传感器的基本特性
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。
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
传感器的特性有哪些
1、静态特性指传感器本身具有的特征特点。
研究的几个主要指标有：线性度、精度、重复性、温漂等，通俗讲就是：非线性误差大小、线性误差大小如何、多次应用好坏、受温度变化误差大小等等。
2、动态特性指传感器在应用中输入变化时，它的输出的特性。
用它对某些标准输入信号的响应来表示，即自控理论中的传递函数。
实际工作中，便于工程项目中的采集、控制。
3、稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。
理想的情况是不论什么时候，传感器的特性参数都不随时间变化。
但实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会发生改变。
这是因为敏感器件或构成传感器的部件，其特性会随时间发生变化，从而影响传感器的稳定性。
4、线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
5、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动时所得特性曲线不一致的程度。
各条特性曲线越靠近，说明重复性越好，随机误差就越小。
6、灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。
否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm.当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
7、分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。
也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。
传感器的基本特性
1、线性度
1）定义：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的 程度。 该直线称为拟合直线。 2）非线性误差：用下式定义
Lmax L 100% YFS
ΔLmax---实际输入输出特性曲线与拟合直线间的最大偏差。 YFS---输出满量程（统一：理论输出满量程）。 3）拟合直线 常用的拟合直线有理论直线法、切线法、割线（端点连线） 法等。拟合直线不同，线性度也不同。
任务二 传感器的基本特性
学习内容
掌握传感器的静态特性 了解传感器的动态特性
引入：
传感器的输入－输出特性体现了被测未知量与传感器输 出量之间的关系，很显然这是传感器基本的特性。传感器 的特性一般分为静态特性和动态特性两种。
一、静态特性
静态特性是当被测量处于稳态，即被测量不随时间变化 或变化极其缓慢时，传感器的输入－输出特性。（表示它们 之间关系的是一个不含时间变量的代数方程。）
7、电磁兼容性
电子设备在规定电磁干扰环境中能按原设计要求正常工作，同时也 不向处于同一环境的其他设备释放超过允许范围电磁干扰的能力。
二、动态特性
动态特性是当被测量随时间变化很快时，传感器的输入 －输出特性。表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微 分方程，即输入、输出均是一个随时间变化的函数。 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，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 差异就是所谓的动态误差。
y
对线性传感器，其 灵敏度就是它的静 态特性的斜率
y
S n＝
0 (a) 线性测量系统
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。
1-2传感器的一般特性重点
ˆ 偏差的平方和为最小。 线输出值 Y i
n n n i 1 i 1 i 1
就是使各测量点实际输出数据Y i与对应拟合直
2 2 2 ˆ ( Y Y ) [ Y ( a KX )] min i i i i 0 i
n——校准点数。
2 i 2 (Yi KX i a0 )( X i ) 0 K 2 i 2 (Yi KX i a0 )(1) 0 a0
可见，频域不失真测试条件是：幅频特性为一条与横坐标平
行的水平直线，相频特性为一条过原点的具有负斜率的斜直线。
注意：
检测含有多个频率成分的信号时，测量系统的频响特
性必须同时满足幅值不失真条件和相位不失真条件才能 实现不失真测试。
CN M K
C——系数，一般取1~5； N——噪声电平； K——传感器的灵敏度。
注：
①零点处的最小检测 量称为阈值。 ②K越大表明传感器检 测微量的能力越高。
（二）分辨力 反映传感器能够有效辨别最小输入变化量的能力。 例如：
温度检测装置显示器显示温度变化最小值为0.01℃。
水表最小显示水量为0.001m3。 数字式仪表的分辨力用数字指示值的最后一位数所代 表的输入量表示。
jt
y (t ) Be
( j t )
则 频响特性
Y ( j ) B j e X ( j ) A
幅频特性 相频特性
Y ( j ) B W ( j ) X ( j ) A ( ) y x
可见：幅频特性是输出信号幅值与输入信号幅值之比，相
分辨力相对于满量程输入值的百分数称为分辨率。
五、迟滞
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一种能够将被测量的物理量转化为可观测的电信号的设备。
它具有许多基本特性和指标，这些特性和指标对于理解和选择合适的传感器至关重要。
下面是传感器的基本特性和指标的详细介绍。
1.灵敏度：传感器的灵敏度是衡量传感器对被测量物理量变化的响应能力。
灵敏度通常用一个比例系数来表示，表示传感器输出信号的变化量与被测量物理量变化量之间的关系。
灵敏度越高，传感器对物理量的变化越敏感。
2.测量范围：传感器的测量范围是指传感器能够测量的被测量物理量的最大和最小值。
超出测量范围的物理量值会导致传感器输出信号失真或不准确。
因此，在选择传感器时，需要根据被测量物理量的范围来确定合适的测量范围。
3.精度：传感器的精度是指传感器输出信号与被测量物理量真实值之间的误差。
精度通常使用一个百分比或一个分数来表示，表示误差与被测量物理量真实值的比值。
精度越高，传感器输出信号与真实值之间的误差越小。
4.响应时间：传感器的响应时间是指传感器从感知到被测量物理量变化到输出相应信号的时间间隔。
响应时间是衡量传感器快速响应能力的指标。
在一些应用中，需要选择具有快速响应时间的传感器。
5.温度特性：传感器的温度特性是指传感器输出信号与工作温度之间的关系。
温度变化会影响传感器的性能和精度。
因此，传感器的温度特性至关重要，特别是在高温或低温环境中的应用中。
6.分辨率：传感器的分辨率是指传感器能够检测到的最小物理量变化。
分辨率决定了传感器输出信号对被测量物理量细微变化的灵敏度。
较高的分辨率意味着传感器可以检测到更小的变化。
7.线性度：传感器的线性度是指传感器输出信号与被测量物理量之间的直线关系程度。
在一些应用中，需要选用具有高线性度的传感器，以确保传感器输出信号与被测量物理量之间的一致性。
8.可靠性：传感器的可靠性是指传感器在一定时间内正常工作的能力。
传感器的可靠性取决于它的设计和制造质量。
在一些应用中，需要选择具有高可靠性的传感器，以确保长时间的稳定运行。
第二章 传感器的基本特性
47
二阶系统的动态响应（振动系统）
二阶系统传递函数
b0 kw Y ( s) H ( s) 2 2 X ( s) a2 s a1s a0 s 2 wm s wn
零漂＝
Y0 100% YFS
式中 ΔY0 ——最大零点偏差；
YFS ——满量程输出。
22
温度漂移
传感器在外界温度变化时输出量的变化
温漂＝
max 100% YFS T
式中 Δmax —— 输出最大偏差； ΔT —— 温度变化范围； YFS —— 满量程输出。
23
其它特性指标
分辨率—— 传感器能够检测到的最小输入增量；
14
迟滞
重合的现象称迟滞。
输入量增大
传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不
输入量减小
15
迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：
H H max / Y
FS
100%
H max Y2 Y1
例：一电子秤
增加砝码 电桥输出 减砝码输出
为正、反 行程输出值间的最大差值
10g —— 50g —— 100g —— 200g 0.5 mv --- 2mv --- 4mv --- 10mv 1 mv --- 5mv --- 8mv --- 10mv
16
重复性
传感器输入量按同一方向作多次测量时，输 出特性不一致的程度。
17
重复性误差用最大重复偏差表示：
Rmax rR 100% YFS
43
反变换后得出输出的振幅和频率变化特性
e 1 ( / ) y (t ) sin(t ) 2 2 2 2 (1/ ) (1/ )
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
传感器的主要参数特性
传感器的主要参数特性传感器是一种用于感知和检测环境中其中一种物理量或者化学量并将其转化为可用的电信号或其他形式的输出信号的装置。
传感器的性能指标是评价传感器性能优劣的重要指标，是选择合适传感器的依据。
下面主要介绍传感器的主要参数特性。
1.精度：精度是指传感器输出值与被测量实际值之间的偏差。
它是传感器性能评价的重要指标之一、精度高的传感器能够准确地测量被测量物理量，并提供准确的输出信号。
传感器的精度取决于多个因素，包括传感器的设计、材料、电子电路和校准方法等。
2.灵敏度：灵敏度是指传感器输出的信号变化量与被测量物理量变化量之间的关系。
灵敏度高的传感器能够感知微小的物理量变化，并将其转化为较大的输出信号。
传感器的灵敏度取决于传感器的物理结构和电子电路设计等因素。
3.响应时间：响应时间是指传感器从接收到输入信号到产生输出信号所需的时间。
响应时间短的传感器能够及时响应被测量物理量的变化，并提供实时的输出信号。
响应时间取决于传感器的物理结构、材料和信号处理电路等。
4.动态范围：动态范围是指传感器能够测量的最小和最大物理量之间的范围。
动态范围越大，传感器能够测量的物理量范围越广。
传感器的动态范围取决于传感器设计、电子电路和信号处理算法等。
5.噪声：噪声是指传感器输出信号中与被测量物理量无关的随机波动。
噪声会降低传感器的测量精度和灵敏度。
传感器的噪声来自多个因素，包括电子电路、传感器材料和环境干扰等。
6.温度特性：温度特性是指传感器输出信号与温度变化之间的关系。
温度特性表征了传感器在不同温度下的测量性能。
温度特性取决于传感器的设计、材料和温度补偿电路等。
7.稳定性：稳定性是指传感器输出信号在长期使用过程中的变化程度。
稳定性好的传感器能够保持较为稳定的输出信号，不受环境变化和时间的影响。
8.重复性：重复性是指传感器对于相同的输入信号，在不同的测量条件下多次测量所得到的输出信号之间的一致性。
重复性好的传感器能够提供稳定且一致的输出信号。
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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。
and n y / dtn a1dy / dt a0 y bmd m x / dtm b1dx / dt b0 x
y——输出量； x——输入量；
(2-5)
t——时间
a0， a1，… ，an ——常数； b0， b1，… ，bm ——常数
d n y / dtn ——输出量对时间t的n阶导数；
y
Y e x (1.705x 0.894 )
d [e (1.705x 0.894)] 0 dx
x
y=kx+b
x
解得x=0.5335
x 0.5335
Ymax e x (1.705 x 0.894 )
得最小二乘法线性度：
0.0987
y max 0.0987 100% 5.75% YFS e 1
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。
y
⊿Rmax2
⊿Rmax1
数值上用各测量值正、 反行程标准偏差最大 值的2-3倍与满量程的 百分比表示。
0
x
△Rmax1正行程的最大重复性偏差， △Rmax2反行程的最大重复性偏差。
R (2 ~ 3) / yFS 100%
输 出 量 零 点 输 出 理 输 论 灵 入 敏 量 度 非线性项系数
直线拟合线性化
非线性误差或线性度
L ( LMax yFS ) 100%
最大非线性误差 满量程输出
1、线性度
传感器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。
直线拟合线性化
非线性误差或线性度
L ( LMax yFS ) 100%
（3）动态响应（正弦和阶跃）
（1）正弦输入时的频率特性
零阶传感器
第二章
在零阶传感器中，只有a0与b0两个系数，微分方程为
y0x (b0 a0y= b
K——静态灵敏度
/ a0 ) x Kx
零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出 量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞 后，幅角等于零。如电位器传感器。
bm s m b1s b0 Y ( s) W ( s) n X ( s) an s a1s a0
Y(s)——传感器输出量的拉氏变换式； X(s)——传感器输入量的拉氏变换式
上式分母是传感器的特征多项式，决定系统的“阶”数。 对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中 各阶导数用相应的s变量替换，即求出传感器的传递函 数。
d m x / dtm ——输入量对时间t的m阶导数
第二章
零阶传感器的数学模型
如果公式(2-5)除a0、b0 不为0，其它系数都为0 。变为零阶传感器。
L Usr
+
x
Usc
a0 y(t ) b0 x(t )
或
y(t ) Kx(t )
K为静态灵敏度。
-
右图的线性电位器就是零阶传感器。输出满足：
(b) 相频特性 一阶传感器的频率特性
时间常数τ越小，频率响应特性越好。 当ωτ<< 1时，A (ω)≈1，Φ (ω)≈ωτ， 表明传感器输出与输入为线性关系，相位差与频率ω成线性关系， 输出 y ( t ) 比较真实地反映输入x ( t ) 的变化规律。 因此，减小τ可以改善传感器的频率特性。
第二章
可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。它表征 传感器对输入量变化的反应能力。
3.迟滞
传感器在正(输入量增大)和反 （输入量减小）行程中输出曲 线不重合的现象称为迟滞特性。
yFS
y
⊿Hmax
0
H H max / yFS 100%
迟滞特性
x
式中△ Hmax—正反行程间输出的最大差值。
dy y Kx dt
τ—时间常数( τ= a1/a0)；K——静态灵敏度( K= b0/a0)
时间常数 τ越小， 系统的频率特性越好 负号表示相位滞后
幅频特性： W ( j )
K 1 ( ) 2
相频特性： ( ) arctan( )
第二章
(a) 幅频特性
一阶传感器实例
第二章
二阶传感器的数学模型
如果公式(2-5)除a0、b0、a1、a2不 为0，其它系数都为0。变为二阶 传感器。
e1
第二章
a2d y / dt a1dy / dt a0 y b0 x
2 2
或
（D2/ω02+2ξD/ω0+1)Y（t）=KX(t)
0 a0 / a2 为无阻尼系统的固有频 K为静态灵敏度。 率。 a1 / 2 a0 a2 为阻尼比。右图的带保护套管式 热电偶插入恒温水中就是二阶传感器。满足：
第二章 稳态下，正弦输入下传感器的动态特性（即频率特 性）由传递函数导出
bm ( j ) m b1 ( j ) b0 Y ( j ) W ( j ) X ( j ) an ( j ) n a1 ( j ) a0
W ( j ) 为一复数，它可用代数形式及指数形式表示，即
第二章
零阶传感器的频率特性
Y/X( jω) k φ
0
ω
0
ω
一阶传感器
b a1 dy y 0 x a0 dt a0
第二章
微分方程除系数a1， a0 ，b0外其他系数均为0，则
a1(dy/dt)+a0y= b0x
K 传递函数： W ( s ) 1 s 频率特性： W ( j ) K 1 j
不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏 度之比的曲线如图。
第二章
幅频特性与相频特性 伯德图： 当/n<<1时： A()K，() 0 近似零阶 当/n>0.3时： 与阻尼有关 较小时 ： A()随出现较大波动 当 =0时，A(n) =, 附近谐振 较大时： A()<0 衰减 0.7时：A()平坦段最宽，()接近斜直线
最大非线性误差 满量程输出
直线拟合方法
⑤最小二乘拟合
y kx b
i yi (kxi b)
原理: yi (kxi b) min
i 1 2 i 2 i 1
n
n
2 i 2 ( yi kx i b)( xi ) 0 k 2 i 2 ( yi kx i b)( 1) 0 b
一、 传感器的静态特性
y a0 a1 x a2 x a3 x an x
2 3
n
分为线性 和非线性
静特性指标
一、线性度 二、灵敏度 三、迟滞 四、重复性
五、零点漂移
六、温度漂移
第二章
1、线性度
y a0 a1x a2 x2 a3 x3 an xn
Usc (Usr / L) x kx
第二章
一阶传感器的数学模型
如果公式(2-5)除a0、b0、a1不 为0，其它系数都为0。变为 一阶传感器。
e1
a1 (dy(t ) / dt) a0 y(t ) b0 x(t )
或 ( D 1) y(t ) K x(t ) K为静态灵敏度。て= a1/ a0为时间常数。如果传感器含 有单个储能元件，则出现y的一阶导数，即为上式。右 图的热电偶插入恒温水中就是一阶传感器。由能量守恒 有：
k n xi yi xi yi n xi2 ( xi ) 2
x y x x y b n x ( x )
2 i i 2 i i i 2 i i
2.灵敏度
传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量 x之比即为其静态灵敏度，其表达式为
K=Δy/Δx
二阶传感器
很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶 传感器，其微分方程为：
a2d y / dt a1dy / dt a0 y b0 x