传感器基本特性
传感器的基本特性
传感器的基本特性传感器的基本特件是指传感器的输出与输入之间的关系。
由1—传感器洲量的参数一般有两种形式：一种是不随时间的变化而变化(或变化极其缓慢)的稳态信号，另“种是随N 间的变化而变化的动态信号。
因此传感器的基本特性分为静态特性和动态特性。
件感器的静态特性与指标如下：传感器的静态特件是指化感器输入信号处T低定状态时，其输出与输入之间呈现的关系。
表不力式中，y—一传感器输出量if一传感器输人员AL)——传感器的零位输出；A J——传感器的灵敏座，A：，A√”，A n为非线件项系数。
衡量静态待件的主要指标有精确度、稳定件、灵敏度、线性度、迟滞和可靠性等。
(1)精确皮精确度足反映测旦系统小系统误差和随机误差的综合评走指标。
与精确度有关的指挪有精密度、准确皮利精确度。
①精密度。
说刚测量系统指示值的分散租皮。
精密度反映j’随机误差的大小，精密度高则随机误差小。
②准确度。
说叫测量系统的输山值偏离真值的程度。
避确度炬系统误差大小的标志．脏确度高则系统误差小。
②精确度。
是准确度与ATMEL代理商精密度两者的总和，常用仪表的基本误差表不。
精确度而表示精密度和难确度都而。
Iql—4个的肘市例子有助十对牌确皮、精密度和精确度3个概念的理解。
图(a)表不准确度；苟而精密度低；图(b)大示精密度尚而淮确度低；阎(c)表不准确度和精密度部高。
即它的桔确陵尚。
(2)稳定性传感器的稳定性常用稳定度和影响系数表尔。
①稳定度。
是指在规定I：作条件范围和规定时间内，传感器性能保持不变的能力。
传感器在工作时，内部随机变动的因素很多，例如发生周期性变动、漂移或机械部分的摩擦等都会引起输出值的变化。
稳定度般用甫复件的数值羽I观测时间的长短表示。
例如，某传感器输出电压值每小时变化1．5rnv。
可4成稳定度为1．5n、v儿。
(9影响系数。
是指出于外界环境变化引起传感器输小值变化的足。
一般传感器都有给定的标准工作条件，如环境温度20℃、相对湿度60％、大气压力10]．咒kPa、电源电压22()V等。
第2章传感器特性
第2章 传感器基本特性
迟滞误差由满量程输出的百分数表示：
2.1 传感器静态特性
为正、反 行程输出值之间的最大差值
产生迟滞误差的原因：主要是由于敏感元件材料的物理 性质缺陷造成的。如弹性元件的滞后，铁磁体、铁电体 在加磁场、电场作用下也有这种现象。 迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。
传感器原பைடு நூலகம்及应用
第2章 传感器基本特性
2.1 传感器静态特性
—— 最大非线性绝对误差 —— 满量程输出 —— 线性度
线性度 是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数
由于实际传感器总有（高次项）非线性存在，输入输出关系总是非线性关系，使近似后的拟合直线与实际曲线存在偏差。这个最大偏差称为传感器的非线性误差。 通常用相对误差表示线性度
正弦信号
单位阶跃信号
传感器原理及应用
第2章 传感器基本特性
（1） 传递函数
2.2 传感器动态特性
输入激励 x（t)
输出响应 y（t)
传感器系统
为了分析动态特性，首先要写出传感器的数学模型求出传递函数。 已知外界有一激励施加于系统时，系统对外界有一响应；
传感器是个信号转换元件，假设是测力传感器，系统存在阻尼，弹性和惯性元件； 当输入量随时间变化时，在力作用下，输出不仅与位移x有关，还与速度dx/dt、加速度d2x/dt2有关。
第2章 传感器基本特性
2.2 传感器动态特性
多数传感器输入信号是随时间变化的，只是变化的快慢不同而已。缓慢变化的信号容易跟踪，变化较快的信号跟踪性能会下降。 一个动态性能好的传感器输入与输出应具有相同的时间函数，但除理想状态外，输出信号一定不会与输入信号有相同时间函数。 这种输入输出之间的差异就是动态误差。
传感器的基本特性与指标
传感器的基本特性与指标传感器是将一种被测量的非电信号转换成电信号的设备。
通过测量环境的物理量或化学量，传感器能够获得相关数据，并将其转换为信号，方便进行处理或者显示。
以下是传感器的基本特性和指标。
1. 灵敏度(Sensitivity)：传感器的灵敏度指的是传感器输出信号相对于输入信号的变化率。
较高的灵敏度表明传感器对于被测量物理量的微小变化更加敏感。
2. 响应时间(Response Time)：传感器的响应时间是指传感器从接受到输入信号到输出信号达到稳定值所需的时间。
较快的响应时间意味着传感器能够及时检测到被测量物理量的变化。
3. 动态范围(Dynamic Range)：传感器的动态范围指的是传感器能够测量的最大和最小输入信号之间的范围。
较大的动态范围表示传感器能够测量较大范围内的信号。
4. 线性度(Linearity)：传感器的线性度是指传感器的输出信号与输入信号之间的关系是否为线性关系。
较好的线性度意味着传感器的输出信号与被测量物理量存在较好的线性关系。
5. 稳定性(Stability)：传感器的稳定性指传感器在相同条件下，长时间内输出信号的一致性。
较好的稳定性意味着传感器的输出信号相对较稳定，能够准确反映被测量物理量的变化。
6. 分辨率(Resolution)：传感器的分辨率是指传感器能够检测和测量的最小变化量。
较高的分辨率表示传感器能够检测到较小的变化。
7. 器件偏置(Offset)：传感器的器件偏置指在无输入信号时传感器的输出信号值。
较小的器件偏置意味着传感器的输出信号在无输入信号时接近于零，具有较低的偏差。
8. 温度影响(Temperature Influence)：传感器在不同温度下的输出信号的变化情况。
较小的温度影响意味着传感器能够在不同温度条件下保持较稳定的输出信号。
9. 线性范围(Linear Range)：传感器所能够线性测量的输入信号范围。
在线性范围内，传感器的输出信号与输入信号的关系为线性关系。
传感器基本特性
8．漂移 漂移是指在外界干扰时，在一定的时间间隔内， 传感器输出量与输入量无关的变化程度。
二、传感器的动态特性
动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性， 当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。
被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要 输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。 通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器 的响应特性。
传感器的基本特性
传感器特性主要是指输出与输入之间的关 系特性。是与传感器的内部结构参数有关的外 部特性。
一、传感器的静态特性 当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系 称为静态特性。
一、静态特性技术指标
1．传感器的静态数学模型
传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不 考虑迟滞、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可 用下列多项式代数方程表示： y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn 式中：y—输出量； x—输入量； a0—零点输出； a1—理论灵敏度； a2、a3、 … 、 an—非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的不同形式。 静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之 后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据 处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方 法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。
•最小二乘法确定拟合直线，选定合适的直线方 程系数，使静态标定曲线与拟合直线偏差的平方 和为最小。拟合精度高，计算繁琐。
拟合直线方法
• 过零旋转拟合、端点连线拟合、端点连线平移拟合。拟 合精度低。 • 平均法，将测量得到的n个检测点分成数目相等的两组， 求出两个点系中心，通过两个点系中心的直线，就是要 求的拟合直线。斜率、截距可求得。拟合精度较高，计 算较简便。 n/2 n/2
传感器及其基本特性
（3） 非线性度
非线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合 直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程范围 内的输出之百分比。大多数传感器的输出为非线性。用一次函数 拟合的结果将产生较大的误差。目前多采用计算机进行曲线拟合 。
6
（4）迟滞误差
迟滞误差又称为回差或变差，是指传感器正向特性和反向特 性的不一致程度。迟滞会引起重复性、分辨力变差，或造成测 量 盲区，故一般希望迟滞越小越好。
7
（5）稳定性
稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪 表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示 值不变的能力。稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之 比来表示。环境影响量仅指由外界环境变化而引起的示值变化量 。
8
（6）电磁兼容性
所谓电磁兼容是指电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照 原 设计要求正常工作的能力，而且也不向处于同一环境中的其他 设 备释放超过允许范围的电磁干扰。
2
二、传感器的组成 大部分传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路 三 部分组成。
传感器组成框图
3
传感器的基本特性
（1）灵敏度 灵敏度是指传感ห้องสมุดไป่ตู้在稳态下输出变化值与输入变化
值之比。对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非 线 性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。
4
（2）分辨力
分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是具有量 纲 的数。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变 化无 任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一 般可以 认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。
9
（7）可靠性
可靠性是反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定 的 时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。
传感器的基本特性
主要是指传感器的输出与输入之间的关系。 当输入量为稳定状态的信号，或变化极慢的 信号时，这一关系称为静态特性； 当输入量随时间较快地变化时，这一关系称 为动态特性。如输入量为周期、瞬变、随机等 动态信号时。
2 传感器的一般特性
• 一、 传感器的静态特性 • 二、 传感器的动态特性 • 三、 传感器的标定与校准
第二章
二、传感器的动态特性
动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应 特性。
动态特性是根据标准输入来研究传感器的时域和频域等 响应特性。 标准输入有三种： 正弦变化的输入 阶跃变化的输入 线性输入 经常使用的是前两种。
第二章
（1）动态特性的一般数学模型
对于线性定常（时间不变）系统，其数学模型为高阶常系 数线性微分方程，即
传递函数 频率特性
第二章
2 W j k / （ j / ) 2 j / 1 0 0
幅频特性
k ( ) k / [1 ( / 0 ) ] 4 ( / 0 )
2 2 2
2
相频特性 2 2 ( / 0 ) /(1 ( / 0 ) ) ( ) arctan
10. 某压力传感器的校准数据如下表所示，试求 该传感器的非线性误差、重复性误差、迟滞。 解：首先，对效验数据做平均值处理
取端点x1（0,-2.70）和x6（0.10，14.45）
则确定：y= -2.70+171.5x
◆求非线性误差
得：
◆求重复性误差
得：
◆求迟滞
得：
作业： 已知某传感器静态特性方程 Y 1 X ，试分 别用切线法、端点法和最小二乘法，在0<X≤0.5 范围内拟合直线方程，并求出相应的线性度。
传感器的基本特性有以下两种
传感器的基本特性有以下两种：1.静态特性：线性度、灵敏度、重复性、迟滞性、稳定性、漂移、静态误差等。
2.动态特性:阶跃响应：最大超调量、延滞时间、上升时间、峰值时间、响应时间等。
频率响应：频率特性、幅频特性、相频特性等。
电阻式传感器把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。
它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器（见位移传感器）和锰铜压阻传感器等。
电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。
结构：由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。
电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
电位器的结构与材料（1）电阻丝: 康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等（2）电刷: 常用银、铂铱、铂铑等金属（3）骨架:常用材料为陶瓷、酚醛树脂、夹布胶木等绝缘材料，骨架的结构形式很多,常用矩形。
应用：电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。
优缺点：电阻式传感器具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。
但是它受环境条件如温度等影响较大，有分辨率不高等不足之处。
分类：电位器式传感器是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为和它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。
成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。
应变片式传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
气敏和湿敏电阻传感器是一种把气体中的特定成分或水蒸气检测出来造成半导体阻值变化的电阻传感器。
电容式传感器：把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
传感器的基本特性概述
传感器的基本特性概述一、静态特性是指被测输入量不随时间变化时传感器的输入——输出关系。
衡量传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞性、漂移等。
1．线性度理想传感器的输入y 与输入x 呈线性关系，则y =a1x 式中，1a为传感器的线性灵敏度。
实际传感器的输出y 与输入x 呈非线性关系，如不考虑迟滞和蠕变因素，则线性度有时也称非线性误差，用以衡量传感器输出量与输入量之间线性关系的程度，以及直线拟合的好坏。
常用的直线拟合除端点拟合法外，还有切线拟合、最小二乘法等方法。
2．灵敏度传感器在稳态下输出变化量与输入变化量之比称为灵敏度Sn ，即对于理想线性传感器，灵敏度n S 为常数，对于一般传感器则采用线性区或拟合直线的斜率表示。
见图A-2 所示。
通常测量点取在零点附近时线性度好，灵敏度也高。
3．迟滞性它是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间的输出输入曲线不重合的程度，见图A-3 所示。
迟滞大小用迟滞误差表示，通常由实验确定。
即迟滞差是由与传感器的响应受到输入过程影响而产生的，它的存在，破坏了输入和输出的一一对应关系，因此，必须尽量减少迟滞差。
4．漂移漂移是指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着有与被测输入量无关的，不需要的变化。
漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。
零点漂移或灵敏度漂移又分为时间漂移和温度漂移。
时间漂移是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间缓慢变化。
温度漂移为环境变化而引起的零点或灵敏度的漂移。
二、动态特性它是指传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性。
传感器的输出不仅要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律（即被测量的波形），因此，传感器的输出量也是时间的函数。
在实际中，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，它们之间的这种差异，就是要分析的动态误差。
动态误差包括两个部分：一是实际输出量达到稳定状态后与理论输出量间差别；二是当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间过渡状态中的误差。
传感器的基本特性
vt
•
y
o
图1-4 迟滞，事性
x月- x
测输入量值，即零点附近的分辨力 .
6. 稳定性
稳定性又称长期稳定性，即传感器在长时间内保持其原性能的能力 . 稳定性一般以室温 条件下经过规定时间间隔后 ， 传感嚣的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也
YFS
(1-7)
式中 :ALmx 为输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差 5
YFS 为输出满量程值。 由此可见，非线性误差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不 同，非线性误差也不同 。 所以，选择拟合直线的主要出发点应是获得最小的非线性误差。另 外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。 传感器的静态模型(1-1)式有 三 种有用的特殊形式，它们所呈现的非线性程度可用
性，所以测量误差也是与内部结构参数密切相关的。
传感器所测量的物理量一般有两种形式，一种是稳态的(静态或准静态) ，即信号不随 时间变化或变化很缓慢;另 一种是动态的，即信号随时间的变化而变化。由于输入物理量状 态不同，传感器所表现出来的输入-输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。 由于不同传感器有不同的内部参数，它们的静态特性和动态特性也表现出不同的特点，对测 量结果的影响也各不相同。一个高精度传感器必须有良好的静态特性和动态特性，这样它才
零点或灵敏度的变化。
8. 静态误差(精度)
静态误差是指传感器在其全量程内任一 点的输出值与其理论输出值的偏离程度。求静态
误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其标准偏差 σ ，取
2σ 或 3σ 值即为传感稽的静态误差。
静态误差也可用相对误差表示.即
带你认识基本的传感器特性参数
带你认识基本的传感器特性参数传感器是一种将物理量转化为电信号的装置，被广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗设备等领域。
了解传感器的基本特性参数对于正确选择和使用传感器至关重要。
下面将带你认识传感器的一些基本特性参数。
1. 灵敏度（Sensitivity）：传感器的灵敏度是指输入物理量变化引起输出信号变化的比例关系。
一般来说，灵敏度越高，传感器对输入信号的变化越敏感。
2. 线性度（Linearity）：传感器的线性度是指其输出信号与输入物理量之间的近似直线关系。
一个理想的传感器应具有良好的线性特性，但实际传感器往往会有一定的非线性误差。
3. 分辨率（Resolution）：传感器的分辨率是指它能够区分的最小输入量的变化大小。
分辨率越高，传感器能够检测到更小的变化。
4. 动态响应（Dynamic response）：传感器的动态响应指的是它对输入信号变化的快速度。
高响应速度的传感器可以快速地对输入信号进行反应。
6. 稳定性（Stability）：传感器的稳定性是指其输出信号相对于稳定输入的变化程度。
一个稳定性好的传感器应该具有输出信号变化小的特点。
7. 重复性（Repeatability）：传感器的重复性是指在相同的输入条件下，反复测量得到的输出结果的一致性。
重复性好的传感器可以给出相对准确和一致的结果。
8. 可靠性（Reliability）：传感器的可靠性是指其在一定的工作条件下能够稳定地工作并保持一定的精度和稳定性的能力。
一个可靠性高的传感器能够长时间稳定地运行。
9. 压力范围（Pressure range）：压力传感器的压力范围指的是它可以正常工作的最小和最大压力值。
在选择压力传感器时，需要根据应用需求选择相应的压力范围。
10. 温度范围（Temperature range）：传感器的温度范围指的是其可以正常工作的最低和最高温度值。
温度范围是非常重要的一个参数，因为温度变化会对传感器的性能和精度产生影响。
带你认识基本的传感器特性参数
带你认识基本的传感器特性参数传感器是一种用于测量、检测和监测物理量或特定环境条件的装置。
不同类型的传感器有不同的特性参数，以下是一些传感器常见的基本特性参数：1.精度：精度是一个传感器测量结果与实际值之间的偏差程度。
通常用百分比或以其他适当的单位表示。
越高的精度表示测量结果与实际值之间的偏差越小，也就意味着测量结果越准确。
2.灵敏度：传感器的灵敏度是指传感器输出信号的改变程度与输入信号变化之间的关系。
灵敏度越高，传感器对输入信号的改变越敏感。
3.分辨率：分辨率是指传感器能够检测到的最小变化量。
较高的分辨率意味着传感器能够检测到较小的变化。
4.响应时间：传感器响应时间是指传感器从接收到输入信号到输出信号变化所需的时间。
较短的响应时间意味着传感器更快地对输入信号做出反应。
5.饱和度：饱和度是指传感器所能测量的最大输入量。
当输入量超过饱和范围时，传感器的输出信号将无法准确反映实际输入。
6.线性度：线性度是指传感器输出信号与输入信号之间的线性关系。
较高的线性度意味着传感器的输出信号与输入信号之间呈现更接近直线的关系。
7.温度特性：温度特性是指传感器性能随着环境温度的变化而发生的变化。
这是因为温度能够影响到传感器的灵敏度、精度和稳定性。
8.噪声：噪声是指传感器在测量过程中产生的不希望的额外信号。
噪声可以是随机的或系统性的，它会降低传感器的测量精度。
9.可重复性：可重复性是指传感器在相同条件下进行多次测量时得到的结果的一致性。
较高的可重复性意味着在相同条件下，传感器的测量结果较为稳定。
10.电压供应：传感器通常需要外部电源供电。
电压供应是指传感器所需的电压范围，通常以直流电压表示。
这些是传感器常见的基本特性参数，不同类型的传感器还可能有其他特殊的参数，例如通信接口、工作范围、安装方式等。
了解传感器的特性参数对于正确选择和应用传感器至关重要。
不同的应用场景和要求可能需要不同的传感器特性。
传感器基本特性
第2章传感器的基本特性（知识点）知识点1 传感器的基本特性传感器的基本特性是指传感器的输入－输出关系特性，是传感器的部结构参数作用关系的外部特性表现。
不同的传感器有不同的部结构参数，决定了它们具有不同的外部特性。
传感器所测量的物理量基本上有两种形式：稳态（静态或准静态）和动态（周期变化或瞬态）。
前者的信号不随时间变化（或变化很缓慢）；后者的信号是随时间变化而变化的。
传感器所表现出来的输入-输出特性存在静态特性和动态特性。
知识点2 传感器的静态特性传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入-输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系式中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.1.1 线性度线性度（Linearity）是指传感器的输出与输入间成线性关系的程度。
传感器的实际输入-输出特性大都具有一定程度的非线性，在输入量变化围不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段，这就是传感器非线性特性的“线性化”。
所采用的直线称为拟合直线，实际特性曲线与拟合直线间的偏差称为传感器的非线性误差，取其最大值与输出满刻度值（Full Scale，即满量程）之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。
2.1.2 灵敏度灵敏度(Sensitivity)是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。
对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性曲线的斜率；非线性传感器的灵敏度为一变量。
2.1.3 分辨率分辨率(Resolution)是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量，反映传感器能够分辨被测量微小变化的能力。
分辨率可以用增量的绝对值或增量与满量程的百分比来表示。
2.1.4 迟滞迟滞(Hysteresis)，也叫回程误差，是指在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正（输入量由小增大）、反（输入量由大减小）行程的输出信号大小不相等的现象。
传感器的基本特性
分类法。
35
绪 论
按大类分
传 感 器 的基本特性
物理传感器: 利用物理性质和物理效应 制成的传感器。
传感器
化学传感器: 把人体内某些化学成分、 浓度等转换成与之有确切 关系的电学量的器件。 生物传感器：利用生物活性物质具有的 选择识别待测生物化学物 质的能力而制成传感器。
36
绪 论
分类方法 按输入量分类 按工作原理分类
绪 论
传 感 器 的基本特性
生物医学传感器
阮 萍
生物医学工程系 E-mail: 326737727@
1
绪 论
传 感 器 的基本特性
传感器的应用
1、自动门，利用人体的红外微波来开关门。 2、烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的。 3、手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象。 4、电子称，利用力学传感器。 5、水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等是智能传感器。 在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如，黏度、 硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。 而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某 些量（如温度、压力、流量等）。 6、医疗器械应用中的传感器，呼吸器械：麻醉机、睡眠呼吸机、制氧机和 呼吸机。输液泵：触力传感器、霍尔效应磁位置传感器、红外传感器。 诊断用器械：血液分析仪、血细胞分析仪、免疫测定分析仪、临床化学分析 仪、质谱仪、色谱仪（气相、液相、高效液相）和实验室的自动系统等。 2
医学研究和进行疾病诊断都要求获得人体各方面的 信息。如心脏疾病的诊断，它要求来自从系统到器官、 组织、细胞、分子等各层次的信息，即心音、血压、心
电、心肌组织信息等。实现这些生物信息的检测手段就
第2章 传感器的基本特性
dn y(t)
dn-1 y(t)
dy(t)
an dt n + an -1 dt n-1 + + a1 dt + a0 y(t)
=
bm
dm x(t) dt m
bm-1
d m-1 x(t ) dt m-1
b1
dx(t) dt
b0 x(t )
（2.3.1）
式中，an、an-1、…、a1、a0和bm、bm-1、…、b1、 b0均为与系统结构参数有关但与时间无关的常数。
➢ 除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变 化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函 数，这种输入输出之间的差异就是动态误差。
第2章第7传章 感器磁电的式基传本感器特性
1155
2.3.1数学模型
一般用线性时不变系统理论描述传感器的动态 特性，数学上可以用常系数线性微分方程表示系统 的输出量y与输入量x的关系。
第2章第7传章 感器磁电的式基传本感器特性
1122
2.2.2 静态特性参数
6、漂移 作用在传感器上的激励不变时，响应量随时间
的变化趋势。表征传感器的不稳定性。 产生漂移的原因：1、传感器自生结构参数的变化；
2、外界工作环境参数的变化。
7、量程及测量范围 – 测量上限值与下限值的代数差称为量程。 – 测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大 输入量（上限）之间的范围称为测量范围。
Y ( jω) = y(t)e -jωtdt
0
0
Y ( jω)
H ( jω) = X ( jω)
H
(
jω)
=
bm an
( (
jω)m jω)n
bm-1( jω)m-1 b1( jω) b0 an-1( jω)n-1 a1( jω) a0
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迟滞特性
x
式中△ Hmax—正反行程间输出的最大差值。
迟滞是由于传感器敏感元件材料的物理特性引起的， 如磁滞回线。
4．重复性
重复性是指传感器在输入按 同一方向连续多次变动时所 得特性曲线不一致的程度。 重复性误差可用正反行程的最 大偏差表示，即
△Rmax1正行程的最大重复性偏差， △Rmax2反行程的最大重复性偏差。
直线拟合方法 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合
2．灵敏度
灵敏度是传感器对被测量变化的反应能力，是传感器 的基本指标。 传感器输出的变化量 Δy与引起该变化量的输入变化 量 Δ x之比即为其静态灵敏度，其表达式为
S=Δy/Δx
可见，传感器特性曲线的斜率就是其灵敏度。对线性 特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同。 灵敏度也存在误差，相对误差：
6．分辨率
分辨率表示传感器能检测到输入量的最小变化能力。 有些传感器,当输入量缓慢变化,超过某一增量时，传感 器才能检测到输入量的变化，这个输入量的增量称为传 感器的分辨率。
7.稳定性
稳定性表示在较长时间内传感器对于大小相同的 输入量，其输出量发生变化的程度，一般在室温条件 下，经过规定的时间间隔后传感器输出的差值称为稳 定性误差。
2 L 2 S 2 H
2 R
传感器准确度等级
• 工程应用上，传感器的精度常用引用误差表示：
n
y
n
y y 100% 100% yn
y测得值，给定真值， y测得值的算术平均值， yn测量范围的上限值（量 程） 传感器的准确度等级采 用引用误差的百分数表 示： y y 100 100 n yn
2、传感器的静态标定
• 利用一定准确度的标定设备产生已知标准的静态量， 作传感器的输入量，对传感器多次测量，绘制静态特 性曲线，以确定传感器的静态特性。 • 标定设备要求 1 （1）如系统误差较小，只考虑随机误差。
b c ..
（2）如随机误差较小，只考虑系统误差。
3 1 b c .. 10
y
⊿Rmax2
⊿Rmax1
0xBiblioteka R R max / yFS 100%
重复性反映随机误差的大小。
• 5、精度（精确度） • 精度反映传感器测量结果与真值的接近程度，用 相对误差大小表示精度高低。 • 传感器的精度常用线性度、灵敏度、滞后量、重 复性误差的方和根表示：
2 2 x1 xi ....; y1 yi n i 1 n i 1 2 n 2 n x2 xi ....; y2 yi n i n / 21 n i n / 21 通过点（x1， y1），（x2， y2）的直线斜率： y2 y1 k , , , , , , 直线的截距： b y1 k x1 x2 x1
•最小二乘法确定拟合直线，选定合适的直线方 程系数，使静态标定曲线与拟合直线偏差的平方 和为最小。拟合精度高，计算繁琐。
拟合直线方法
• 过零旋转拟合、端点连线拟合、端点连线平移拟合。拟 合精度低。 • 平均法，将测量得到的n个检测点分成数目相等的两组， 求出两个点系中心，通过两个点系中心的直线，就是要 求的拟合直线。斜率、截距可求得。拟合精度较高，计 算较简便。 n/2 n/2
通常用相对误差γL表示：
γL=±(ΔLmax/yFS)×100%
ΔLmax一最大非线性误差； yFS—满量程输出。
非线性误差的大小是以一定的拟合直线为基准直线 而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。 所以，选择拟合直线的原则，是获得最小的非线性误 差，另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。
S max s 100% S S max灵敏度的最大变化量
3．迟滞（回程误差）
yFS
y ⊿Hmax
传感器在正(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。 0 迟滞特性如图所示，它一般 是由实验方法测得。迟滞误 差一般以满量程输出的百分 H max 数表示,即 H 100% y FS
二、传感器的动态特性
标准输入有三种：
正弦变化的输入
阶跃变化的输入
线性输入 传感器输出与输入关系可用微分方程来描述， 传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。
1．数学模型与传递函数
分析传感器动态特性，必须建立数学模型。 对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模 型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分 方程求解，得出动态性能指标。 在使用传感器时，应根据输入量的频率范围， 合理选用频率特性合适传感器，一般要求在被测 量的频率范围内，输出幅值的变化限制在10%以 内，相位的偏移不超过3~6度。
3、传感器的静态性能指标
• 1、线性度
• 线性度是指传感器的输出量y与输入量x之间能否 保持理想线性的一种量度。 • 传感器在全流程范围内静态标定曲线与拟合直线 的接近程度。叫线性度。 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线 与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误 差或线性度。
非线性误差
一、静态特性技术指标
1．传感器的静态数学模型
传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不 考虑迟滞、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可 用下列多项式代数方程表示： y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn 式中：y—输出量； x—输入量； a0—零点输出； a1—理论灵敏度； a2、a3、 … 、 an—非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的不同形式。 静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之 后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据 处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方 法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。
8．漂移 漂移是指在外界干扰时，在一定的时间间隔内， 传感器输出量与输入量无关的变化程度。
二、传感器的动态特性
动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性， 当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。
被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要 输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。 通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器 的响应特性。