传感器特性实验指导书.doc

传感器是获取信息的工具，它涉及整个科学技术、国防、航空、航天、交通运输、能源、机械、石油、化工、轻工、纺织等工业部门和环境保护、生物医学工程等和日常生活的各个领域，是现代信息技术的重要支柱技术之一。它是现代科学技术的基础。一切科学研究和生产过程所获得的信息，都只有通过它才能转换为容易传输与处理的信号。可以说，没有传感器技术就没有现代科学技术。如今从茫茫太空到浩瀚海洋，从各种复杂工种系统到日常生活，每个领域都离不开各式各样的传感器。进入信息时代以后，传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术系统的感官、神经和大脑。成为信息产业的三大支柱。如果没有先进的传感器技术，那么信息的获得与精密的检测就成为一句空话。 传感器（Transducer或Sensor）有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器，是一种能感知和检测某一形态的信息（包括物理量、化学量、生物学量等），并按一定规律将其转换成另一形态的（如电信号）的信息的器件和装置。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 传感器的本质和机理是：“感”和“传”。 传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，其组成的细节有较大差异。但总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。 敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）与检出被测对象的待测信息（非电量）部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受（或响应）出的信息直接转换成电信号的部分。应该指出的是，并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。 传感器的特性： 传感器所直接感受（或响应）的信息一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态信号。 为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态特性和动态特性，才能使信号（或能量）按规律准确的转换。 1、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。 ⑴线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。 ⑵灵敏度：在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率。 ⑶重复性：在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，其误差也越小。 ⑷迟滞（回差滞环）现象：迟滞特性能表明传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间，输入-输出特性曲线不重合的程度。 ⑸分辨率：在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。 ⑹稳定性：有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器，常用长期稳定性来描述其稳定性。它是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。 ⑺漂移：在外界干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。它包括零点漂移和灵敏度漂移等。 2、传感器的动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。一个动态特性好的传感器，随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的曲线。一般来说，在动态的输入信号情况下，输出信号不会与输入信号具有完全相同的时间函数。这种差异就是所谓的动态误差。有良好静态特性的传感器，不一定具有良好的动态特性。 影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只是表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态特性，主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因，提出改善措施。具体研究时，通常从时域或频域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。 在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 ⑴阶跃响应：衡量阶跃响应的指标主要有以下几个。 ①最大超调量。最大超调量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值。它能说明传感器的相对稳定性。 ②延迟时间。是阶跃响应达到稳定值50%所需要的时间。 ③上升时间。 ④峰值时间 ⑤响应时间 上述是时域响应的主要指标。对于一个传感器，并非每一个指标都要提出，往往只提几个认为是最重要的性能指标。 ⑵频率响应：研究传感器的频域特性时主要用其幅频特性。 鉴于传感器