物联网中的传感器.doc

物联网中的传感器 3.1传感器简介 3.1.1传感器的定义 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由 HYPERLINK /view/2132516.htm \t _blank 敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 因为电信号具有高精度、高灵敏度，可测量的控制范围宽、便于传输、放大及反馈并连续可测、可遥测、可储存等许多优点，所以一定意义上可以把传感器归纳为一种能感受外界信息（力、热、声、光、磁、气体、湿度等），并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置。 3.1.2传感器的基本特性 从传感器本身的作用可知，传感器是直接与被测对象发生联系的部分，是信号输入的窗口，可提供原始信息，检测的准确与否完全与一定范围内反应被测量的精确程度有关。于是，它必须具备一定的基本特性，了解和掌握基本特性是正确选择和使用传感器的基本条件。 传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系，一般分为静态特性和动态特性两大类。当被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢（静态信号）时，即反应静态特性，可以用一系列静态参数来描述当被测量随时间变化很快（动态信号时的特性）时，即反应动态特性，可以用一系列动态参数来描述。 1.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。这时输入量和输出量都和时间无关，所以传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程来表示： y=a0+a1x+a2x2+a3x3+?+anxn （3-1） 上式中a0为零位输出，a1为线性常数，a2、a3、?、an为非线性待定系数，它们都可以由实际的测量数据进行标定。 实际中以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。由多次测量的结果分析可知、任何传感器的输出与输入的关系不会完全符合所要求的特征线性???非线性关系，衡量传感器的静态特性必须用一些重要指标来确定，表征传感器静态特性的主要参数有：测量范围、线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。 （1）测量范围（YFS） 每一个传感器都有一定的测量范围，如果在超过了这个范围内进行测量，会带来很大的测量误差，甚至将其损坏。一般测量范围确定在一定的线性区域或保证一定寿命的范围内。实际应用时，为保证测量的准确性和延长传感器的寿命，所选传感器的测量范围应大于实际的测量范围。 （2）线性度（δf） 通常为了标定和数据处理的方便，总希望得到线性的关系，即采用各种方法（如硬件或软件的补偿）进行线性化处理，这样就使得输出不可能丝毫不差的反应被测量的变化，总存在一定线性或非线性的误差（如图1所示）。线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近程度的一个性能指标。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值?Ymax 与满量程输出值YFS之比，即 δf=±?YmaxYFS×100% （3-2） （3）迟滞（δH） 在相同的工作条件下进行全测量范围测量时，传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输出特性曲线不重合的现象成为迟滞（如图2所示）。用全量程范围校准时同一输入量的正反行程中输出的最大偏差量?Hmax 与满量程输出值YFS之比表示，即 δH=±?HmaxYFS×100% （3-3） 迟滞反映了传感器的材料参数的恢复快慢、机械结构和制造工艺的缺陷等。 图1 线性度 图2 迟滞 （4）灵敏度（S） 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的变化（?Y）与引起该变化的相应输入量变化（?X）之比，即： S=?Y?X=dYdX （3-4） 可以看出，灵敏度的量纲是输出量与输入量的量纲之比。对于线性传感器来讲，其校准时输出/输入特性直线的斜率就是灵敏度。对于非线性传感器来讲，灵敏度随输入量的变化而变化。一般来讲，S提高时测量容易，精度提高，但是测量的范围变窄，稳定性变差，应根据具体的情况择优选择。 （5）重复性（δK） 重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续工作多次时，所得曲线间的不一致程度（如图3表示），它反映校准数据的离散程度和输入随机误差。定义为正行程和反行程中最大重复性偏差?Rma