《传感器原理及工程应用》课程教材电子教案（PPT教学课件）第2章（续）传感器概述2

第2章传感器概述 第2章传感器概述 21传感器的组成部分 2,2传感器的基本特性 返回主目录

第2章 传感器概述 第2章 传感器概述 2.1 传感器的组成部分 2.2 传感器的基本特性 返回主目录

第2章传感器概述 第2章传感器概述 2传感器的组成和分类 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转 换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域,传感器 又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法,反映 了在不同的技术领域中,只是根据器件用途对同一类型的器 件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域,常把能 感受信号的电子元件称为敏感元件,如热敏元件、磁敏元件、 光敏元件及气敏元件等,在超声波技术中则强调的是能量的 转换,如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄,而传感 器一词是使用最为广泛而概括的用语

第2章 传感器概述 第2章 传 感 器 概 述 2.1传感器的组成和分类 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转 换成可用输出信号的器件或装置。 在有些学科领域, 传感器 又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法, 反映 了在不同的技术领域中, 只是根据器件用途对同一类型的器 件使用着不同的技术术语而已。 如在电子技术领域, 常把能 感受信号的电子元件称为敏感元件, 如热敏元件、磁敏元件、 光敏元件及气敏元件等, 在超声波技术中则强调的是能量的 转换, 如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄, 而传感 器一词是使用最为广泛而概括的用语

第2章传感器概述 传感器的输岀信号通常是电量,它便于传输、转换、处理 显示等。电量有很多形式,如电压、电流、电容、电阻等,输 出信号的形式由传感器的原理确定 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件 是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指 传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测 量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱,因此 需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着 半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调理 与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成 在同一芯片上。此外,信号调理转换电路以及传感器工作必须 有辅助的电源,因此,信号调理转换电路以及所需的电源都应作 为传感器组成的一部分。传感器组成框图如图2-1所示

第2章 传感器概述 传感器的输出信号通常是电量, 它便于传输、 转换、 处理、 显示等。 电量有很多形式, 如电压、电流、电容、电阻等, 输 出信号的形式由传感器的原理确定。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。 其中, 敏感元件 是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分; 转换元件是指 传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测 量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此 需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着 半导体器件与集成技术在传感器中的应用, 传感器的信号调理 与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成 在同一芯片上。 此外, 信号调理转换电路以及传感器工作必须 有辅助的电源, 因此, 信号调理转换电路以及所需的电源都应作 为传感器组成的一部分。传感器组成框图如图 2 - 1 所示

第2章传感器概述 被测量-敏感元件 转换元件 信号调理转换电路 辅助电源 图2-1#传感器组成框图

第2章 传感器概述 图 2- 1 # 传感器组成框图

第2章传感器概述 传感器技术是一门知识密集型技术,它与许多学科有关 传感器的原理各种各样,其种类十分繁多,分类方法也很多 但目前一般采用两种分类方法:一是按被测参数分类,如温度 压力、位移、速度等;二是按传感器的工作原理分类,如应变 式、电容式、压电式、磁电式等。本书是按后一种分类方法 来介绍各种传感器的,而传感器的工程应用则是根据工程参数 进行叙述的。对于初学者和应用传感器的工程技术人来说,应 先从工作原理出发,了解各种各样传感器而对工程上的被测参 数应着重于如何合理选择和使用传感器

第2章 传感器概述 传感器技术是一门知识密集型技术, 它与许多学科有关。 传感器的原理各种各样，其种类十分繁多, 分类方法也很多, 但目前一般采用两种分类方法: 一是按被测参数分类, 如温度 压力、位移、速度等; 二是按传感器的工作原理分类, 如应变 式、电容式、压电式、 磁电式等。本书是按后一种分类方法 来介绍各种传感器的, 而传感器的工程应用则是根据工程参数 进行叙述的。对于初学者和应用传感器的工程技术人来说, 应 先从工作原理出发, 了解各种各样传感器,而对工程上的被测参 数应着重于如何合理选择和使用传感器

第2章传感器概述 2传感器的基本特性 在生产过程和科学实验中,要对各种各样的参数进行检测 和控制,就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真 地变换成相应的电量,这取决于传感器的基本特性,即输出-输 入特性。如果把传感器看作二端口网络,即有两个输入端和两 个输出端,那么传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有 关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来 描述 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输岀 输入关系。只考虑传感器的静态特性时,输入量与输出量之间 的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性 度、灵敏度#,迟滞和重复性等

第2章 传感器概述 2.2传感器的基本特性 在生产过程和科学实验中, 要对各种各样的参数进行检测 和控制, 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真 地变换成相应的电量, 这取决于传感器的基本特性, 即输出—输 入特性。如果把传感器看作二端口网络, 即有两个输入端和两 个输出端, 那么传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有 关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来 描述。 一、 传感器的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。只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间 的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性 度、 灵敏度#, 迟滞和重复性等

第2章传感器概述 1.线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系 的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 从传感器的性能看,希望具有线性关系,即具有理想的输出输 入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞 和蠕变等因素,传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示: ta,xta,x,t.tax, 式中 输入量x为零时的输出量: a1,a2,,an非线性项系数

第2章 传感器概述 1. 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系 的线性程度。 输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。 从传感器的性能看, 希望具有线性关系, 即具有理想的输出输 入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞 和蠕变等因素, 传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示： y=a0+a1x+a2x2+…+anxn (2 - 1) 式中: a0——输入量x为零时的输出量; a1 , a2 , …, an——非线性项系数

第2章传感器概述 各项系数不同,决定了特性曲线的具体形式各不相同 静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中,为了标 定和数据处理的方便,希望得到线性关系,因此引入各种非线性 补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处 理,从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如 果传感器非线性的方次不高输入量变化范围较小时,可用一条 直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段,如图2-2所 示,使传感器输出_输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直 线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线 性误差(或线性度),通常用相对误差γ表示,即

第2章 传感器概述 各项系数不同, 决定了特性曲线的具体形式各不相同。 静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中, 为了标 定和数据处理的方便, 希望得到线性关系, 因此引入各种非线性 补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处 理, 从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。 但如 果传感器非线性的方次不高,输入量变化范围较小时, 可用一条 直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段, 如图 2 - 2 所 示, 使传感器输出—输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直 线。 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线 性误差（或线性度）, 通常用相对误差γL表示, 即

第2章传感器概述 ±一哑×100 (2-2) FS 式中:△Lmax最大非线性绝对误差 FS —满量程输出。 从图2-2中可见,即使是同类传感器,拟合直线不同, 其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法很多,用最小 二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。 2.灵敏度 灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增 量Δy的输入量增量Δx的比值,即 S=△y/Ax (2-3)

第2章 传感器概述 max 100%  =  FS L Y L r （2-2） 式中: ΔLmax——最大非线性绝对误差; YFS ——满量程输出。 从图 2 - 2 中可见, 即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小 二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。 2． 灵敏度 灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy 与引起输出量增 量Δy的输入量增量Δx的比值, 即 S=Δy/Δx （2 - 3）

第2章传感器概述 △L1=△ 0 图2-2#几种直线拟合方法 (a)理论拟合;(b)过零旋转拟合;(c)端点连线拟合;(d)端点平移拟合

第2章 传感器概述 图 2 - 2# (a) 理论拟合； (b) 过零旋转拟合； (c) 端点连线拟合；(d) 端点平移拟合