传感器及基本特性(第四章 )解读

描述传感器输入一输出关系的方法有两种：一是传 感器的数学模型；二是传感器的各种基本特性指标。两 者都可用于描述传感器的输入、输出关系及其特性。
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一、传感器静态特性一般知识
传感器的静态特性是指传感器在静态工作
状态下的输入输出特性。所谓静态工作状态是
指传感器的输入量恒定或缓慢变化而输出量也
达到相应的稳定值时的工作状态。这时输出量


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第二节 传感器的静态特性
传感器所测量的量(物理量、化学量及生物量等)经 常会发生各种各样的变化。例如，在测量某一液压系统 的压力时，压力值在一段时间内可能很稳定，而在另一 段时间内则可能有缓慢起伏，或者呈周期性的脉动变化， 甚至出现突变的尖峰压力。传感器主要通过其两个基本 特性—静态特性和动态特性，来反映被测量的这种变动 性。
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举例：测量压力的电位器式压力传感器
1-弹簧管 2-电位器
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弹性敏感元件（弹簧管）
敏感元件在传感器中直接感受被测量， 并转换成与被测量有确定关系、更易于转换 的非电量。
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弹性敏感元件（弹簧管）
在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α
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弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。
接地
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测量转换电路的作用是将传感元件输出 的电参量转换成易于处理的电压、电流或频 率量。 在左图中，当电 位器的两端加上电源 后，电位器就组成分 压比电路，它的输出 量是与压力成一定关 系的电压Uo 。
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二、传感器分类
传感器的种类名目繁多，分类不尽相 同。常用的分类方法有： １）按被测参数分类：可分为位移、力、 力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、 流量、流速等传感器。 2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、 电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红 外、光导纤维等传感器。
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二、传感器的组成
被测量
敏感元件
转换元件 辅助电源
基本转换电路
电量
传感器组成框图
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敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测 量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它 把输入转换成电路参量。 基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电 路（简称转换电路），便可转换成电量输出。 应该指出的是，并不是所有的传感器都必须 包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输 出的是电量，它就同时兼为转换元件。
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第一节 传感器的定义、组成与分类 一、传感器的定义
国家标准中传感器（Transducer/Sensor）的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用 输出信号的器件或装置。
①传感器是测量装置，能完成检测任务； ②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，便于传输、转换、处理、显示 等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； ④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器名称：敏感元件、变送器、换能器、检测器、探头
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其他各种弹性敏感元件
在上图中的各种弹性元件也能将压力转 换为角位移或直线位移。
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被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转
换Hale Waihona Puke 电参量在右图 中， 电位器 为传感元件， 它将角位移 转换为电参 量-----电阻 的变化（ΔR）
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360度圆盘形电位器
右图所 示的360度圆 盘形电位器 的中间焊片 为滑动片， 右边焊片接 地，左边焊 片接电源。
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直线拟合方法 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合
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最小二乘法拟合
设拟合直线方程：
y=kx+b
y yi y=kx+b 0
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
第四章 传感器的特性
人类处于信息时代，信息技术的三大支柱 是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感 器技术是测控技术的基础。“没有传感器技术 就没有现代科学技术”的观点已为全世界公认。 传感器处于自动检测与控制系统之首，是 感知、获取与检测信息的窗口。科学研究和生 产过程要获取的信息，都要通过传感器转换成 容易传输和处理的电信号。
Lmax L 100% ymax ymin
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作图法求线性度演示
（ 1—拟合曲线 2—实际特性曲线 ）
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由于实际遇到的传感器大多为非线性。 在实际使用中，为了标定和数据处理的方便， 希望得到线性关系。 因此引入各种非线性补偿环节，如采用 非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理， 从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近 线性，但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，所采用的直线称为拟合直 线。
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传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取 的。所谓校准试验，就是在规定的试验条件下，给传 感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量。在传 感器的研制过程中可以通过其已知的元部件的静特性， 采用图解法或解析法而求出传感器可能具有的静态特 性。
传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有 与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。
为输入量的确定函数。
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对静态特性而言，传感器的输入量x与输出量y
之间的关系通常可用一个如下的多项式表示：
y a0 a1 x a2 x an x
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n
实际使用中的大多数传感器，其用代数多项式表示 的特性方程的次数并不高，一般不超过五次。根据传 感器的实际特性所呈现的特点和实际应用场合的具体 需要，其静特性方程并非一定要表示成上式所确定的 完整形式。
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二、传感器的静态特性指标
传感器的特性一般指输入、输出特性， 包括：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分 辨力、稳定度、漂移、电磁兼容性、可靠性 等。
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线性度：
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量程范围内的输出之百 分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起 来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理 论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线 性度，非线性误差越小越好 。线性度的计算 公式如下：