传感器技术与应用第3版第1章传感器概述.ppt

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1、第1章 传感器概述,1.1 自动测控系统与传感器1.2 传感器分类1.3 传感器性能指标1.4 实训,1.1 自动测控系统与传感器,世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量。实现这种转换技术的器件叫传感器。,自动检测和自动控制系统处理的大都是电量,需通过传感器对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量。,1.1.1 自动测控系统 自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所从事的一系列的技术措

2、施。,自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置，它是检测和控制器与研究对象的总和。通常可分为开环与闭环两种自动测控系统。,测量电路,传感器,电源,指示仪,记录仪,伺服控制,图1-1 开环自动测控系统框图,被测量,调节元件,给定元件,信息处理,检测电路,执行元件,传感器,对象,输出,显示,记录,图1-2 闭环自动测控系统框图,一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。,1.1.2 传感器 传感器的定义是：能感受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。,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量

3、的部分；转换元件是指传感器中能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。,敏感元件,转换元件,辅助电源,接口电路,图1-3 传感器组成框图,非电物理量,电信号,压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等是敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器。传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的。,机械能,光能,电磁能,化学能,热能,图1-4 传感器的能量转换关系,传感器技术就是掌握和完善这些转换的方法和手段。是涉及：传感器能量转换原理、传感器材料选取与制造、传感器器件设计、传感器开发和应用等多项综

4、合技术。,1.2 传感器分类,传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。,1.2.1 按被测量分类 这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。,这种分类方法把种类繁多的被测量分为 基本被测量和派生被测量两类。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。基本被测量和派生被测量见表1-1。,表1-1 基本被测量和派生被测量,这种分类方法：优点：比较明确地

5、表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。,1.2.2 按传感器工作原理分类 这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。,这种分类法：优点：对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。缺点：不便于使用者根据用途选用。,具体划分为1.电学式传感器 应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。2.磁学式传感器 利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转

6、矩等参数的测量。,3.光电式传感器 利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。4.电势型传感器 利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。,5.电荷传感器 利用压电效应原理而制成。主要用于力及加速度的测量。6.半导体传感器 利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。,7.谐振式传感器 利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。主要用来测量压力。,8.电化学式传感器 以离子导电原理

7、为基础而制成，可分为 电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。主要用于分析 气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。,分类方法还有：按能量的关系分类，分为 有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，分为 模拟式传感器和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如：盘式角度数字传感器，光栅传感器等。,1.3 传感器的性能指标,传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。1.3.1 静态特性 传感器的静态特性主要由下列几种技术指标来描述。,1.线性度 理想传感器输出量

8、与输入量之间的关系应是线性的，如图1-5（a）所示。,图1-5（a）,实际传感器输出量与输入量之间的关系大多是非线性的，如图1-5（b）所示。,图1-5（b）,各种传感器的非线性程度不相同。线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。线性度可用下式表示：,式中：max为实际曲线与拟合直线之间的最大偏差；yfs为输出满量程值。传感器输出量与输入量之间的非线性应进行线性补偿处理，以提高测量准确性。,（1-1）,2.灵敏度 灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度sn就是它的静态特性的斜率。,图1-6（a）,非线性传感器的灵敏度sn是

9、一个随工作点而变的变量：sn=dy/dx=df(x)/dx,图1-6（b）,图1-6 传感器的灵敏度,3.重复性 重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。如图1-7所示。,图1-7 传感器的重复性,传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。不重复性极限误差由下式表示：EZ=(max/yfs)100%,4.迟滞现象 传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。如图1-8所示。,图1-8 传感器的迟滞现象,在行程环中同一输入量xi对

10、应的不同输出量yi和yd的差值叫滞环误差。最大滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率 Emax=(m/yfs)100%,5.分辨力 传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。,6.稳定性 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。,7.漂移 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度

11、漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。,1.3.2 动态特性 在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。从时域和频域两方面，采用瞬态响应法和频率响应法来分析。,1.阶跃响应特性 采用瞬态响应法，给传感器输入一个单位阶跃函数信号：,其输出特性称为阶跃响应特性，如图1-9所示。,图1-9 传感器阶跃响应特性,(1)最大超调量,(2)延迟时间,(3)上升时间,(4)峰值时间,(5)响应时间,由图可衡量阶跃响应的几项指标。,2.频率响应特性 采用频率

12、响应法，给传感器输入各种频率不同而幅值相同，初相位为零的正弦信号。其输出的正弦信号的幅值和相位与频率之间的关系，为频率响应曲线。例：图1-10，弹簧阻尼器组成的机械压力传感器。,图1-10 机械压力传感器,系统输入量为作用力，令其与弹簧刚度成正比，,。,系统输出量为弹簧形变产生的位移，,。,根据牛顿第三定律，作用力与（阻尼器磨擦力、弹簧弹性力）反作用力相等，即：,；,。,式中：,，,为阻力器磨擦力，,为弹簧弹性力。,设：,为时间常数,经计算，弹簧形变位移和输入作用力频率的关系（频率特性）如图1-11 所示。由图可见，时间常数越小，频率特性越好。时间常数很小时，幅频特性为常数，相频特性与频率成线

13、性关系。输出位移能真实地反应输入作用力的变化规律，与作用力频率无关。,图1-11 一阶传感器的频率特性,1.4 实训,1.4.1 电子秤静态特性测试 用一个电子称，按其最大称重量，由小到大取10个不同重量的砝码（或组合10个砝码重量）。将砝码从小到大，进行称重，记录显示值。再将砝码从大到小，进行称重，记录显示值。重复3次。以砝码重量为横坐标，显示值为纵坐标，画称重误差曲线，重复性曲线和迟滞曲线。,1.4.2 来人自动闪灯电路装调 图112所示为利用红外发光二极管和红外线接收头组成的来人自动闪灯电路。当有人靠近时，发光二极管会自动发出阵阵醒目的闪光。,图1-12 来人自动闪灯电路,1.编制元器件

14、表，备齐元器件；2.用多功能电路板（面包板）焊接装配该电路，用万用表检查电路装配正确；3.用5V直流电源给电路供电，进行来人自动闪光试验；4.在黑暗处、在室内、在室外阴凉处、在室外太阳底下，分别试验该电路是否起作用，作用距离多少，做好记录。5.考虑该电路其他用途。,附 传感器的材料与制造,一、传感器的材料1.半导体材料（1）单晶硅（2）多晶硅（3）非晶体硅（4）硅蓝宝石（5）化合物半导体,2.陶瓷材料3.石英材料4.金属氧化物及合金材料（1）ZnO薄膜（2）非晶态磁性合金材料（3）形状记忆合金材料,5.无机材料 6.有机材料 7.生化材料 8.高分子敏感材料 9.合成材料,10.智能材料（1）

15、能够检测并且可以识别外界或内部的刺激强度的感知功能；（2）能够响应外界变化的驱动功能；（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；（4）反应比较灵敏、及时和恰当；（5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。,二、传感器制造技术1.部件及子系统加工（1）半导体加工技术（2）硅微机械加工技术（3）集成光学技术（4）厚膜薄膜技术（5）纳米技术（6）激光加工技术,2.系统的集成（1）硅加工机械加工（2）键合粘接、焊接、封接（3）接线焊接连线（4）基底激光打孔,3.硅微机械加工技术 是集成电路工艺和微机械加工技术的结合，用于微机电系统（MEMS）的加工，包括：（1）薄膜生长技术（2）腐蚀技术（3）LIGA技术（4）牺牲层技术（5）束加工技术,LIGA技术是X射线光刻、电铸成型和塑料铸模三个手段顺序组合，进行操作的一种新技术。用LIGA技术进行微机械加工，可以制造较高深宽比的结构，宽度可小到1m，深度可达数百m，甚至mm级，非常适合于制作复杂的微机械结构。,