传感器原理和应用期末总复习.ppt

第1章 传感器的基本概念 1.1 传感器的定义与组成 1.定义 根据国家标准（GB7665-1987），传感器是指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。 2.传感器的组成 传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大差异，但总的说来，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部分组成。 传感器的组成框图如下： 敏感元件——是指传感器中能直接感受（或响应）与检测出被测对象的待测信息（非电量）的部分。 转换元件——是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）出的信息转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。 （注：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，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。） 信号调节电路——是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。 辅助电路——通常包括电源，即交、直流供电系统。 1．2 传感器的分类 1．按工作机理分类（★） 这种分类方法是以其工作原理划分，将物理、化学和生物等学科的原理、规律、效应作为分类的依据。 （1）结构型传感器——是利用物理学的定律等构成的，其性能与构成材料关系不大。 这是一类其结构的几何尺寸（如厚度、角度、位置等）在被测量作用下会发生变化，并可获得比例于被测非电量的电信号的敏感元器件或装置。 如，电容式传感器、电感式传感器等。 （平行板电容器的电容量为 ， 为介质的介电常数） （2）物性型传感器——是利用物质的某种和某些客观属性构成的，其性能与构成材料的不同而有明显区别。 这是一类由其构成材料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量，并可将被测非电量转换成电信号的敏感元器件或装置。 由于他的“敏感体”本来就是材料本身，故不存在显著的结构特征，也无所谓“结构变化”，所以这类传感器通常具有响应快的特点； 4．按能量的关系分类 根据能量关系分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。 有源传感器——是将非电能量转换成电能量，称之为能量转换型传感器，也称为换能器。 无源传感器——又称为能量控制型传感器。它本身不是一个换能装置，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。如，电阻式传感器。 1．4 传感器的数学模型概述 1．静态模型 静态模型是指在静态信号情况下，描述传感器输出与输入量之间的函数关系。 2．动态模型 动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号（输入信号随时间而变化的量）作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。 1．6 传感器的基本特性 传感器所测量的非电量一般有两种形式： 一种是稳定的，即不随时间变化或变化及其缓慢，称为静态信号； 另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。 由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入-输出特性也不同，因此存在所谓的静态特性和动态特性。 为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态和动态特性，才能使信号（或能量）按规律准确的转换。 1．静态特性 静态特性表示传感器在被测各量值处于稳定状态时的输出与输入的关系。它主要包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞现象、分辨率、稳定性及漂移。 线性度 所谓线性度就是其输出量与输入量之间的实际曲线（校准曲线）偏离（理论拟合）直线的程度。又称为非线性误差。 非线性误差可用下式表示： 式中， Δmax ——输出量和输入量实际曲线（校准曲线）与（理论）拟合直线之间的最大偏差。 YFS ———输出满量程量。 理想的传感器输出与输入呈线性关系。然而，实际的传感器即使在量程范围内，输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的，总存在一定的非线性。 灵敏度 灵敏度是指稳态时输出量y的增量Δy和相应输入量x的增量Δx之比，常用Sn来表示。即 线性传感器的灵敏度k为一常数；非线性传感器的灵敏度k是随输入量变化的量。 分辨率（或分辨力） 传感器在规定的测量范围内所能检测输入量的最小变化量称为分辨率。有时也该值相对满量程输入值的百 分数（ ）表示。 存在分辨率的原因有两个： 一是输入的变化量通过传感器内部被吸收，因而反映不到输出端上去。 二是传感器输出存在噪声。如果传感器的输出值比噪声电平小，就无法把有用信号和噪声分开。 2.动态特性 动态特性是描述传感器在被测量随时间变化时的输出和输入的关系。 对于加速度等动态测量的传感器必须进行动态特性的研究，通常是用输入阶跃信