y. F . S
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静态响应特性的其它描述 精度、灵敏阀、分辨力、测量范围、稳定 性、可靠性。
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传感器的动态特性 传感器在输入发生变化时输出的特性，是随时间 变化的量。 传感器的动态特性常用阶跃响应和频率响应来表 示。 1、阶跃响应 分为过渡和稳态两个过程。 过渡过程：从初始状态到接近最终状态的响应过 程。 稳态过程：过渡过程基本结束，输出处于允 许误差范围内所经历的过程（t----∞）。
动动动动
t1
t0
o
τ0
τ /s
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造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度传感器有热 惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态 测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管热电 偶其热惯性要比裸热电偶大得多。 这种热惯性是热电偶固有的，它决 定了热电偶测量快速变化的温度时会产生动态误差。 影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有， 影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形 式和作用程度不同而已。 式和作用程度不同而已
y(t)经过若干次振荡（或不经过振荡）缓慢地趋 向稳定值KA，这里K为仪器的静态灵敏度。这一过 程称为过渡过程，y(t)为过渡函数。当过渡过程基本 结束，y处于允许误差δy范围内所经历的时间称为稳 定时间tω
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频率响应 根据：一定条件下，任何一个信号都可分 解为一系列不同频率的正弦信号。 传感器对不同频率成分的正弦输入信号的 响应特性，称为频率响应特性。一个传感器输 入端有正弦信号作用时，其输出响应仍然是同 频率的正弦信号， 只是与输入端正弦信号的 幅值和相位不同。频率响应法是从传感器的频 率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值比 和两者相位差的变化。
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3、重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作
全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。
aσ max eR = ± × 100% y. F . S
σmax为标准偏差最大值 （反映数值相对于平均值 (mean)
的离散程度 ）