1传感器基本特性.

传感器技术主编：张永花TheCoursefor应电1401Createdbykairry项目一传感器的基本特性传感器静态性能指标与动态特性参数传感器的分类传感器的标定与校准传感器的选用原则传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING由传感器的定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。传感器组成框图敏感元件转换元件辅助电源接口电路非电物理量电信号二端口网络xy输入量输出量故传感器的基本特性用其输出与输入间的关系来表达传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING传感器在被测量各值处于稳定状态下（静态：常量或缓变量）讨论传感器的静态特性（输入输出的关系）传感器在被测量各值处于变化状态下（动态：随时间变化的变量）讨论传感器的动态特性（输入输出的关系）动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。虽然传感器的种类和形式很多,但它们一般可以简化为一阶或二阶系统。在对传感器动态特性进行分析时，为了便于比较和评价，通常采用最典型、最简单、易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号,传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号,则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING1、传感器的静特性包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率、稳定度、漂移等。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）之间的最大偏差即传感器的非线性误差，通常用相对误差来表示：2—实际特性：1—拟合特性：线性的传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING1、传感器的静特性迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING1、传感器的静特性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，输出特性曲线不一致性的程度。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。分辨力指传感器能检出被测信号的最小变化量。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。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING1、传感器的静特性灵敏度是传感器在稳态下输出微增量与引起该增量的输入增量之比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率；对于非线性传感器，其灵敏度是一个随工作点而变的变量。ySxdySdx传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING1、传感器的静特性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。稳定性有表示传感器长时间内保持性能参数的能力。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。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING2、传感器的动态特性在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号：其输出特性称为阶跃响应特性。衡量阶跃响应的几项指标。0010)(tttu传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING2、传感器的动态特性峰值时间最大超调量上升时间延迟时间响应时间传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING2、传感器的动态特性频率响应特性给传感器输入各种频率不同而幅值相同初相位为零的正弦信号，其输出的正弦信号的幅值和相位与频率之间的关系，则为频率响应曲线。3、传感器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。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。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING3、传感器分类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、露点传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING3、传感器分类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。1.电学式传感器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2.磁学式传感器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。3.光电式传感器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。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING3、传感器分类按传感器工作原理分类4.电势型传感器利用热电效应、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。5.电荷传感器利用压电效应原理而制成。主要用于力及加速度的测量。6.半导体传感器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。7.谐振式传感器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。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING3、传感器分类按传感器工作原理分类8.电化学式传感器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。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。另外还有：按能量的关系分类，分为有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，分为模拟式传感器和数字式传感器。例如：盘式角度数字传感器，光栅传感器等。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING4、提高传感器性能的方法决定传感器性能的指标很多，要求一个传感器具有全面良好的性能指标，不仅给设计、制造造成困难，而且在实用上也没有必要。因此，应根据实际的需要与可能，在确保主要性能指标实现的基础上，放宽对次要性能指标的要求，以求得高的性能价格比。1.采用线性化技术2.差动技术3.平均技术4.零位法、微差法和闭环技术5.补偿与校正技术6.集成化和智能化7.屏蔽、隔离和抑制干扰8.稳定性处理传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING5、传感器的标定与校准利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度，称为标定；对传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。基本方法是：利用标准仪器产生已知的非电量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。静态标定指输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如灵敏度、非线性、滞后、重复性等指标的检定。动态标定对被标定传感器输入标准激励信号，测得输出数据，做出输出值与时间的关系曲线。由输出曲线与输入标准激励信号比较可以标定传感器的动态响应时间常数、幅频特性、相频特性等。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING6、传感器的选择原则（1）传感器的类型选择传感器的类型选择是根据具体测量工作决定的，这需要针对多方面的因素进行分析后才能给出明确的答案。传感器测量的对象对传感器本身设计原理的选择具有一定的决定作用。此外量程的大小、测量的方式、信号的引出方法及传感器本身的质量和价格，也需要综合考虑。（2）灵敏度的选择在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是：传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING6、传感器的选择原则（3）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：1）量程的大小；2）被测位置对传感器体积的要求；3）测量方式为接触式还是非接触式；4）信号的引出方法，有线或是非接触测量；5）传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING6、传感器的选择原则（4）频率响应特性的选择传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因此频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)确定响应特性，以免产生过大的误差。传感器技术零武汉软件工程职业学院WUHANVOCATIONALCOLLEGEOFSOFTWAREANDENGINEERING6、传感器的选择原则（5）线性范围的选择传感器的线形范围是指