传感器与检测技术

1.1.1传感器的组成与分类

传感器的组成框图如图1-1所示。传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，通常需要信号调理转换电路对输出信号进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理转换电路可能安装在传感器的壳体里，或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此，信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。

传感器的种类繁多，分类方法也很多，目前一般采用两种分类方法。一是按传感器的工作原理进行分类，如应变式、电容式、压变式、磁电式等；二是按被测参数进行分类，如温度、压力、位移、速度等。

1.1.2传感器的基本特性

在生产过程和科学实验中，要对各种参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。

如果把传感器看作二端口网络，即有两个输入端和两个输出端，那么传感器的输出—输入特性就是与其内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来分别描述。

1.传感器的静态特性

传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出一输入关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。

（1）线性度

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。

输出与输入的关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即具有理想的输出一输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示：

y=ao+a1x1+a2x2+…+anxn     (1-1)

式中，a。为输入量；x为零时的输出量；a1，a2，…，a，为非线性项系数。

可见，各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式各不相同。

静态特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节。例如，采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性的或接近线性的。

如果传感器非线性的方次不高，输入量变化范围较小，则可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，如图1-2所示，使传感器的输出一输入特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。