02传感器的基本知识

——实验次数； 实验次数； 实验次数 ——第i次实验值； 第 次实验值 次实验值； ——实验值的算术平均值。 实验值的算术平均值。 实验值的算术平均值
（5）分辨率与分辨力 传感器能够测量 到的最小输入变化值, 到的最小输入变化值, 分辨力——代表 称为分辨力 称为分辨力 代表 了传感器的最小量程 分辨率用来表 分辨率用来表 示分辨质量： 示分辨质量：
真值，被测量本身所具有的真正值。 A0—真值，被测量本身所具有的真正值。 示值误差: 示值误差: A—标准测量装置所测得值或无限次测量结果的 标准测量装置所测得值或无限次测量结果的 算术平均值。
测 量 值 x
误差 ∆x
A
误差 测量值x 测量值 ∆x 真 值 A
B
A与B两个测量结果哪个更准确？ 两个测量结果哪个更准确？ 准确
3. 传感器的分类（三种方法 ） 传感器的分类（三种方法--2）
②按工作原理（转换原理）分类 按工作原理（转换原理） 如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、 如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、 磁电式传感器、压电传感器…… 磁电式传感器、压电传感器
——能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性。 能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性。 能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性
3． 误差的性质 ．
根据测量数据中的误差所呈现的规律, 将误差分为三种, 根据测量数据中的误差所呈现的规律 将误差分为三种 即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量 即系统误差、 随机误差和粗大误差。 数据处理。 数据处理。 （1） 系统误差对同一被测量进行多次重复测量时, 如果 ） 系统误差对同一被测量进行多次重复测量时 误差按照一定的规律出现, 则把这种误差称为系统误差。例如, 误差按照一定的规律出现 则把这种误差称为系统误差。例如 标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。 标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。 （2） 随机误差对同一被测量进行多次重复测量时 绝对 ） 随机误差对同一被测量进行多次重复测量时, 值和符号不可预知地随机变化, 但就误差的总体而言, 值和符号不可预知地随机变化 但就误差的总体而言 具有一 定的统计规律性的误差称为随机误差。 定的统计规律性的误差称为随机误差。
3. 传感器的分类（三种方法 ） 传感器的分类（三种方法--3）
③按能量的传递方式分类 将非电量转换成电量的转换元件均可分为两类 ——有源元件和无源元件。 有源元件和无源元件。 有源元件和无源元件
二、测量误差
1 误差: 绝对误差；相对误ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 误差: 绝对误差；
1） 绝对误差: ） 绝对误差:
x—实际值，测量得到的结果； 实际值，测量得到的结果；
阶跃响应
给传感器输入一个单位阶跃函数信号
0(t ≤0)
x(t) ={
1(t >0)
时，其输出特性称为阶跃响应特性。 其输出特性称为阶跃响应特性。
1) 零阶传感器 这种传感器其输出量 y 与输入量
x
之间的关系为：
a0 y = b0 x
传感器的阶跃响应特性
y (t ) = K (t > 0)
其输出特性曲线如图所示。 其输出特性曲线如图所示。
引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的 微小因素, 一般无法控制。 微小因素 一般无法控制。对于随机误差不能用简单的修正 值来修正,只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能 值来修正 只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能 性的大小。 性的大小。 （3） 粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差 ） 粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差, 又称疏忽误差。 又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件 的突然变化而引起的。对于粗大误差, 的突然变化而引起的。对于粗大误差 首先应设法判断是否 存在, 然后将其剔除。 存在 然后将其剔除。
当传感器的灵敏度为常数时，输出 输入关系为 输入关系为： 当传感器的灵敏度为常数时，输出—输入关系为：
式中k——为灵敏度 为灵敏度 式中
a0、k 确定了传感器的所有输出 输入关系。 确定了传感器的所有输出 输入关系。 所有输出—输入关系 当传感器的输出为非线性时，输出—输入关系为： 当传感器的输出为非线性时，输出 输入关系为： 输入关系为
狭义： 狭义： 传感器就是能将外界信息转换成电信号 外界信息转换成电信号的 传感器就是能将外界信息转换成电信号的 装置。 装置。
2．传感器的作用
l ）信息的收集 2）信息数据的转换 3）控制信息的采集
3. 传感器的结构类型
任务 ：①将被测量——转换——为特定的非电量 被测量——转换 转换——为特定的 为特定的非电量 如应变、位移等）； （如应变、位移等）； 非电量——转换 转换——为 ②将非电量——转换——为电参数 电阻、电感、电容、电势等）； （电阻、电感、电容、电势等）； ③将电参数——变换——为电量 电参数——变换 变换——为 电压或电流）。 （电压或电流）。 构成： 敏感元件——完成任务① ； 完成任务① 构成：①敏感元件 完成任务 转换元件——完成任务② ； 完成任务② ②转换元件 完成任务 ③测量电路——完成任务③ 。 测量电路 完成任务③ 完成任务
-△X △ -△y △
差动电路
电量
将两个传感器构造成一个测量正增益变化 ），一个测量负增益变化 一个测量负增益变化（ ），它们的 （+△X），一个测量负增益变化（-△X），它们的 输出（ 经差动电路处理后再输出, 输出（+△y和-△y）经差动电路处理后再输出,这 就是D型结构的传感器，也称为差动结构型传感器 差动结构型传感器。 就是D型结构的传感器，也称为差动结构型传感器。
传感器的结构类型有 种 传感器的结构类型有4种
① A型结构的传感器 被测量
敏感元件
电量
这种传感器的敏感元件、转换元件和测量电路 这种传感器的敏感元件、 是合一的， 是合一的，把感应到的外界非电量的变化直接转换 成电量（电荷、电势）输出。 成电量（电荷、电势）输出。 如：热电偶、磁电式传感器、光电池和压电式 热电偶、磁电式传感器、 传感器，其转换元件多是有源元件，被称为电量传 传感器，其转换元件多是有源元件，被称为电量传 感器。 感器。
平均分辨率为 ：
（满量程） 满量程）
最大分辨率为： 最大分辨率为： （满量程） 满量程）
2. 动态特性
传感器输出信号跟踪输入信号变化的特性就是 响应特性，即为动态特性 即为动态特性。 响应特性 即为动态特性
动态特性问题较为复杂，为简化问题， 动态特性问题较为复杂，为简化问题，通 过阶跃响应来研究动态特性。 过阶跃响应来研究动态特性。
2） 相对误差: ） 相对误差:
实际相对误差： 实际相对误差：
示值相对误差： 示值相对误差：
满度（引用）相对误差： 满度（引用）相对误差： xm—测量装置的满量程。 测量装置的满量程。 测量装置的满量程 用相对误差来说明测量的质量——谁测量的更准确。 准确。 用相对误差来说明测量的质量 谁测量的更准确
式中
但是不同的拟合方法得到的线性度不同。 但是不同的拟合方法得到的线性度不同。
1）理论线性度（绝对线性度）： 理论线性度（绝对线性度）：
拟合直线： 拟合直线：
2）端基线性度： 端基线性度：
拟合直线： 拟合直线：
a0——被测量为零时的传感器输出值。 被测量为零时的传感器输出值。 被测量为零时的传感器输出值
3）平均选点线性度： 平均选点线性度：
拟合直线： 拟合直线：
4）独立线性度： 独立线性度：
此时线性度计算公式应改写为： 此时线性度计算公式应改写为： 独立线性度： 独立线性度：
5）分段线性化
折线逼近法， 折线逼近法， 通常用精密折点电路实现， 通常用精密折点电路实现， 也可在具有CPU的测量装置中用软件实现。 也可在具有CPU的测量装置中用软件实现。 CPU的测量装置中用软件实现
Y
K
0
T
零阶传感器的单位阶跃响应
2) 一阶传感器 这种传感器其输出量 y 与输入量 x 之间的 关系为： 关系为：
② B型结构的传感器
被测量
敏感元件 + 测量电路
电量
这些传感器的敏感元件和转换元件是同一元件。 这些传感器的敏感元件和转换元件是同一元件。 热敏电阻式传感器、电容式传感器、 如：热敏电阻式传感器、电容式传感器、感应同步 器、角度编码器等 。
③ C型结构的传感器
被测量 敏感元件 + 转换元件 + 测量电路
线圈1、线圈2构成两个B型传感器，当衔铁移动 线圈1 线圈2构成两个B型传感器， 时一个线圈的电感增大，另一个线圈的电感减小, 时一个线圈的电感增大，另一个线圈的电感减小,变 压器电桥将两差动变化的感抗变换成电压输出。 压器电桥将两差动变化的感抗变换成电压输出。 线圈： 线圈：直接感应衔铁的移动并将其转换成电参数 感抗）输出——它是敏感元件与转换元件合一的敏 （感抗）输出 它是敏感元件与转换元件合一的敏 感元件。变压器电桥：将电参数转换成电量——它是 感元件。变压器电桥：将电参数转换成电量 它是 转换元件。 转换元件。
三、传感器的静态特性和动态特性
1. 静态特性 （1）灵敏度与S／N（信噪比） 灵敏度与 ／ （信噪比）
灵敏度： 灵敏度：
信噪比： 信噪比：传感器输出信号中的信号分量与 噪声分量的平方平均值之比。 噪声分量的平方平均值之比。
（2）线性度 ） 线性关系：输入与输出量之间为线性比例关系。 线性关系：输入与输出量之间为线性比例关系。
非线性传感器的输出—输入关系如何确定？ 非线性传感器的输出 输入关系如何确定？ 输入关系如何确定
方法： 直线（称为拟合直线）代替实际曲线。 实际曲线 方法：用直线（称为拟合直线）代替实际曲线。 问题：①这种代替将会产生多大误差？ 问题： 这种代替将会产生多大误差？ ②直线的拟合方法是否会产生误差？ 直线的拟合方法是否会产生误差？ 描述拟合误差的大小用线性度来表示： 线性度来表示 描述拟合误差的大小用线性度来表示： 线性度 ——最大非线性误差； 最大非线性误差； 最大非线性误差 ——传感器的满量程输出值平均值。 传感器的满量程输出值平均值。 传感器的满量程输出值平均值