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1、第1 章 传感器理论基础n 1.1 传感器基础n 1.1.1 传感器的概念n 传感器（Transducer/Sensor）是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用量的器件和装置。传感器就是把非电量转换成电量的装置。12023/5/26 21.1.2 传感器的组成和分类n 1 传感器的组成n 传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成，如图1-1 所示。1.1.2 传感器的组成与分类n 敏感元件(sensingelement)：直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，它是传感器的核心。n 转换元件(transductionelement)：将敏感元件输出的物理
2、量转换成适于传输或测量电信号的元件。n 测量电路(measuringcircuit)：将转换元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。2023/5/26 32023/5/26 41.1.2 传感器的组成和分类n（1）按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及热电式传感器等。n（2）按照其被测量对象，传感器可分为力、位移、速度、加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温度和光等。n（3）按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合
3、型传感器。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如：水银温度计。结构型传感器是依靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。n 2 传感器的分类1.1.3 传感器基本特性n 传感器的静态特性：n 1.测量范围：传感器所能测量到的最小输入量 与最大输入量 之间的范围称为传感器的测量范围。n 2.量程：传感器测量范围的上限值 与下限值 的代数差-称为量程。n 3.精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即
4、相对误差。n 4.灵敏度：灵敏度是指传感器输n 出的变化量与引起该变化量的输入变n 化量之比，即，如右图所示。2023/5/26 61.1.3 传感器基本特性n 5.线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。式中，为非线性最大误差(最大偏差);为满量程输出值。常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，如图1-7 所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。2023/5/26 71.1.3 传感器基本特性202
5、3/5/26 81.1.3 传感器基本特性2023/5/26 107.重复性:重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度.1.1.3 传感器基本特性2023/5/26 118.迟滞:迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出特性曲线不重合的程度，如图所示为传感器的迟滞特性特性曲线。1.1.4 传感器的命名、代号和图形符号 2023/5/26 131.传感器的命名 传感器的全称应由“主题词+四级修饰语”组成，即主题词 传感器一级修饰语 被测量，包括修饰被测量的定语。二级修饰语 转换原理，一般可后缀以“式”字。三级修饰语 特征描述，指必须
6、强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后缀以“型”字。四级修饰语 主要技术指标(如量程、精度、灵敏度等)。1.1.4 传感器的命名、代号和图形符号 2023/5/26 153 传感器的图形符号传感器的图形符号是电气图用图形符号的一个组成部分。按GB/T 1447993 传感器图用图形符号规定，传感器的图形符号由符号要素正方形和等边三角形组成，如图所示。1.1.5 传感器的发展趋势2023/5/26 16（1）发现利用新现象、新效应；（2）开发新材料；（3）采用高新技术；（4）拓展应用领域；（5）提高传感器的性能；（6）传感器的微型化与低功耗；（7）传感器的集成化
7、与多功能化；（8）传感器的智能化与数字化；（9）传感器的网络化。2023/5/26 18n 1.2.2 测量方法1)直接测量、间接测量和组合测量(又称联立测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后结果，则称这样的测量为组合测量。2)偏差式测量、零位式测量与微差式测量3)等精度测量与非等精度测量4)静态测量与动态测量1.2 检测技术理论基础2023/5/26 19n 1.2.3 检测系统检测系统是由被测对象、传感器、数据传输环节、数据处理环节和数据显示环节构成，1.2 检测技术理论基础2023/5/26 20n 1.2.3 检测系统检测系统又分：开环检测系统与闭环检测系统1.2 检测技
8、术理论基础2023/5/26 21n 1.2.4 测量误差及数据处理 测量误差在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法和检测人员都会受到各种变动因素的影响。而对被测量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。这就造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一定的差别，这个差值称为测量误差。简言之，测量误差就是测量值与真实值之间的差值，它反映了测量的精度。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等。1.2 检测技术理论基础2023/5/26 22n 1.2.4 测量误差及数据处理 测量数据的估计和处理n 1)随机误差的评价指标n（1）算术平均值。在实际测量时，真值A 一般无法得到。可以证明，随着测量次数的增多，算术平均值越来越接近真值，当无限大时，测量值的算术平均值就是真值。n（2）标准误差(又称均方根误差)。算术平均值是反映随机误差的分布中心，而标准误差则反映随机误差的分布范围。标准误差越大，测量数据的分散范围也越大，标准误差可以描述测量数据和测量结果的精度，是评价随机误差的重要指标。1.2 检测技术理论基础2023/5/26 24休息一下