传感器与检测技术第二讲——传感器的基本特性

1、传感器及检测技术第二讲传感器基本特性第二讲传感器基本特性2021-10-2621.传感器的分类传感器的分类2021-10-263一一. . 传感器的分类传感器的分类 传感器有许多分类方法，但常用的传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：分类方法有两种： 一种是按被测输入量来分；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。另一种是按传感器的工作原理来分。2021-10-2641) 1) 按被测量分类按被测量分类 这一种方法是根据被测量的性质进行分类，这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：如： 温度传感器、湿度传感器、温度传感器、湿度传感器、 压力传感器、位移传感器、压力传

2、感器、位移传感器、 流量传感器、液位传感器、流量传感器、液位传感器、 力传感器、加速度传感器、力传感器、加速度传感器、 转矩传感器等。转矩传感器等。2021-10-265 这种分类方法把种类繁多的被测量分为：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。见下表基本被测量和派生被测量两类。见下表1-11-1。 例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、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。重量、应力、力矩等派生被测量。 当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。就可以了。 6表 1-1 基本被测

3、量和派生被测量 基本被测量基本被测量 派生被测量派生被测量位位 移移 线位移线位移 长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度 角位移角位移 旋转角、偏转角、角振动旋转角、偏转角、角振动 速速 度度 线速度线速度 速度、振动、流量、动量速度、振动、流量、动量 角速度角速度 转速、角振动转速、角振动 加速度加速度 线加速度线加速度 振动、冲击、质量振动、冲击、质量 角加速度角加速度 角振动、扭矩、转动惯量角振动、扭矩、转动惯量 力力 压压 力力 重量、应力、力矩重量、应力、力矩 时时 间间 频频 率率 周期、计数、统计分布周期、计数、统计分布 温温 度度 热容量、气

4、体速度、涡流热容量、气体速度、涡流 光光 光通量与密度、光譜分布光通量与密度、光譜分布 湿湿 度度 水气、水分、露点水气、水分、露点2021-10-267 这种分类方法：这种分类方法： 优点是比较明确地表达了传感器的用途，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。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有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。理及分析方法。2021-10-2682) 2) 按传感器工作原理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

5、理、化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学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。据。 这种分类法：这种分类法： 优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，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。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。缺点是不便于使用者根据用途选用。 2021-10-269 具体划分为：具体划分为：电学式传感器电学式传感器 电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，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

6、感器、电感式传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。感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。磁学式传感器磁学式传感器 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。而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。2021-10-2610光电式传感器光电式传感器 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。学原理而制成。 主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。测量。电势型传感器电势型传感器 电

7、势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍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。耳效应等原理而制成。 主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。辐射等参数的测量。2021-10-2611电荷传感器电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理而制成。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。主要用于力及加速度的测量。半导体传感器半导体传感器 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电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质

8、变化等原理而制成。化等原理而制成。 主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。有害气体的测量。2021-10-2612 谐振式传感器谐振式传感器 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。来改变谐振频率的原理而制成。 主要用来测量压力。主要用来测量压力。电化学式传感器电化学式传感器 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

9、传感器等。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。率及氧化还原电位等参数的测量。 2021-10-2613还有：还有： 按能量的关系分类，即将传感器分为：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；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：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。数字式传感模拟式传感器和数字式传感器。数字式传感器输出为数字

10、量，便于与计算机联用，且抗器输出为数字量，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，干扰性较强，例如：盘式角度数字传感器，光栅传感器等。光栅传感器等。2021-10-2615 传感器的基本特性，即输入传感器的基本特性，即输入- -输出特性，基本特性可用静输出特性，基本特性可用静态特性和动态特性来描述。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。传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。1. 1. 线性度线性度 线性度是传感器输出量与输

11、入量之间的实际关系曲线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。用相对误差偏离直线的程度，又称非线性误差。用相对误差 表示表示%100maxFSLYLL2021-10-2616图图1-5 几种直线拟合方法几种直线拟合方法LmaxYFSxyyxL2=LmaxL1YFSL3L2L2=LmaxYFSxyLmaxYFSxyL2a 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2021-10-2617n2. 灵敏度n 灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。n 对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，其n sn=y/x2021-10-2618

12、图图1-6 传感器的灵敏度传感器的灵敏度 3 3. . 迟滞现象迟滞现象 传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出入量减小）期间，输出- -输入特性曲线不一致的程度，输入特性曲线不一致的程度，如图如图1-81-8所示。所示。 在行程环中同一输入量在行程环中同一输入量x xi i对应的不同输出量对应的不同输出量y yi i和和y yd d的的差值叫滞环误差，最大滞环误差与满量程输出值的比差值叫滞环误差，最大滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率值称最大滞环率E EMAXMAX： E EMAXMAX= =m m/ /Y YFSF

13、S100%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)/dx2021-10-2620图图1-8 传感器的迟滞现象传感器的迟滞现象 2021-10-26214 4. . 重复性重复性 重复性是传感器在输入量按同一方向作全量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，如程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图图1-71-7所示。所示。 传感器输出特性的不重复性主要由传感器的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、积机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨

14、擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。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：不重复性极限误差由下式表示： E EZ Z= =m mMAXMAX/ /Y YFSFS100% 100% 2021-10-2622图图1-7 传感器的重复性传感器的重复性 2021-10-26235. 5. 分辨力分辨力 传感器的分辨力是在规定测量范围内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。该值相对满量程输入值的百分数表示。6. 6. 稳定性稳定性 稳定性有短期稳定性和长期稳定

15、性之稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。分。 传感器常用长期稳定性，指在室温条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月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。出之间的差异。 通常又用其不稳定度来表征稳定程度。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。 2021-10-26247. 7. 漂移漂移 传感器的漂移是指在外界的干扰下，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。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。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零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。漂移和温度漂移。 时间漂移是指在规定的条件下，零点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；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温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。点或灵敏度的变化。 2021-10-26252、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，