第2章传感器的基特性-生物医学传感器分解.ppt

第2章 传感器的基本特征 授课教师：齐秋菊 授课期班：07生工 授课时间：180分钟 知识回顾 传感器的定义、特点以及组成 传感器的作用 医用传感器的用途和分类（提供信息、监护、生化检验、自动控制、治疗 工作原理、被测量种类、人体感官对应） 医用传感器的特性和要求 医用传感器的发展 传感器的特性 — 主要指其转化信息的能力和性质。这种能力和性质常用传感器输入和输出的对应关系来描述。 传感器的静态特性 — 当输入量为静态量时，其输出输入关系称为静态特性。 静态量 — 是指常量或变化缓慢的量。 传感器的动态特性 — 当输入量为动态量时其输入输出关系称为动态特性。 动态量 — 是指周期变化、瞬态变化或随机变化的量 第一节 传感器的静态特性 一、静态特性 1.定义：如果传感器的输入量在较长时间维持不变或发生极其缓慢的变化则传感器的输出量与输入量间的关系即为静态特性。 2.分类： 理想线性特性 当a0=a2=a3=…an=0时，输入输出之间具有理想的线性关系，此时传感器的静态特性为： 对于理想线性的传感器，其输出量随输入量的变化也是线性的，即： 非线性项为偶数 当a3=a5=a7=…0时特性曲线如图所示： 特点：不具有对称性，且线性范围较窄，所以传感器设计时一般很少采用这种特性。 非线性项次数为奇数 当a2=a4=…=0时，特性曲线如图所示。 特点： a.特性曲线关于原点对称y( x )=-y( -x )。 b.特性曲线在原点有较宽的线性区 一般情况 当a0=0时特性曲线如图所示： 利用数学模型讨论差动测量的优越性 设一个传感器的输出为： 另一个相同的传感器经适当的链接使之产生相反的位移，这时的输出为： 输出的差为： 二、静态特性指标 1.测量范围 2.灵敏度 3.线性度 4.迟滞 5.稳定性 6.环境特性 1.测量范围 测量范围：输入量的取值范围。 限制测量范围的因素： ①传感元件的测量范围有一定的限度。如弹性元件。 ②变换电路的工作范围也是有限制的。如电桥。 2.灵敏度 定义：传感器的灵敏度指传感器达到稳定后输出变化量△y对输入变化量△x的比值。 公式： 灵敏度界限的定义： 输入变化△x时，输出变化△y， △x变小△y也变小，但是一般来说△x小到一定程度时， △y就不再发生变化了，这时的△x叫做灵敏度界限。 3.线性度 定义：指在规定条件下传感器的特性曲线与拟合直线间的最大偏差（△LMAX）与传感器满量程（FS）输出值（yFS）的百分比。 公式： 意义：反映传感器偏离线性的程度。 4.迟滞 定义：对于同一个大小的输入行程，传感器正反行程的输出信号大小不等，这种现象称为迟滞。 公式： 产生原因：各种传感元件材料的物理性质。 5.稳定性 定义：在传感器输入端加上同样的输入时，即使环境条件完全一样，所得到的输出较之以前有所不同。 传感器特性不稳定的原因： ① 传感器长时间放置不用。（经时变化） ② 传感器承受不适当的外界应力或进行不必要的加热。 ③传感器在连续使用过程，受到外界信号干扰或传感器投入使用的时间过长。（漂移） ④传感器在刚接通电源前后工作是不稳定的，在接通电源升温时间内最好避免使用传感器。 6.环境特性 影响传感器的环境因素： ①温度的变化是在影响传感器特性中最普遍又最重要的因素。 ②气压的变化传感元件或容器会产生体积的变化，因而特性也跟着变化。 ③湿度的变化对光学传感器或电容传感器的影响尤为明显，因为湿度的变化会使光学传感器折射率发生改变，电容传感器介电常数发生改变。 ④电源的变化电源电压波动会引起灵敏度和输出漂移。电源电压的波动会直接使电桥电路的不平衡电压产生变化。电源频率的变化除了对利用交流磁场的传感器有所影响外，对其他传感器影响不大。 第二节 传感器的动态特性 为什么学习传感器的动态特性？ 答：只要输入量是时间函数，则输出量也是时间函数，其间的关系要用动态特性来说明。 如何学习传感器的动态特性？ 答：建立动态的数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法，分析传感器在动态变化的输入量作用下，输出量如何随时间改变。 例1：图示是一个简单的传感装置，主要由弹簧元件和黏性阻尼器组成,想x(t)表示该装置的输入激励，y(t)表示系统的输出位移。 根据图可列微分方程： 例2 图中有三部分组成，分别为动木块（m）、弹簧元件和黏性阻尼器，列出该系统的微分方程。 解：根据图例，可列的微分方程为： 一、传感器动态特性的数学模型 二、传感器的传递函数 例：求一阶传感器的传递函数 例：求二阶传感器的传递函数 作业 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV，求其灵敏度。 传感器差动测量的优点是什么？用传感器静态方程来说明这一优点。 已知一种传