第1章 传感器的基本概念.ppt

第一章传感器的基本概念学习本课程所需的预备知识
电路基础、电子测量技术、电子线路。
教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指导
传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。从传感器的作用开始，逐一介绍了传感器的概念、组成以及分类，对传感器的基本特性作了详细阐述。1.1传感器的定义所谓传感器，是指那些能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。

与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，无法忍受的高温、高压、辐射等恶劣环境，还可以检测出人类“五官”不能感知的各种信息(如微弱的磁、电、离子、射线和的无色无味的气体等信息，以及远远超出人体“五官”感觉功能的高频、高能信息等)。对于一个测量系统，它所测量的各种物理量，其形式是不一样的，可以是机械量、电磁量、热工量、光学量…，但不论是哪种物理量，它们都可以分为模拟量和数字量两大类。
传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出，如电压、电流、频率等信号。这一定义包含以下方面。
(1)传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务；
(2)它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量；
(3)它的输出量是经转换后的电量信号，且有一定的对应关系和转换精度。1.2传感器的组成敏感元件与转换元件在结构上常装在一起。为了减小外界对转换电路的影响，也希望它们装在一起，但限于空间结构，转换电路常装入单箱内。在转换电路后面，往往还有信号的放大、处理、显示等后续电路，它们通常不包含在传感器的范围之内。

——但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。例如，压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。举例：测量压力的应变式压力传感器1.3传感器的分类按被测量分类（p4）
——物理量传感器
——化学量传感器
——生物量传感器按测量原理分类
电容式传感器谐振式传感器
电位器式传感器应变（计）式传感器
电阻式传感器压电式传感器
电磁式传感器压阻式传感器
电感式传感器磁阻式传感器

电离式传感器差动变压器式传感器
电化学式传感器霍耳式传感器
光导式传感器激光传感器
光伏式传感器辐射传感器
光纤传感器超声（波）传感器
热电式传感器声表面波传感器
伺服式传感器
按输出型式分类
数字传感器
模拟传感器

按电源型式分类
无源传感器
有源传感器
1.4传感器的技术特点1.5传感器的数学模型概述1.系统概论2.静态模型3.动态模型2).传递函数只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意两者，第三者便可方便地求出。这时可见，无需了解复杂系统的具体内容，只要给系统一个激励信号x(t)，便可得到系统的响应y(t)，系统特性就能被确定。它们可用图(a)框图表示。

对于多环节串、并联组成的传感器，如果各个环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影。则传感器的等效传递函数可按下列代数方式求得：
若传感器由r个环节串联而成，如图(b)所示，其等效传递函数为1.6传感器的基本特性根据式(1—1)、(1—2)、(1—3)和(1—4)的静态模型，它们所呈现的非线性程度是不一样的，可用图1—3(a)、(b)、(c)和(d)表示。

从图(d)可以看到，仅具有奇次方的多项式模型的传感器在相当大的输入范围内有较宽的准线性，图(b)为理想线性特性，几乎每一种传感器都不具备如此特性，即都存在非线性，因此在使用非线性传感器时，必须对传感器输出特性进行线性处理。常用的方法有理论直线法、端点线法、割线法和切线法、最小二乘法和计算程序法等。2).灵敏度3).重复性7).静态响应特性的其他描述1.7系统动态响应特性2.阶跃响应衡量阶跃响应特性的几项指标如图所示。
(1)最大超调量σp:最大超调量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示。最大超调量能说明传感器的相对稳定性。
(2)延滞时间td:是阶跃响应达到稳态值50％所需要的时间。
(3)上升时间tr,它有几种定义：
①响应曲线从稳态值的10％一90％；
②从稳态值的5％～95％；
③从零上升到第一次到达稳态值所
需的时间。
对有振荡的传感器常用③，对无振
荡的传感器常用①描述。
(4)峰值时间tp：响应曲线到第一个
峰值所需的时间。
(5)响应时间ts：响应曲线衰减到稳
态值之差不超过土5％或土2％时所
需要的时间，有时称为过渡过程时间。
为了说明传感器的动态特性,下面简要介绍动态测温的问题。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下,都存在动