传感器原理及应用第2章 传感技术及基本特性.ppt

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1、第2章 传感技术及基本特性 2.1 传感器概论 2.2 传感器的基本特性 2.3 检测仪表的分类 2.4 检测技术的发展,传感器原理及应用,2.1 传感器的组成 定义:能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件、装置.由敏感元件和传感元件组成.,敏感元件是直接感受被测非电量，按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量(仍为非电量)的元件。例如 膜片和波纹管把被测压力转变成位移量等。,传感元件又称变换器，是能将敏感元件输出的非电量直接转换成所需的信号的元件.例如 应变式压力传感器中的弹性膜片就是敏感元件，而电阻应变片就是传感元件。,敏感元件与传感元件也可两者合二为一，称为一次传感元件，

2、它能直接输出电学量，如压电晶体、热电偶、热敏电阻、光学器件，直接感受被测量而输出与之成确定关系的电量。,新型的集成电路传感器将敏感元件、传感元件以及信号处理电路集成为一个器件。,传感器分类,分为模拟传感器和数字传感器,其中数字传感器便于与计算机联用，且抗干扰性较强.例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等。传感器数字化是今后的发展趋势。,按敏感材料不同,分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤维传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器，种类很多。,按应用场合不同,分为工业用、农用、军用、医用.科研用、环保用和家电用传感器等。按具体使用场合，分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞

3、船用、防灾用传感器等。,使用目的的不同，分为计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。,按照工作原理分类,可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。这种分类有利于对传感器的工作原理的了解。,按被测量分类,可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。这种分类有利于选择和应用传感器。,2.2 传感器静态特性,当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如温度、压力），的特性称静态特性。静态特性可以用函数式表示为,静态特性包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性,2.2

4、传感器静态特性,2.2 传感器静态特性,传感器的线性度（非线性误差）通常用相对误差表示：,最大非线性绝对误差 满量程输出 线性度,（1）线性度,（2）迟滞,传感器在正、反行程期间输入、输 出曲线不重合的现象称迟滞。,2.2 传感器静态特性,（2）迟滞,迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：,2.2 传感器静态特性,为正、反 行程输出值间的最大差值,例：电子秤 增加砝码10g 50g 100g 200g 电桥输出 0.5 mv-2mv-4mv-10mv 减砝码输出 1 mv-5mv-8mv-10mv,（2）迟滞,2.2 传感器静态特性,原因:机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承磨损，紧固件松动和材

5、料内 部分子间摩擦等。,（2）迟滞,2.2 传感器静态特性,（3）重复性,2.2 传感器静态特性,传感器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。,用最大重复偏差表示：,（3）重复性,2.2 传感器静态特性,重复性越好，使用时误差越小,（3）重复性,2.2 传感器静态特性,（4）灵敏度,2.2 传感器静态特性,在稳定条件下输出微小增量与输入微 小增量的比值 对线性传感器灵敏度：S=Y/X 对非线性传感器灵敏度为：S=dy/dx,（4）灵敏度,2.2 传感器静态特性,（4）灵敏度,2.2 传感器静态特性,例如:位移变化lmm时，输出电压变化 30mV。K=30mv/1mm=30(mv/

6、mm)灵敏度越高，测量范围愈窄、稳定性也愈差、抗干扰能力减弱。,（5）分辨率,2.2 传感器静态特性,用来表示仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力。以最小量程的单位值来表示。当被测量的变化值小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。,例如电压表的分辨率是10V，即能测的最小电压为10V，当增加7V或8V的电压时，电压表不会作任何反应。,（5）分辨率,2.2 传感器静态特性,零点漂移:在零输入的情况下，输出值的漂移。蠕变 是指某些测量载荷的仪表，当加载后随时间变化而使输出发生变化的现象。,2.2 传感器静态特性,2.3 传感器动态特性,当输入量随时间变化时,如:加速度、振动等，传感器的动态

7、特性。这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。,用时域法表示成：,2.3 传感器动态特性,用频域法表示为：,动态特性与静态特性的主要区别：动态特性中输出量与输入量的关系不是一个定值，而是时间的函数，它随输入信号的变化而改变。,2.3 传感器动态特性,2.3 传感器动态特性,例：动态测温 设环境温度为T0,水槽中水的温度为T,而且 T T0 传感器突然插入被测介质中；,用热电偶测温,理想情况测试曲线T是阶跃变化的；实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程,2.3 传感器动态特性,2.3 传感器动态特性,2.3 传感器动态特性,可用高阶常系数线性微分方程表示：,式中：Y输出；X输入；ai、bi

8、 为常数,2.3 传感器动态特性,两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数,2.3 传感器动态特性,传感器的传递函数：,频率特性:在动态测量中，输出幅值和相位随频率 的变化而改变.幅频特性:幅值随频率变化而改变的特性；,2.3 传感器动态特性,相频特性:相位随频率的变化而改变的特性。幅值下降到稳定幅值的0707倍时所对应的频率称为截止频率。,2.3 传感器动态特性,2.4、性能指标,基本参数指标 1量程指标：量程范围、过载能力等2灵敏度指标：灵敏度、满量程输出、分辨力、输入输出阻抗等,3精度指标：精度(误差)、重复性、线性、滞后、灵敏度误差、阀值、稳定性、漂移等,4动态性能指标：固有频率、阻尼系

9、数、频响范围、频率特性、时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、衰减率、稳态误差、临界速度、临界频率等,五、特性的应用,系统标定:通过输入、输出推断系统的传输或转换特性.检测:系统特性已知，输出可测，通过该特性和输出推断导致该输出的相应输入量；,干扰的查找:输入和系统特性已知，推断和估计系统的输出。,第二节 命名方法及代号,一、命名方法1构成由主题词加四级修饰语构成.(1)主题词传感器。(2)第一级被测量，(3)第二级转换原理，,(4)第三级特征描述，强调传感器结构、性能、材料特征(5)第四级主要技术指标(量程、精确度、灵敏度范围等等)。,2命名法范例,例1：传感器.位侈.应变计式.100mm：

10、例2：传感器.差压.电位器式.0至70kPa：,例3：传感器.声压.电容式.100至160dB；例4：传感器.绝压.应变计式.放大型，03500kPa：作为产品名称采用与上述相反的顺序。,例1：100mm应变式位移传感器；例2：0至70kPa电位器式差压传感器：,例3：100至160dB电容式声压传感器：例4：0至3500KPa放大型应变计式绝压传感器：,3代号标记示例,(1)光纤压力传感器C Y-GO-1 序号 转换原理（光纤式）被测量（压力）主称（传感器）,(2)温度传感器C W-01A 序号 被测量（温度）主称（传感器）,第三节 材料,按材料所起的作用分为敏感材料和辅助材料。敏感材料是传

11、感器材料的核心，决定传感器的固有特性或开发的二次功能特性.,敏感材料的品种多，有半导体材料、石英敏感材料、高分子敏感材料等。,辅助材料是传感器不可缺少的组成部分。直接影响传感器的静态、动态特性及稳定性、可靠性和寿命。,按材料的特性可将传感器材料分为半导体材料，敏感陶瓷材料，石英敏感材料，金属及合金材料，无机材料，有机材料，生化材料，高分子敏感材料、超晶格等。,第四节 制作技术,主要是微系统技术(或称微机械加工技术)。集微机械、微电子、微光学和数据处理软件等为一体的一门综合技术。,1系统的主要工艺(1)半导体工艺。(2)硅微机械加工技术。(3)集成光学技术。,(4)厚膜薄膜技术。(5)毫微技术。

12、(6)X射线深层光刻电铸成型技术。(7)激光加工技术。,2、纳米技术(毫微技术),纳米(即毫微米)是1m的十亿分之一，相当于氢原子直径的10倍。,纳米技术(毫微技术):一种能控制分子及结构的技术。纳米材料的最小直径20nm，含有大约100个原子，内部排列很整齐象典型晶体。,利用纳米技术可以制造性能优异的传感器材料，发现制造传感器的新效应，使传感器结构微型化。,第五节 设计方法,一、建模 模型在原理分析、结构设计、样机研制中起着重要的作用。建模时，可分以下三个过程：(1)由实际问题的本质特征建立传感器的机理模型。,它既依赖于设计者对传感器工作机理的理解，依赖于设计者已有的实际工作经验。,(2)由

13、机理模型建立传感器的数学模型。根据传感器的基本工作原理，针对传感器的敏感元件进行。考虑传感器的机理定量描述、结构参数、边界条件及其它约束条件等。(3)求解数学模型。,二、应用到的各种定理、法则、效应,基本定律有以下四种类型。守恒定律：能量、动量、电荷量等守恒定律。场与波动的规律：动力场定律、电磁场的感应定律、光的干涉现象等。,物质定律：物理、化学、生物、物质所固有的特性等。统计法则：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。,四、信号转换方式,把输入压力非电量直接变换为电量，需进行两级变换:把压力首先变换成弹性元件的形变或应变，然后把弹性元件的形变或应变再变换成电量(二级变换)。,五、标定与

14、校准,新研制或生产的传感器需对其技术性能进行全面的检定：经过一段时间储存或使用的传感器也需对其性能进行复测。,标定:在明确输入和输出的对应关系的前提下，利用标准或标准器具对传感器的静态特性指标或动态特性指标等进行标度。校准:传感器在使用中或储存后进行的性能复测。,标定的基本方法是:利用标准设备产生已知的非电量(如标准力、压力、位移等)作为输入量，输入待标定的传感器，然后将输出量与输入的标准量作比较，获得标准数据或曲线。,标定系统由以下几个部分组成：1)被测非电量的标准发生器。如活塞式压力计、测力机、恒温源等。,(2)被测非电量的标准测试系统。如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等。3)待

15、标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等。,2.4 检测技术及仪表的发展,2.4.1 检测技术及仪表的发展方向 在线实时检测是主攻方向 向宏观、微观两极发展 环境检测是个重要领域 新技术、新原理、新材料的应用，促进 了检测技术的发展,传感器原理及应用,2.4.2 检测技术的最新发展,虚拟仪器、软测量技术、模糊传感器和多传感器数据融合 虚拟仪器 通常是经过信号调理的数据采集系统、带有通用仪器总线（GPIB）的测试系统、VXI仪器测试系统以及它们三者的任意组合。,传感器原理及应用,软测量技术,。软测量技术主要包括三个部分内容：一是根据某种最优原则，研究建立软测量数学模型的方法；二是模型实时运算

16、的工程化实施技术；三是模型自校正（模型维护）技术，通常有两种软测量的建模方法：机理建模方法和辨识建模方法。,传感器原理及应用,模糊传感器,通过运用模糊理论进行模糊推理与知识集成，以自然语言符号描述形式输出的一种传感器。,传感器原理及应用,多传感器数据融合,将来自多传感器或多源的信息和数据，利用人类专家的综合信息处理能力进行智能化处理，从而获得更为广泛全面的、准确可信的结论。,传感器原理及应用,传感器应用电路组成,1.显示器2.执行机构3.信号放大比较4.系统信息处理 a.温度补偿技术 b.抗干扰技术 c.线性化处理 d.数字化处理微机在测控系统中的应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感

17、器应用电路组成,导弹发射角度控制系统,传感器原理及应用,隧道窑计算机检测控制系统框图,传感器原理及应用,模糊洗衣机的模糊推理,传感器原理及应用,模糊洗衣机结构示意图,1-脱水缸(内缸)2-外缸 3-外壳4-悬吊弹簧(共四根)5-水位传感器 6-布量传感器7-变速电动机 8-皮带轮 9-减速、离合、刹车装置 10-排水阀 11-光电传感器,传感器原理及应用,智能楼宇的管理、监控、通信系统,传感器原理及应用,空调系统监控原理框图,传感器原理及应用,给排水系统监控原理框图,传感器原理及应用,停车监控原理框图,传感器原理及应用,升降式电梯组成,1-对重导轨 2-对重 3-导向轮 4-曳引轮5-曳引电动

18、机 6-控制柜 7-曳引钢丝绳 8-开关门机构 9-轿厢 10-轿向导轨 11-轿厢上(下)减速开关 12-平层开关 13-缓冲器,传感器原理及应用,轿门开关机构示意图,1-带轮1 2-曲柄1 3-摇杆1 4-轿门 5-摇杆2 6-曲柄2 7-带轮2 8-开关门电动机 9-轿门移动导轨,光电式保护装置,1-轿门 2-红外发射装置 3-红外接收装置 4-防夹条,超声波保护装置,1-层门 2-轿门 3-超声波传感器,安装在曳引电动机上的光电编码器,光电编码器 2-曳引电动机 3-电磁制动器4-底座 5-蜗轮-蜗杆减速箱 6-曳引轮,传感器原理及应用,主要介绍 传感技术、传感器的概念、分类与特性、命名方法、材料、制作技术、设计方法、,传感器原理及应用,重点是传感技术、传感器概念：传感器的静态特性与动态特性，静态特性指标的含义和求解方法：传感器代号的构成；,传感器原理及应用,传感器原理及应用,第2章 传感器基本特性,