6.2传感器专题实验传感器是现代检测和控制装置的重要组成部分，在.docVIP

§ 6.2　传感器专题实验 　　传感器是现代检测和控制装置的重要组成部分，在现代科学技术领域中的地位越来越重要。各类传感器的研制、推广和使用飞速发展，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术将是二十一世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。实际应用中，人们通常把将非电量信号转换成电量信号的装置叫做传感器。 一、传感器的基本概念 　　传感器实质上是一种功能块，其作用就是把非电量信号的被测量（如力、热、声、磁和光等物理量）转换成与之成比例的电量信号（如电压和电流），然后再经过适当的电路处理后，送至指示器以发出指示或送至记录仪进行记录。它是系统信号获取、转换和传输的器件，为系统处理和决策提供所需要的信息。 　　1．传感器的组成 　　传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。 敏感元件：其作用是直接“感知”被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：作用是将敏感元件的输出转换成电路参量。 基本转换电路：作用是将上述的电路参数转换成电量输出。 实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂。最简单的由一个敏感元件组成，它直接将“感知”的被测量转换成电量输出。 　　2．传感器的分类 　　传感器的分类方法很多。按传感器构成原理分为：结构型与物性型两大类。 结构型：主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号，目前此种传感器应用较广泛。 物性型：利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。 另外还可按传感器工作机理分为：物理型、化学型、生物型等。 按其工作原理分为：电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、化学式传感器、半导体传感器等。 按被测物理量划分为：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器等。 按输出形式分为：数字传感器、模拟传感器。 　　3．传感器的作用 　　传感器是人类五官的延长，又形象地称之为“电五官”。在科学研究中，人类需要获取大量人类感官无法直接获得的信息。作为模拟人体感官的传感器，是感知、获取、监测和转换信息的窗口，处于研究对象与传输处理系统的接口位置，为系统进行处理和决策提供着所必需的信息。目前，大多数的传感器都是依照各种物理原理和效应来设计的，获取的信号也大都转变成电学量。这种由非电量至电量的转换是利用了不同物质的某些电学性质与被测量之间的特定关系来实现的。例如热电效应、磁电效应、光电效应和压电效应等。利用这些独特的物理效应，可以设计和制造出适用于各种场合、有着不同用途的传感器。 二、传感器的基本特性 　　传感器的基本特性分为静态特性和动态特性两种。 　　1．传感器的静态特性 　　所谓静态特性是指输入不随时间变化情况下的输出特性。即在被测量数值稳定时，输出与输入量之间所形成的对应关系。人们总是希望输出量能不失真的反映输入量，理想情况下应是线性关系，但在实际应用中，由于诸多因素的影响（如迟滞、蠕变、摩擦等），输入量与输出量之间并不是线性关系。衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞性和重复性。 （1） 线性度（非线性误差） 线性度是指输入（理想）与输出关系对于线性比例关系的偏差程度。 　　在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下式表示： （6.2-1） 式中y是输出量、x是输入量、a0是零点输出、a1是理论灵敏度、a2 , a3 , ……an是非线性项系数。静态特性曲线可通过实际测量获得。但为方便标定和数据处理，希望得到线性关系，可采用各种办法进行线性化处理。一般采用直线拟合的方法来线性化。 采用直线拟合线性化时，线性度就定义为：输出输入的校正曲线与某拟合直线之间的最大偏差。线性度也称为非线性误差。通常用相对值来表示，即： 式中A为最大偏差，y0为满量程输出。如图6.2-1所示，由此可见：非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得。拟合直线不同、非线性误差也不同。目前常用的直线拟合法有“端点拟合法”、“端点连线平移拟合法”、“切线拟合法”及“最小二乘法拟合”等。 选择拟合直线的原则，应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算的方便。 （2） 灵敏度 灵敏度Sn定义为：在稳定线性区输出变化量与输入变化量之比。Sn = dy / dx 可见：传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对于线性非常好的传感器，Sn为一常数，即6.2-1式中a1项，与输入量大小无关。 （3） 迟滞性 迟滞性是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。  滞后现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺丝松动、元件腐蚀或碎裂及积尘等，都会引起传感器的滞后现象。 （4