第2章传感器与检测技术基础（课件）- 《传感器与检测技术基础》同步教学（北京理工版）

第2章传感器与检测技术基础 2.1传感器基础知识 2.2检测与检测系统 2.3测量误差分析与测量数据处理基础 2.1传感器基础知识 2.1.1传感器的定义 传感器是能感受被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器是检测系统的前置器件，它将输入量或被检测量变换为可测量的信号。 传感器输出信号有多种形式，如电压、电流、频率和脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。一般，传感器转换输出的大多是电信号。因而，传感器也可定义为:把外界输入的非电量转换为电信号的一种装置。因此，传感器也称为变换器、检测器或探测器等。 下一页 返回 2.1传感器基础知识 2. 1. 2传感器的组成与分类 1.传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件及测量电路等部分组成。敏感元件和转换元件是传感器的核心，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分;转换元件指能将敏感元件的输出信号转换为适于传输和测量的电信号的部分;测量电路是将传感器输出的电参量转换成电能量。一般，传感器的输出信号微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以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。因此，信号调节与转换电路及其所需电源都可以成为传感器的组成部分，如图2一1所示。 下一页 返回 上一页 2.1传感器基础知识 2.传感器的分类 传感器的种类繁多，不胜枚举。传感器分类方法很多，见表2一1。 3.传感器的作用与地位 人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发、获取、传输与处理。传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，即检测与控制系统之首。因此，传感器便成为感知、获取与检测信息的窗口，科学研究与自动化生产过程需要的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的信号，所以传感器的作用与地位非常重要。传感器可以比喻为人的感觉器官。科学技术的发展，自动化系统的建设，都离不开传感器技术的应用 下一页 返回 上一页 2.1传感器基础知识 2. 1. 3传感器的基本特性 传感器的输人/输出(Input/Output, I/0 )特性是其最基本的特性，一般把传感器作为二端网络研究时，I/ 0特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系，如图2一2所示。输人量的状态(静态和动态)不同，传感器所表现出的I/ O特性也不一样。因此有静态特性和动态特性之分。 静态特性是指输入量为常量或变换缓慢时传感器的I/ 0特性。衡量传感器静态特性的主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨率、稳定性、温度稳定性和各种抗干扰稳定性等。 下一页 返回 上一页 2.1传感器基础知识 1.线性度(Linearity) 传感器的I/O关系或多或少地都存在非线性问题，在不考虑迟滞和蠕变等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式表示，即 (2.1) 式(2. 1)中的各项系数决定了传感器I/ O关系曲线或特性曲线的具体形式。 静态特性曲线可由实验获得，即实际测量传感器的输入/输出关系。在获得特性曲线之后，可以说问题已经解决。一般，为了实际应用和数据处理的方便，希望得到线性关系。 下一页 返回 上一页 2.1传感器基础知识 通常，I/ O特性曲线都是非线性的，需采用直线拟合的方法获得其近似的线性关系。在采用直线拟合时，将I/O特性曲线与根据其作出的拟合直线之间的最大偏差称为线性度，通常用相对误差γL表示。 (2.2) 由此可见，线性度与拟合直线有很大关系。拟合直线不同，非线性误差也不同，所以恰当地选择拟合直线的方法可获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用和计算的方便等。 常用的方法有理论拟合、过零旋转拟合、端点拟合、端点