传感器概论

学习任务

1、检测技术的定义和作用

答：检测技术的定义：
检测技术与自动化装置是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多种学科、多种技术融合为一体并综合运用的复合技术，广泛应用于交通、电力、冶金、化工、建材等各领域自动化装备及生产自动化过程。
检测技术的作用：检测技术符合当前及今后相当长时期内我国科技发展的战略，而且紧密结合国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、传统工业技术改造和铁路技术装备的现代化有着重要的意义。检测技术研究以自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理为研究对象，以现代控制理论、传感技术与应用、计算机控制等为技术基础。检测技术以检测技术、测控系统设计、人工智能、工业计算机集散控制系统等技术为专业基础，同时与自动化、计算机、控制工程、电子与信息、机械等学科相互渗透。

2、传感器的组成与分类

答：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。

传感器的分类：
1 、按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等
2 、按工作原理分类:电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式等
3、按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器
4、 按敏感材料：根据制造传感器所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等

3、传感器的发展方向

答：采用新材料和探究新理论来发展新型传感器
发展数字式和智能型传感器
发展“仿生传感器” ——生物传感器
开发研制高性能的敏感元件
向小型化、集成化方向发展；

4、理解静态特性的概念

答：静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时,系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

5、掌握灵敏度，非线性度，回程误差，稳定度和漂移，分辨力，精确度的概念

答：灵敏度：
灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。非线性度：
非线性调制又称为角度调制，其已调信号的频谱和调制信号的频谱结构有很大的不同，除了频谱搬移外，还增加了许多新的频率成分。非线性调制包括调频（FM）和调相（PM）两大类。
回程误差：
回程误差是指在相同条件下，被测量值不变，计量器具行程方向不同其示值之差的绝对值。也称滞后误差。测量器具对同一个尺寸进行正向和反向测量时，由于结构上的原因，其指示值不可能完全相同，这种误差被称作回程误差。
稳定度和漂移：
传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。
通常可以用以下两种方式:用计量特性变化某个规定的量所需经过的时间,或用计量特性经过规定的时间所发生的变化量来进行定量表示。例如:对于标准电池,对其长期稳定度(电动势的年变化幅度)和短期稳定度(3~5天内电动势变化幅度)均有明确的要求;如量块尺寸的稳定度,以其规定的长度每年允许的最大变化量(微米/年)来进行考核,上述稳定度指标均是划分准确度等级的重要依据。
分辨力：
分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量，通常以最小量程的单位值表示。
精确度：
包括精密度，准确度，精确度。
（1）精密度：在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度（离散程度）
（2）准确度：表示测量仪器指示值对真值的偏离程度（反映系统误差的大小）
（3）精确度：它是精密度和准确度的综合反映（反映系统综合误差的大小）

6、理解动态系统的概念

答：指传感器对随时间变化的输入信号的响应特性。系统的动态响应特性一般通过描述系统的微分方程、传递函数、频率响应函数等数学模型进行研究。

7.了解动态系统的数学模型

答：微分方程、传递函数、3.频率响应函数

学习要求(自检标准)

1、检测和传感的定义

答：“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”，通常由敏感元件和转换元件组成。 基本功能是检测信号和信号转换

2、区分敏感元件和转换元件

答：敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换（传感）元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。它是传感器的核心部分。

3、传感器的功能

光敏传感器——视觉
声敏传感器——听觉
气敏传感器——嗅觉
化学传感器——味觉
压敏、温敏、
流体传感器——触觉
敏感元件的分类：
物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
化学类，基于化学反应的原理。
生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

4、传感器的分类标准

答： 1 、按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等
2 、按工作原理分类:电阻式、电容式、电感式、压电式、热电式等
3、按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器
4、 按敏感材料：根据制造传感器所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等

5、什么是系统的静态特性？

答：定义：传感器的输出与输入之间的关系特性，就是传感器的基本特性。
分类：基本特性分为静态特性和动态特性。
静态特性：当被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢（常称为静态信号）时，表现出的输出-输入关系称为静态特性。

6、如何计算系统的灵敏度，非线性度，回程误差

答：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。
它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然， 灵敏度S值越大， 表示传感器越灵敏 ，系统的稳定性就越差。
非线性度
衡量输出–输入关系的线性程度，亦称非线性误差
定义：传感器输入–输出曲线与拟合直线的偏离程度
表达：
迟滞误差的另一名称叫回程误差。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。

7、区分精密度，正确度

答：包括精密度，准确度，精确度。
（1）精密度：在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度（离散程度）
（2）准确度：表示测量仪器指示值对真值的偏离程度（反映系统误差的大小）
（3）精确度：它是精密度和准确度的综合反映（反映系统综合误差的大小）
正确度：是表示测量结果中系统误差大小的程度。统计学上，正确度(Accuracy)能成功估计一数量的正确值。有时和精确度(precision)定义相同。

8、什么是系统的静态特性？

答：静态特性：当被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢（常称为静态信号）时，表现出的输出-输入关系称为静态特性。
8、传递函数，频率响应函数的表示方法
答：动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。

对动态特性研究的频率响应法是采用谐波输入信号来分析传感器的频率响应特性，即从频域角度研究传感器的动态特性。
若输入频率为ω的谐波信号：x(t)=X0ejωt
则输出信号为： y(t)=Y0 ej（ωt +Ф）代入微分方程中可得
将输入和输出及其各阶导数代入传递函数表达式中有：