传感器实验讲义 4-1-6实验室适用传感器实验讲义 4-1-6实验室适用.doc

生物医学传感器 实验讲义 主编：余学飞 副主编：卢广文 李喆 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系 2006年8月 目录 传感器的基本特性概述…………………………………………………………… 2 实验一 电阻应变片传感器的灵敏度测量…………………………………… 5 实验二 电阻应变片的温度特性………………………………………………17 实验三 金属箔电阻应变片传感器的特性研究………………………………19 实验四 金属箔电阻应变片传感器的应用……………………………………23 实验五 光纤传感器位移测量…………………………………………………26 实验六 光敏传感器测量转速…………………………………………………33 实验七 霍尔传感器的特性研究和应用………………………………………39 实验八 差动螺管式电感传感器位移、振幅测量……………………………46 实验九 差动螺管式电感传感器的特性研究…………………………………50 实验十 电涡流传感器的特性研究……………………………………………53 实验十一 电涡流传感器的应用…………………………………………………58 实验十二 热电式传感器的特性研究……………………………………………60 实验十三 磁电、压电、电容传感器的特性研究………………………………66 传感器的基本特性概述 一、静态特性 静态特性是指被测输入量不随时间变化时传感器的输入输出关系，衡量传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞性、漂移等。 1．线性度 理想传感器的输出y与输入x应呈线性关系，即 其中，为传感器的线性灵敏度。 实际传感器的输出y与输入x呈非线性关系，如果不考虑迟滞和蠕变因素，则 式中，是输入量为零的输出量，是线性灵敏度，……是非线性系数。 如果采用两个特征相同的传感器差动组合，可有效地改善非线性特性，因为，此时两传感器的输出之差 具有这种特性的传感器在原点附近较大范围内就接 近线性关系，并有较高的灵敏度，该区域为线性区，如 图A-1中曲线的ab段。此时，可用直线（切线或割线， 如图中虚线表示）来拟合实际曲线，使传感器输入特性 线性化。实际特性曲线与拟合直线间的偏差程度就称为 传感器的线性度，通常用相对误差表示，即 式中，A为最大偏差，为满量程输出。 图A-2 传感器的灵敏度 线性度有时也称非线性误差，用以衡量传感器输出量与输入量之间线性关系的程度，以及直线拟合的好坏。常用的直线拟合除端点拟合法外，还有切线拟合、最小二乘法等方法。 2．灵敏度 传感器在稳态下输出变化量与输入变化量之比称为灵敏度，即 对于理想线性传感器，灵敏度为常数；对于一般传感器则采用线性区或拟合直线的斜率表示，见图A-2所示。通常，测量点取在零点附近时线性度好，灵敏度也高。 3．迟滞性 它是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间的输出输入曲线不重合的程度，见图A-3所示。迟滞大小用迟滞误差表示，通常由实验确定。即 式中，为正反行程输出值的最大差值。迟滞差是由与传感器的响应受到输入过程影响而产生的，它的存在破坏了输入和输出的一一对应关系，因此，必须尽量减少迟滞差。 4．漂移 漂移是指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着的与被 测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度 漂移。漂移又分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定 条件下，零点或灵敏度随时间缓慢变化。温度漂移为环境变化 而引起的零点或灵敏度的漂移。 二、动态特性 动态特性是指传感器输出对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器的输出不仅要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律（即被测量的波形），因此，传感器的输出量也是时间的函数。 在实际中，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，它们之间的这种差异，就是要分析的动态误差。动态误差包括两个部分：一是实际输出量达到稳定状态后与理论输出量间差别；二是当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间过渡状态中的误差。由于传感器输入量随时间变化的规律各不相同，通常采用正弦和阶跃信号作为标准输入信号来分析传感器的动态特性：对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应（或称稳态响应），对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应（或称瞬态响应）。研究传感器的动态特性主要是为了从测量误差的角度来分析产生动态误差的原因以及提出改善的方法。电阻应变片传感器 在众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现非电量电测目的的，它们统称为电阻式传感器。由于各种电阻材料受被测量（如位移、应变、压力、温度、加速度等）作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而电阻式传感器的种类多、应用