第2章 传感器的基特性-生物医学传感器

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1、第第2 2章章 传感器的基本特征传感器的基本特征授课教师：齐秋菊授课教师：齐秋菊授课期班：授课期班：07生工生工授课时间：授课时间：180分钟分钟Page 2医学仪器教研室医学仪器教研室知识回顾知识回顾n传感器的定义、特点以及组成n传感器的作用n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）n医用传感器的特性和要求n医用传感器的发展Page 3医学仪器教研室医学仪器教研室n 传感器的特性传感器的特性 主要指其转化信息的能力和性质。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这种能力和性质常用传感器输入和输出的对

2、应关系来描述。来描述。n 传感器的静态特性传感器的静态特性 当输入量为静态量时，其输出当输入量为静态量时，其输出输入关系称为静态特性。输入关系称为静态特性。n 静态量静态量 是指常量或变化缓慢的量。是指常量或变化缓慢的量。n 传感器的动态特性传感器的动态特性 当输入量为动态量时其输入输当输入量为动态量时其输入输出关系称为动态特性。出关系称为动态特性。n 动态量动态量 是指周期变化、瞬态变化或随机变化的量是指周期变化、瞬态变化或随机变化的量Page 4医学仪器教研室医学仪器教研室第一节第一节 传感器的静态特性传感器的静态特性一、静态特性一、静态特性1.定义：定义：如果传感器的输入量在较长时间维持

3、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：分类： 一般情况次数为偶数次数为奇数非线性特性线性特性Page 5医学仪器教研室医学仪器教研室nxaxaxaxaayn 3322103.数学模型数学模型Y Y输出信号；输出信号；X X输入信号；输入信号；a a0 0无无输入时的输出，零位输出；输入时的输出，零位输出；a a1 1传感器的线性灵敏度；传感器的线性灵敏度；a a2 2,a,a3 3, a, an n非线性非线性项的待定常数项的待定常数Page 6医学仪器教研室医学仪器教研室 理想线性特性理想线性特性n 当a0=a2=a3=an=0时，输入输出之间具有理

4、想的线性关系，此时传感器的静态特性为：0XYxay1其静态特性曲线是一条直线，具有这种特性的传感器我们称其静态特性曲线是一条直线，具有这种特性的传感器我们称之为之为线性传感器线性传感器。Page 7医学仪器教研室医学仪器教研室n 对于理想线性的传感器，其输出量随输入量的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：变化也是线性的，即：xay1y - 输出量变化；x - 输入量变化；n 这时这时 ，其中的，其中的a1叫做叫做传感器的灵敏度传感器的灵敏度。xyxya1Page 8医学仪器教研室医学仪器教研室 非线性项为偶数非线性项为偶数n 当a3=a5=a7=0时特性曲线如图所示：n

5、 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。.44221xaxaxayPage 9医学仪器教研室医学仪器教研室 非线性项次数为奇数非线性项次数为奇数n 当a2=a4=0时，特性曲线如图所示。n 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.55331xaxaxayPage 10医学仪器教研室医学仪器教研室 一般情况一般情况当a0=0时特性曲线如图所示：nnxaxaxay.221n 此时的特性曲线如图，虽然经过原点，但不具有对称性。Page 11医学仪器教研室医学仪器教研室n 利用数学模型讨论差动测量的优越性利用数

6、学模型讨论差动测量的优越性设一个传感器的输出为：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：位移，这时的输出为：输出的差为：输出的差为：.44332210 xaxaxaxaay.)(233121xaxayyy.44332210 xaxaxaxaayPage 12医学仪器教研室医学仪器教研室二、静态特性指标二、静态特性指标 1.测量范围测量范围 2.灵敏度灵敏度 3.线性度线性度 4.迟滞迟滞 5.稳定性稳定性 6.环境特性环境特性Page 13医学仪器教研室医学仪器教研室1.测量范围测量范围n测量范围：测量范

7、围：输入量的取值范围。n限制测量范围的因素：限制测量范围的因素： 传感元件的测量范围有一定的限度。如弹性元件。 变换电路的工作范围也是有限制的。如电桥。Page 14医学仪器教研室医学仪器教研室2.灵敏度灵敏度n 定义：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。n 公式：公式：n 灵敏度界限的定义：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。Page 15医学仪器教研室医学仪器教研室3.线性度线性度n 定义：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（L

8、MAX）与传感器满量程（FS）输出值（yFS）的百分比。n 公式：公式：n 意义：意义：反映传感器偏离线性的程反映传感器偏离线性的程度。度。Page 16医学仪器教研室医学仪器教研室4.迟滞迟滞n 定义：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。n 公式：公式：n 产生原因：产生原因：各种传感元件材料的物理性质。%100HmaxLFSyPage 17医学仪器教研室医学仪器教研室5.稳定性稳定性n 定义：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。n 传感器特性不稳定的原因：传感器特性不稳定的原因： 传感器长

9、时间放置不用。（经时变化） 传感器承受不适当的外界应力或进行不必要的加热。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）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。Page 18医学仪器教研室医学仪器教研室6.6.环境特性环境特性n 影响传感器的环境因素：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。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。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。电源的变化电源电压波动会引起灵敏度和输出漂移。

10、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。Page 19医学仪器教研室医学仪器教研室第二节第二节 传感器的动态特性传感器的动态特性n 为什么学习传感器的动态特性？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。数，其间的关系要用动态特性来说明。n 如何学习传感器的动态特性？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

11、变化的输入量作用运算方法，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。下，输出量如何随时间改变。Page 20医学仪器教研室医学仪器教研室n 例例1：图示是一个简单的传：图示是一个简单的传感装置，主要由弹簧元件和感装置，主要由弹簧元件和黏性阻尼器组成黏性阻尼器组成,想想x(t)表示表示该装置的输入激励，该装置的输入激励，y(t)表表示系统的输出位移。示系统的输出位移。n 根据图可列微分方程：根据图可列微分方程：)()()(01txtykdttdyk0k1k弹簧弹性系数阻尼器阻尼系数Page 21医学仪器教研室医学仪器教研室n 例例2 图中有三部分组成，分图中有三部分组成，分别为动