传感器的基本特性

---

前言

本文主要讲解了传感器的概述性内容
传感器的概念，传感器的分类，传感器的基本特性，传感器的标定，传感器技术现状

---

一、传感器的概念

1.基本概念

（1）定义一：

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

注意：
在某些学科领域，传感器又称为敏感元件，检测器，转换器等

（2）定义二：

能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。

（3）定义三：

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之
有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

（4）定义四：

从广义来讲，传感器是换能器的一种,换能器（transducer)是将能量从一种形式转换为另一种形式的装置。换能器包括传感器和执行器两方面含义。

2.传感器的基本组成

二、传感器的分类

传感器是知识密集、技术密集的产品，它的种类十分繁杂，主要的分类方式有：

1.按物理定律机理

结构型传感器
物性型传感器
复合型传感器
1
2
3

2.按电路供电方式

无源传感器
有源传感器
1
2

3.按原理分类

电参量式传感器；
磁电式传感器；
压电式传感器；
光电式传感器；
气电式传感器；
热电式传感器；
波式传感器；
射线式传感器；
半导体式传感器；
其他原理的传感器；
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

4.按用途分类

温度传感器；
光敏传感器；
力敏传感器；
磁敏传感器；
气体传感器；
湿度传感器；
声敏传感器；
流量传感器；
生物传感器；
1
2
3
4
5
6
7
8
9

5.按信号输出方式

模拟量传感器
数字量传感器

三、传感器的基本特性

1.静态特性

（1）线性度

若不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可表示为如下的多项式：
$$y=a_0+a_{1}x+a_2{x}^2+a_3{x}^3+...+a_n{x}^n$$
实际传感器特性曲线与拟合直线的偏差，称为非线性误差：
$$\begin{gathered} \delta =\pm \frac{\Delta L_{max}}{Y_{FS}}\times 100\%(非线性误差) \\ \Delta L_{max}:实际曲线和拟合曲线间的最大偏差 \\ {Y}_{FS}:满量程输出 \end{gathered}$$

（2）灵敏度

灵敏度可用用输入输出曲线各点的导数来衡量

（3）迟滞

$$\begin{gathered} {\delta }_H=\pm \frac{\Delta H_{max}}{Y_{FS}}\times 100\%(非线性误差) \\ \Delta H_{max}:正反量程最大输出偏差 \\ {Y}_{FS}:满量程输出 \end{gathered}$$

（4）重复性

$$\begin{gathered} {\delta }_K=\pm \frac{\Delta R_{max}}{Y_{FS}}\times 100\%(非线性误差) \\ \Delta R_{max}:统一传感器重复同一测量的最大输出偏差 \\ {Y}_{FS}:满量程输出 \end{gathered}$$

（5）分辨率

$$\begin{gathered} {\delta }_X=\frac{\Delta X_{max}}{Y_{FS}}\times 100\%(非线性误差) \\ \Delta X_{max}:单位输出需要的最大测量变化 \\ {Y}_{FS}:满量程输出 \end{gathered}$$

（6）温度稳定性

$$\begin{gathered} {\alpha }_T=\frac{Y_2-Y_1}{Y_{FS}\Delta T}\times 100\%(非线性误差) \\ {Y}_1,Y_2分别为温度T_1,T_2时的输出值 \\ {Y}_{FS}:满量程输出 \\ \Delta T=T_2-T_1 \end{gathered}$$

2.动态特性

（1）（阶跃）瞬态响应特性

（2）一阶传感器的单位（阶跃）瞬态响应

$$\tau \frac{\mathrm{d}y(t)}{\mathrm{d}t}+y(t)=x(t)$$

（3）二阶传感器的单位（阶跃）瞬态响应

（4）阶跃响应过渡过程中的特性参数

	 时间常数τ
	 上升时间tr
	 响应时间ts
	 振荡次数N
	 稳态误差e
1
2
3
4
5

四、传感器的频域分析法

1.传感器的数学模型

n阶传感器系统的数学模型

若输入信号为正弦波$X(t)=Asin(\omega t)$,经过傅氏变换

2.一阶传感器的频率响应

（1）传递函数

$$H(jw)=\frac{1}{\tau (jw)+1}$$

（2）幅频特性

$$A(w)=\frac{1}{\sqrt{1+(w\tau {)}^2}}$$

（3）相频特性

$$\Theta (w)=-arctan(w\tau )$$

3.二阶传感器的频率响应

（1）传递函数

$$H(jw)=\frac{1}{1-(\frac{w}{w_0}{)}^2+2j\epsilon \frac{w}{w_0}}$$

（2）幅频特性

$$A(w)=\frac{1}{\sqrt{[1-(\frac{w}{w_0}{)}^2{]}^2+(2\epsilon \frac{w}{w_0}{)}^2}}$$

（3）相频特性

$$\Theta (w)=-arctan(\frac{2\epsilon \frac{w}{w_0}}{1-(\frac{w}{w_0}{)}^2})$$

---

总结

文章不妥之处望读者包涵指正