第2章传感器的基础知识.doc

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1、第2章传感器的基础知识（2学时）本章主要内容:2.1传感器的基本概念1传感器的定义2传感器的组成3传感器的分类2.2传感器的基本特性一．静态特性：二.动态特性三．传感器的互换性2.3传感器的标定和校准一.基本概念二.传感器的标定工作分类三.静态标定四．动态标定五.标定过程步骤2.1传感器的基础知识1.传感器的定义传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。所以传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等。传感器的输出量通常是电信号，它便于传输、转换、处理、显示等。电信号有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式通常由传

2、感器的原理确定。如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。2.传感器的基本组成传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换，因此传感器通常由敏感元件和转换元件构成。2.传感器的分类一般情况下，对某一物理量的测量可以使用不同的传感器，而同一传感器又往往可以测量不同的多种物理量。所以，传感器从不同的角度有许多分类方法。目前一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等；另一种是按

3、传感器的工作原理分类。①按检测对象：温度、压力、位移等。②按传感器原理或反应效应：光电、压电、热阻等。③按传感器材料分类：半导体，有机、无机材料，生物材料。④按应用领域：化工、纺织、电力、交通等。⑤按输出信号形式：模拟和数字。2.2传感器的基本特性在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。一．静态特性：是指传感器的输入为不随时间变化的恒定信号或缓慢变化时，传感器的输

4、出与输入之间的关系。传感器的静态特性可以用代数方程和其特性指标来描述。1.数学描述：如果不考虑迟滞及蠕变效应，其静态特性可用下列代数方程来表示：蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。式中决定特性曲线的形状和位置的系数，一般通过传感器的校准试验数据经曲线拟合求得，可正可负。理想线性情况下：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，利用一定等级的校准设备，给传感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量，如此进行反复测试，得到输出-输入数据一般用表列出或曲线画出。2.特性指标：主要包括线性度、

5、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、漂移、稳定性、阈值等。(1)线性度：反应传感器输出量与输入量之间数量关系的线性程度，指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Δmax与满量程输出值之比。线性度也称为非线性误差，用γ表示即：(2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，其定义为输出量的增量Δy与引起该增量的相应输入量增量Δx之比。用S表示灵敏度，即，它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏，如下图所示。对线性传感器：S是一个常数，对非

6、线性传感器，S是个变量，表示某一工作点的灵敏度。(3)迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图所示。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。迟滞误差:传感器在全量程范围内最大的迟滞差值与满量程输出值之比，用表示，即产生迟滞现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的。例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。(4)重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作

7、全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图所示。重复性误差：属于随机误差，常用标准差σ计算，也可用正反行程中最大重复差值计算。即：（1）或（2）公式（1）中分别求出全部校准数据与其相应行程的标准偏差，然后计算。前的系数取2时，误差完全依正态分布，置信率95%；取3时置信率99.73%(5)分辨力：用来表示传感器或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力，通常以最小量程的单位值表示。当被测量变化值小于分辨力时，传感器无反应。(6)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器

8、自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂