现代检测技术李英顺电子教案第3章.pptx

第3章 传感器的特性3.1传感器的定义及分类3.2 传感器的基本特性3.1传感器的定义及分类3.1.1传感器的定义及组成传感器的国家标准定义为能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器的通常定义为“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”。传感器由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图3-1所示。3.1传感器的定义及分类图3-1 传感器组成框图3.1传感器的定义及分类我们所要测量的非电量并不是我们所持有的转换元件所能转换的那种非电量，这就需要在转换元件前面增加一个能把被测非电量转换为该转换元件能够接受和转换的非电量的装置或器件。这种能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感元件。转换元件所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如，电阻式应变传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不能被电压显示仪表所接受。3.1传感器的定义及分类接在转换元件后面具有这种功能的电路，称之为测量电路或传感器接口电路。例如，电阻应变片接入电桥，将电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。有些国家和有些学科领域，也将传感器称为变换器、检测器或探测器。凡能输出标准信号的传感器称为变送器。也就是说，变送器是传感器配接能输出标准信号的接口电路后构成的将非电量转换为标准信号的器件或装置。3.1传感器的定义及分类 国际电工委员会将4~20mA直流电流信号和1~5V直流电压信号确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。所以变送器通常就是指将非电量转换为4~20mA直流电流信号的器件或装置。3.1传感器的定义及分类3.1.2传感器的分类按基本效应 传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。 化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。 生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学物质的传感器。3.1传感器的定义及分类按构成原理 按照构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。 物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实现温度的测量。 结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距型电容式传感器是利用极板间距离的变化来实现测量的。3.1传感器的定义及分类按能量转换原理 根据能量转换原理可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量（如电动势、电荷式传感器等），也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属于此类传感器； 无源传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，也称为能量控制型传感器。如电阻式、电感式及电容式传感器等。3.1传感器的定义及分类按输出信号的性质 根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器。 即模拟式传感器输出连续变化的模拟信号，数字式传感器输出数字信号。按输入物理量 根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及流量传感器等。按工作原理 根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。3.1传感器的定义及分类按测量方式 分为接触式传感器和非接触式传感器。 接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器和压电式传感器。 非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、红外线传感器、涡流传感器和超声波传感器等。3.2 传感器的基本特性检测系统（传感器）特性主要是指输出与输入之间的关系。一个测量系统（仪表或装置），由于输入信号的这种不同性质，就有所谓静态特性和动态特性。3.2 传感器的基本特性3.2.1传感器的静态特性一、静态测量和静态特性 静态测量是指测量过程中被测量保持恒定不变（即 系统处于稳定状态）时的测量。 静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定状态时的输入—输出关系。输出信号 与输入信号之间的函数关系，一般用代数方程多项式表示：(3-1)3.2 传感器的基本特性式中， —输出量； —输入量（被测量）； —零点输出（检测系统的零位值）； —理论灵敏度； 、 、… 、 —非线性项系数； 、 、 、 、… 、 —标定系数，它决定静态特性曲线的形状和位置。3.2 传感器的基本特性这种多项式代数方程可能有多种情况： 理想线性，在这种情况下， ，因此得到： 因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为 在坐标原点附近相当范围内输出—输入特性基本呈线性。在这种情况下，(3-1)中除线性项外只存在奇次非线性项，即：