传感器与检测技术第二讲传感器的基本特性

传感器及检测技术第二讲传感器基本特性2020/1/721.传感器的分类2020/1/73一.传感器的分类传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。2020/1/741)按被测量分类这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。2020/1/75这种分类方法把种类繁多的被测量分为：基本被测量和派生被测量两类。见下表1-1。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。6表1-1基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度角位移旋转角、偏转角、角振动速度线速度速度、振动、流量、动量角速度转速、角振动加速度线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、扭矩、转动惯量力压力重量、应力、力矩时间频率周期、计数、统计分布温度热容量、气体速度、涡流光光通量与密度、光譜分布湿度水气、水分、露点2020/1/77这种分类方法：优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。2020/1/782)按传感器工作原理分类这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种分类法：优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。缺点是不便于使用者根据用途选用。2020/1/79具体划分为：⑴电学式传感器电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。⑵磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。2020/1/710⑶光电式传感器光电式传感器是利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。⑷电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。2020/1/711⑸电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理而制成。主要用于力及加速度的测量。⑹半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。2020/1/712⑺谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。主要用来测量压力。⑻电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成，可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。2020/1/713还有：按能量的关系分类，即将传感器分为：有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，即将传感器分为：模拟式传感器和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如：盘式角度数字传感器，光栅传感器等。2020/1/715传感器的基本特性，即输入-输出特性，基本特性可用静态特性和动态特性来描述。(1)静态特性静态特性是指，被测量的值处于稳定状态时的输出-输入关系，即输出量与输入量之间的关系式中不含有时间变量。传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。1.线性度线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。用相对误差表示%100maxFSLYLL2020/1/716图1-5几种直线拟合方法△LmaxYFSxyyx△L2=△Lmax△L1YFS△L3△L2△L2=△LmaxYFSxy△LmaxYFSxy△L2a过零旋转拟合d端点平移拟合c端点连线拟合b理想拟合2020/1/7172.灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，其sn=y/x2020/1/718图1-6传感器的灵敏度3.迟滞现象传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度，如图1-8所示。在行程环中同一输入量xi对应的不同输出量yi和yd的差值叫滞环误差，最大滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率EMAX：EMAX=∆m/YFS·100%非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-6（b）所示，其sn=dy/dx=df(x)/dx2020/1/720图1-8传感器的迟滞现象2020/1/7214.重复性重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-7所示。传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。不重复性极限误差由下式表示：EZ=∆mMAX/YFS·100%2020/1/722图1-7传感器的重复性2020/1/7235.分辨力传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。6.稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。2020/1/7247.漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与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等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。2020/1/7252、动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量是时间函数时，传感器的输出量也是时间函数，其间的关系要用动态特性来表示。理想特性：输出在线输入的变化规律，即具有相同的时间函数。动态误差：输出信号与输入信号不具有相同的时间函数，这种输出与输入之间的差异就是动态误差。课后作业1、复习本堂课内容，预习下一章节，1.3检测技术的基础知识，下堂课会就本堂课内容提问。2、课后作业：书本P，第，，，题，写在作业本上。