傳感器的基本概念和特性詳解

? ? 傳感器是什么？
? ? 傳感器是一種以一定的精確度將被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測量的某種物理量（如電量）的測量部件或裝置。通常傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電量來輸出。傳感器的特性（靜態(tài)特性和動態(tài)特性）是其內(nèi)部參數(shù)所表現(xiàn)的外部特征，決定了傳感器的性能和精度。

????1、傳感器的構(gòu)成

????傳感器一般是由敏感元件、傳感元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖1所示。

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圖1　傳感器組成框圖

????（1）敏感元件　是一種能夠?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)換成易于測量的物理量的預(yù)變換裝置，而輸入、輸出間具有確定的數(shù)學(xué)關(guān)系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。

????（2）傳感元件　是將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號（如電阻、電感、電容等）形式。例如將溫度轉(zhuǎn)換成電阻變化，位移轉(zhuǎn)換為電感或電容等傳感元件。

????（3）基本轉(zhuǎn)換電路　將電信號量轉(zhuǎn)換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。

????有些傳感器（如熱電偶）只有敏感元件，感受被測量時直接輸出電動勢。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，無需基本轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器由敏感元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換才能輸出電量。大多數(shù)傳感器是開環(huán)系統(tǒng)，但也有個別的是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。

????2、傳感器的靜態(tài)特性

????傳感器變換的被測量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸入/輸出關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性。描述傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)是：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨率和零漂。

????（1）線性度　傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用一定等級的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，對傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測試，得到輸入/輸出特性（列表或畫曲線）。通常希望這個特性（曲線）為線性，這對標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實際的輸出與輸入特性只能接近線性，對比理論直線有偏差，如圖2所示。實際曲線與其兩個端尖連線（稱理論直線）之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差。取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價線性度（或非線性誤差）的指標(biāo)。

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圖2　傳感器線性度示意圖

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????式中：——線性度（非線性誤差）；

????——最大非線性絕對誤差；

????yFS——輸出滿度值。

????（2）靈敏度　傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化對輸入變化的比值稱靈敏度，用S0表示，即

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????對于線性傳感器來說，它的靈敏度是個常數(shù)。

????（3）遲滯　傳感器在正（輸入量增大）、反（輸入量減?。┬谐讨休敵?輸入特性曲線的不重合程度稱遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示

????　　　?。?）

????式中　——輸出值在正、反行程間的最大差值。

????遲滯特性一般由實驗方法確定，如圖3所示。

圖3　遲滯特性

????（4）重復(fù)性　傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時，所得輸出/輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性如圖4-5表示。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即

????　　　?。?）

????式中　——輸出最大重復(fù)性誤差；

????重復(fù)特性也用實驗方法確定，常用絕對誤差表示。如圖4表示。

圖4　重復(fù)特性

????（5）分辨力　傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。分辨力與滿度輸入比的百分?jǐn)?shù)表示稱為分辨率。

????（6）漂移　由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時的漂移稱為零點漂移。在其它因素不變情況下，輸出隨著時間的變化產(chǎn)生的漂移稱為時間漂移；隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移。

????（7）精度　表示測量結(jié)果和被測的“真值”的靠近程度。精度一般是在校驗或標(biāo)定的方法來確定，此時“真值”則靠其它更精確的儀器或工作基準(zhǔn)來給出。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了傳感器和測試儀表的精度等級，如電工儀表精度分七級，分別是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5級。精度等級（S）的確定方法是：首先算出絕對誤差與輸出滿度量程之比的百分?jǐn)?shù)，然后靠近比其低的國家標(biāo)準(zhǔn)等級值即為該儀器的精度等級。

????3、傳感器的動態(tài)特性

????動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器測量靜態(tài)信號時，由于被測量不隨時間變化，測量和記錄過程不受時間限制。而實際中大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量時間變換的規(guī)律，即被測量的波形。傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。

????動態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時間的變化規(guī)律，即它們具有同一個時間函數(shù)。但是，除了理想情況外，實際傳感器的輸出信號與輸入信號不會具有相同的時間函數(shù)，由此引起動態(tài)誤差。

????動態(tài)特性參數(shù)一般都用階躍信號輸入狀態(tài)下的輸出特性和不同頻率信號輸入狀態(tài)下的幅值變化和相位變化表達(dá)。