第1章傳感器概述1.1基本概念11.2傳感器的一般特性1.3傳感器的標定和校準31.4傳感器選擇的一般原則421.1基本概念1.1.1

傳感器的定義傳感器(Sensor/Transducer)是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，主要是電量。輸入輸出的轉換規律（關系）已知，轉換精度要滿足測控系統的應用要求。能量轉換輸入量輸出量電量（便于傳輸、轉換、處理、顯示）物理量、化學量、生物量等附:傳感器的定義示意圖1.1基本概念傳感器的定義示意圖1.1基本概念1.1.2傳感器的組成

敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量；轉換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉換成電路參量；上述電路參數接入基本轉換電路，便可轉換成電量輸出。被測量電量敏感元件轉換元件圖1-1傳感器的組成1.1基本概念被測量電量敏感元件轉換元件調理電路直接感受被測量轉化為電量參數敏感元件的輸出作為轉換元件的輸入附：傳感器系統組成示意圖傳感器系統組成示意圖輸出1.1基本概念1.1.3傳感器的分類按工作機理分類可分為物理型、化學型、生物型按構成原理又分為：結構型、物性型和復合型三大類按能量的轉換分類可分為能量控制型和能量轉換型按輸入量分類常用的有機、光、電和化學等傳感器按輸出信號的性質分類可分為模擬式傳感器和數字式傳感器1.1基本概念1.1.4

傳感器技術的發展方向開發新的敏感、傳感材料開發研制新型傳感器及組成新型測試系統研究新一代的智能化傳感器及測試系統傳感器發展集成化多功能與多參數傳感器的研究1.2傳感器的一般特性1.2.1傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性定義：被測量處于穩定狀態下的輸入輸出關系。1．線性度傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。傳感器的輸出與輸入關系:1.2傳感器的一般特性實際使用中，為了標定和數據處理的方便，希望得到線性關系，因此引入了非線性補償電路或者計算機軟件法等補償環節。非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段。使傳感器輸出—輸入特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。1.2傳感器的一般特性理論擬合過零旋轉擬合端點連線擬合端點平移擬合圖1-2幾種直線擬合方法1.2傳感器的一般特性實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常用相對誤差表示

——最大非線性絕對誤差；——滿量程輸出。FullScale1.2傳感器的一般特性2．靈敏度靈敏度S是指傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的輸入量增量Δx的比值，即:對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態特性的斜率。而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用S=dy/dx表示。傳感器的靈敏度如圖1-3所示。1.2傳感器的一般特性圖1-3傳感器的靈敏度1.2傳感器的一般特性3．遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現象稱為遲滯，如下圖所示:圖1-4遲滯特性1.2傳感器的一般特性遲滯大小通常由實驗確定。遲滯誤差可由下式計算：

式中：——正反行程輸出值間的最大差值。1.2傳感器的一般特性4．重復性重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續多次變化時，所得特性曲線不一致的程度，如圖所示:圖1-5重復性1.2傳感器的一般特性重復性誤差屬于隨機誤差，常用標準偏差σ表示，也可用正反行程中的最大偏差ΔRmax表示，即：1.2傳感器的一般特性5．漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。漂移可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移是指環境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移。1.2傳感器的一般特性1.2.2傳感器的動態特性傳感器的動態特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。動態特性好的傳感器，其輸出將再現輸入量的變化規律，即具有相同的時間函數。實際上除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態誤差。1.2傳感器的一般特性傳感器的種類和形式很多，但它們一般可以簡化為一階或二階系統。高階可以分解成若干個低階環節。對于正弦輸入信號，傳感器的響應稱為頻率響應或穩態響應；對于階躍輸入信號，則稱為傳感器的階躍響應或瞬態響應。1.2傳感器的一般特性1.瞬態響應特性傳感器的瞬態響應是時間響應。從時域中對傳感器的響應和過渡過程進行分析稱為時域分析法，傳感器對所加激勵信號的響應稱瞬態響應。常用激勵信號有階躍函數、斜坡函數、脈沖函數等。下面以傳感器的單位階躍響應來評價傳感器的動態性能指標。1.2傳感器的一般特性(1)一階傳感器的單位階躍響應一階傳感器單位階躍響應的通式：式中、分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數，表征傳感器的時間常數，具有時間“秒”的量綱。一階傳感器的傳遞函數：1.2傳感器的一般特性(2)二階傳感器的單位階躍響應二階傳感器的單位階躍響應的通式為：

——傳感器的固有頻率；ζ——傳感器的阻尼比。二階傳感器的傳遞函數：1.2傳感器的一般特性2.頻率響應特性傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發研究傳感器的動態特性。（1）一階傳感器的頻率響應1.2傳感器的一般特性幅頻特性：幅頻特性1.2傳感器的一般特性相頻特性：相頻特性圖1-10一階傳感器頻率響應特性1.2傳感器的一般特性(2)二階傳感器的頻率響應其幅頻特性和相頻特性分別為：1.3傳感器的標定和校準傳感器的標定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系。同時確定出不同使用條件下的誤差關系。傳感器的標定工作可分為如下兩方面：●新研制的傳感器需進行全面技術性能的檢定，用檢定數據進行量值傳遞；●經過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復測工作。1.3傳感器的標定和校準傳感器的標定分為靜態標定和動態標定。靜態標定目的是確定傳感器的靜態特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。動態標定目的是確定傳感器的動態特性參數，如頻率響應、時間常數、固有頻率和阻尼比等。1.3傳感器的標定和校準1.3.1傳感器的靜態特性標定

1．靜態標準條件沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數本身就是被測物理量）及環境溫度一般為室溫（20±5℃）、相對濕度不大于85%RH，大氣壓力為101±7kPa的情況。

2．標定儀器設備精度等級的確定標定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標定的傳感器的精度高一個等級。1.3傳感器的標定和校準3．靜態特性標定的方法將傳感器全量程分成若干等間距點；根據傳感器量程分點情況，由小到大逐一輸入標準量值，并記錄下與各輸入值相對應的輸出值；將輸入值由大到小一點一點地減少，同時記錄下與各輸入值相對應的輸出值；重復上述過程，對傳感器正、反行程多次測試，將得到的輸出－輸入測試數據列表或畫成曲線；對測試數據進行必要處理，得出靜態特性指標。1.3傳感器的標定和校準1.3.2傳感器的動態特性標定傳感器的動態特性主要是研究傳感器的動態響應，和與動態響應有關的參數；一階傳感器只有一個時間常數τ；二階傳感器則有固有頻率

和阻尼比ζ兩個參數。1.4傳感器選擇的一般原則傳感器選擇的一般原則為：1、根據測量對象與測量環境確定傳感器的類型2、靈敏度的