传感及其基础检测 8

《传感器与检测技术》第1章-传感器概述与基本特性学习内容1.1、传感器概述1.2、传感器的静态特性第1章-传感器概述与基本特性1.3、传感器的动态特性【学习目标】1.掌握传感器的定义；2.理解传感器的敏感元件、转换元件和转换电路；3.熟悉传感器的分类；4.掌握传感器的静态特性和动态特性；5.了解传感器的发展趋势。【重点和难点】1.传感器定义、组成和分类；2.传感器特性指标；3.传感器的动态特性分析。【职业素养】1.熟知传感器定义、分类，了解其在多领域应用及特殊要求。2.关注前沿动态、行业标准，确保工作与时俱进、符合规范。3.能洞察应用场景需求，发现既有问题并思考改进方向。4.精准把握精度、分辨率等静态特性与响应时间等动态特性，依需求选型设计。5.运用算法处理原始数据、提取有效信息，为决策控制助力。1.1、传感器概述1.1.1、传感器的定义与组成传感器的定义

根据我国国家标准（GB/T7665–2005），传感器（Transducer/Sensor）的定义为：“能感受（或响应）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”。（1）传感器是一种能够完成提取外界信息任务的装置。（2）传感器的输入量通常指非电量，如物理量、化学量、生物量等；而输出量是便于传输、转换、处理、显示等的物理量，主要是电量信号。例如电容传感器的输入量可以是力、压力、位移、速度等非电量信号，输出则是电压信号。（3）传感器的输出量与输入量之间精确地保持一定规律。这一定义包含了几个方面的含义：1.1、传感器概述一、传感器的定义与组成传感器的组成（1）敏感元件：是传感器中能直接感受被测量的部分，即直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。（2）转换元件：是传感器中将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。（3）转换电路：将电路参数转换成便于测量的电压、电流、频率等电量信号。1.1、传感器概述1.1.2、传感器的分类按被测量来分。按传感器的工作原理来分。按能量关系来分按输出信号来分传感器常用的分类方法有几种：1.1、传感器概述按被测量分类物理传感器化学传感器生物传感器位移传感器气体传感器细胞传感器力传感器离子活度传感器免疫传感器速度传感器离子浓度传感器微生物传感器振动传感器成分传感器酶传感器

压力传感器温度传感器…组织传感器……1.1、传感器概述阻抗式传感器电动势式传感器电阻式传感器霍尔式传感器光纤传感器电容式传感器压电式传感器红外传感器电感式传感器热电偶传感器图像传感器………光电式传感器按工作原理分类1.1、传感器概述直接将被测量转换为电信号。热电偶传感器、压电传感器…能量转换型（发电型）能量控制型（电参量型）先将被测量转换为电参量，在外部辅助电源作用下才输出电信号。应变式传感器、电容式传感器…按能量关系（被测量与输出电信号的关系）分类1.1、传感器概述输出信号为模拟量的传感器。如，热电阻传感器、压电传感器…模拟式传感器数字式传感器按输出信号分类输出信号为数字量或数字编码的传感器。如，光电编码式传感器、光电接近开关、感应同步器…1.1、传感器概述1.2.3、传感器技术的发展1固态化趋向2集成化和多功能化趋向3图象化趋向4智能化趋向

将敏感元件、转换单元和信号处理单元集成。

传感器信号处理的智能化，可完成传感器的自动补偿，自动调整和信号的识别等等。

固态传感器体积小，便于集成。目前最先进的固态传感器是在一块芯片上同时集成差压、静压和温度传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿。

开始发展从一维、二维到三维空间的测量问题。1.1、传感器概述1.2-传感器的静态特性1.2传感器的静态特性传感器的基本特性：传感器的输入－输出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现传感器的静态特性：在稳态信号作用下的输入－输出关系。不含有时间变量。输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性1.2传感器的静态特性1.2.1线性度传感器的输入、输出间成线性关系的程度非线性特性的线性化处理式中——线性度（非线性误差）；

——最大非线性绝对误差；——输出满量程。1.2传感器的静态特性1.2.2灵敏度传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值或1.2传感器的静态特性1.2.3分辨率分辨率是指传感器能够感知或检测到的最小输入信号增量。分辨率可以用绝对值或与满量程的百分比来表示。1.2传感器的静态特性1.2.4迟滞在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等迟滞用正、反行程输出值间的最大差值与满量程输出的百分比表示，即：1.2传感器的静态特性1.2.5阈值传感器阈值是指传感器在接收到外界输入信号时，所能感知的最小或最大的信号强度的值。当一个传感器的输入从零开始缓慢地增加时，只有在达到某一最小值后才测得出输出变化，也就是零位附近的分辨力，这个最小值就称为传感器的阈值。大多数情况下阈值的大小主要取决于传感器的噪声大小。1.2传感器的静态特性1.2.6重复性传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入－输出特性曲线一致的程度

重复性指标一般采用输出最大不重复误差

与满量程输出

的百分比表示。即：1.2传感器的静态特性1.2.7漂移传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象产生原因：传感器自身结构参数老化(零点漂移)测试过程中环境发生变化(温度漂移)1.3、传感器的动态特性1.3传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。常采用阶跃信号和正弦信号作为输入信号在采用阶跃输入研究传感器的时域动态特性时，常用延迟时间、上升时间、响应时间、超调量等来表征传感器的动态特性。在采用正弦输入信号研究传感器的频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数动态误差（如温度计测温）1.3.1传感器的数学模型传感器的理想动态特性：当输入量随时间变化时，输出量能立即随之无失真地变化。实际上：存在弹性、惯性、阻尼元件，与输入量、输入量的变化速度、输入量变化的加速度等有关工程上常用线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性用常系数线性微分方程（线性定常系统）表示传感器输出量与输入量的关系1.3传感器的动态特性线性时不变系统有两个重要的性质叠加性如果则：频率保持特性如果则：1.3传感器的动态特性1.3传感器的动态特性1.3.2传递函数特性关系式（常系数线性微分方程。如果输入信号为静态信号，表达式？）：传递函数：变形（体现内部结构参数的外部反映，只与系统结构参数有关）：拉氏变换（设各阶时间导数的初始值为0）：1.3传感器的动态特性1.3.3频率响应函数傅立叶变换得到频率响应特性：相频特性：幅频特性：指数表示：1.3传感器的动态特性1.3.4一阶传感器的频率响应一阶传感器的微分方程为：它可改写为：式中——传感器的时间常数，

；——传感器的静态灵敏度，

1.3传感器的动态特性一阶传感器的传递函数、频率响应特性、幅频特性、相频特性分别如下：

传递函数频率响应特性幅频特性相频特性1.3传感器的动态特性1.3.5二阶传感器的频率响应典型的二阶传感器的微分方程为：传递函数

式中（传感器的静态灵敏度。可令

，即

）；

（传感器的固有角频率，时间常数

）；

（传感器的阻尼系数）。1.3传感器的动态特性频率响应特性：幅频特性：相频特性阻尼在0－1之间，工作频率远低于传感器的固有角频率时，频率响应特性越好：无失真！1.3传感器的动态特性动态特性分析一阶传感器的时域动态特性图二阶传感器的时域动态特性1.3传感器的动态特性1.3.6一阶或二阶传感器的动态特性参数

①时间常数

：传感器输出由零上升到稳态值的63.2%所需的时间，见图1.9（a）。

②上升时间

：传感器输出由稳态值的10%上升到90%所需的时间，见图1.9（b）。

③响应时间：传感器输出由零上升达到并一直保持在允许误差范围所需的时间。可以是2%、5%或10%，根据实际情况确定。

④最大超调量：输出最大值与输出稳态值的相对误差，即

⑤振荡次数：调节时间内，输出量在稳态值附近上下波动的次数。

⑥稳态误差：无限长时间后传感器的稳态输出值与目标值之间偏差的相对值，即【本章小结】1.传感器是一种能够感觉外界信息并按一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。有时还要加上辅助电源。

2.传感器的静态特性反映了输入信号处于稳定状态时的输出/输入关系。衡量静态特性的主要指标有精确度、稳定性、灵敏度、线性度、迟滞和可靠性等。

3.传感器的动态特性是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性。时域分析主要讨论传感器在单位阶跃输入下的响应，主要从稳定性、准确性和快速性三方面衡量；频域分析则是讨论传感器