第1章傳感器概述

1、第1章 傳感器概述1.1 自動測控系統(tǒng)與傳感器1.2 傳感器分類1.3 傳感器性能指標1.4 實訓1.1 自動測控系統(tǒng)與傳感器自動測控系統(tǒng)與傳感器v 世界是由物質組成的，表征物質特性或其運動形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質的電特性，可分為電量和非電量兩類。v 非電量不能直接使用一般電工儀表和電子儀器測量，非電量需要轉換成與非電量有一定關系的電量，再進行測量。實現(xiàn)這種轉換技術的器件叫傳感器。v 自動檢測和自動控制系統(tǒng)處理的大都是電量, 需通過傳感器對通常是非電量的原始信息進行精確可靠的捕獲和轉換為電量。v1.1.1 自動測控系統(tǒng)自動測控系統(tǒng)v 自動檢測和自動控制技術是人們對事物的規(guī)律進行定性了解和定量掌

2、握以及預期效果控制所從事的一系列的技術措施。v 自動測控系統(tǒng)是完成這一系列技術措施之一的裝置，它是檢測和控制器與研究對象的總和。v 通?？煞譃殚_環(huán)與閉環(huán)兩種自動測控系統(tǒng) 。測量電路測量電路傳感器傳感器電源電源指示儀指示儀記錄儀記錄儀伺服控制伺服控制圖1-1 開環(huán)自動測控系統(tǒng)框圖 被測量被測量調節(jié)元件調節(jié)元件給定元件給定元件信息處理信息處理檢測電路檢測電路執(zhí)行元件執(zhí)行元件傳感器傳感器對象對象輸出輸出顯示顯示記錄記錄圖1-2 閉環(huán)自動測控系統(tǒng)框圖 v 一個完整的自動測控系統(tǒng)，一般由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置或調節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分組成。 v1.1.2 傳感器傳感器v 傳感器的定義是：能感受規(guī)

3、定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。v 敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；v 轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。 敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件輔助電源輔助電源接口電路接口電路圖1-3 傳感器組成框圖非電物非電物理量理量電信號電信號v 壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等是敏感元件與轉換元件兩者合二為一的傳感器。 v 傳感器轉換能量的理論基礎都是利用物理學、化學學、生物學現(xiàn)象和效應來進行能量形式的變換。v 被測量和它們之間的能量的相互轉換是各種各樣的。機械能機械能光能光能

4、電電磁磁能能化化學學能能熱能熱能圖1-4 傳感器的能量轉換關系 v 傳感器技術就是掌握和完善這些轉換的方法和手段。 是涉及：v 傳感器能量轉換原理、v 傳感器材料選取與制造、v 傳感器器件設計、v 傳感器開發(fā)和應用等多項綜合技術。1.2 傳感器分類傳感器分類 傳感器有許多分類方法，但常用的分類方法有兩種：v 一種是按被測輸入量來分；v 另一種是按傳感器的工作原理來分。v1.2.1 按被測量分類按被測量分類v 這一種方法是根據(jù)被測量的性質進行分類，如：v 溫度傳感器、濕度傳感器、v 壓力傳感器、位移傳感器、v 流量傳感器、液位傳感器、v 力傳感器、加速度傳感器、v 轉矩傳感器等。v 這種分類方法

5、把種類繁多的被測量分為v 基本被測量和派生被測量兩類。v 例如力可視為基本被測量，從力可派生出壓力、重量、應力、力矩等派生被測量。v 當需要測量這些被測量時，只要采用力傳感器就可以了。v 基本被測量和派生被測量見表1-1。 表1-1 基本被測量和派生被測量 基本被測量基本被測量 派生被測量派生被測量 位位 移移 線位移線位移 長度、厚度、應變、振動、磨損、不平度長度、厚度、應變、振動、磨損、不平度 角位移角位移 旋轉角、偏轉角、角振動旋轉角、偏轉角、角振動 速速 度度 線速度線速度 速度、振動、流量、動量速度、振動、流量、動量 角速度角速度 轉速、角振動轉速、角振動 加速度加速度 線加速度線加

6、速度 振動、沖擊、質量振動、沖擊、質量 角加速度角加速度 角振動、扭矩、轉動慣量角振動、扭矩、轉動慣量 力力 壓壓 力力 重量、應力、力矩重量、應力、力矩 時時 間間 頻頻 率率 周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布 溫溫 度度 熱容量、氣體速度、渦流熱容量、氣體速度、渦流 光光 光通量與密度、光譜分布光通量與密度、光譜分布 濕濕 度度 水氣、水分、露點水氣、水分、露點v 這種分類方法：v 優(yōu)點：比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。 v 缺點：沒有區(qū)分每種傳感器在轉換機理上有何共性和差異，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。v1.2.2 按傳感器工作原理分類按傳感器工作

7、原理分類v 這一種分類方法是以工作原理劃分，將物理、化學、生物等學科的原理、規(guī)律和效應作為分類的依據(jù)。v 這種分類法：v 優(yōu)點：對傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器的深入研究分析。v 缺點：不便于使用者根據(jù)用途選用。v 具體劃分為v1. 電學式傳感器v 應用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。v2. 磁學式傳感器v 利用鐵磁物質的一些物理效應而制成。主要用于位移、轉矩等參數(shù)的測量。v3. 光電式傳感器v 利用光電器件的光電效應和光學原理而制成。v 主要用于光強、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。v4

8、. 電勢型傳感器v 利用熱電效應、光電效應、霍耳效應等原理而制成。v 主要用于溫度、磁通、電流、速度、光強、熱輻射等參數(shù)的測量。v5. 電荷傳感器v 利用壓電效應原理而制成。 v 主要用于力及加速度的測量。v6. 半導體傳感器v 利用半導體的壓阻效應、內光電效應、磁電效應、半導體與氣體接觸產(chǎn)生物質變化等原理而制成。v 主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。 v7. 諧振式傳感器v 利用改變電或機械的固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成。v 主要用來測量壓力。v8. 電化學式傳感器v 以離子導電原理為基礎而制成，可分為v 電位式傳感器、電導式傳感器、電量式傳感器、級譜式傳感器和電

9、解式傳感器等。v 主要用于分析v 氣體成分、液體成分、溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導率及氧化還原電位等參數(shù)的測量。 v 分類方法還有：v 按能量的關系分類，分為v 有源傳感器和無源傳感器；v 按輸出信號的性質分類，分為 v 模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。v 數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，便于與計算機聯(lián)用，且抗干擾性較強，例如：v 盤式角度數(shù)字傳感器，光柵傳感器等。1.3 傳感器的性能指標傳感器的性能指標v 傳感器測量靜態(tài)量表現(xiàn)為靜態(tài)特性，測量動態(tài)量表現(xiàn)為動態(tài)特性。1.3.1 靜態(tài)特性靜態(tài)特性v 傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種技術指標來描述。v1. 線性度v 理想傳感器輸出量與輸入量之間的關系

10、應是線性的，如圖1-5（a）所示。圖1-5 （a）v 實際傳感器輸出量與輸入量之間的關系大多是非線性的，如圖1-5 （b）所示。圖1-5 （b）v 各種傳感器的非線性程度不相同。v 線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差。v 線性度可用下式表示： v式中： max為實際曲線與擬合直線之間的最大偏差； yfs為輸出滿量程值。v 傳感器輸出量與輸入量之間的非線性應進行線性補償處理，以提高測量準確性。%100maxfsyE（1-1）v2. 靈敏度v 靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。v 對于線性傳感器，其靈敏度sn就是它的靜態(tài)特性的斜率。 圖圖1-

11、6（a）v 非線性傳感器的靈敏度sn是一個隨工作點而變的變量：v sn=dy/dx=df(x)/dx圖圖1-6（b）圖1-6 傳感器的靈敏度 v3. 重復性v 重復性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。v 如圖1-7所示。 圖1-7 傳感器的重復性 v 傳感器輸出特性的不重復性主要由傳感器的機械部分的磨損、間隙、松動，部件的內磨擦、積塵，電路元件老化、工作點漂移等原因產(chǎn)生。v 不重復性極限誤差由下式表示： v EZ= (max/yfs) 100% v4. 遲滯現(xiàn)象v 傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減小）期間，輸出-輸入特性曲線不一致的程度

12、。v 如圖1-8所示。圖1-8 傳感器的遲滯現(xiàn)象 v 在行程環(huán)中同一輸入量xi對應的不同輸出量yi和yd的差值叫滯環(huán)誤差。v 最大滯環(huán)誤差與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率 Emax=(m/yfs) 100% v5. 分辨力v 傳感器的分辨力是在規(guī)定測量范圍內所能檢測的輸入量的最小變化量。v 有時也用該值相對滿量程輸入值的百分數(shù)表示。v6. 穩(wěn)定性v 穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。v 傳感器常用長期穩(wěn)定性，指在室溫條件下，經(jīng)過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。v 通常又用其不穩(wěn)定度來表征穩(wěn)定程度。v7. 漂移v 傳感器的漂移是指在外界的干擾下，

13、輸出量發(fā)生與輸入量無關的不需要的變化。v 漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。v 零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。v 時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；v 溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。 v1.3.2 動態(tài)特性動態(tài)特性v 在動態(tài)（快速變化）的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準確地響應和再現(xiàn)被測信號的變化。也就是說，傳感器要有良好的動態(tài)特性。v 從時域和頻域兩方面，v采用瞬態(tài)響應法和頻率響應法來分析。 v1. 階躍響應特性v 采用瞬態(tài)響應法，給傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號： 0010)(tttu 其輸出特性稱為階躍響應特性，如圖1-9所示

14、。圖1-9 傳感器階躍響應特性 (1)最大超調量最大超調量 (2)延遲時間延遲時間 (3)上升時間上升時間 (4)峰值時間峰值時間 (5)響應時間響應時間 pdtrtptst由圖可衡量階躍響應的幾項指標。 v2. 頻率響應特性v 采用頻率響應法，給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同，初相位為零的正弦信號。v 其輸出的正弦信號的幅值和相位與頻率之間的關系，為頻率響應曲線。 v例：v 圖1-10，彈簧阻尼器組成的機械壓力傳感器。圖1-10 機械壓力傳感器 系統(tǒng)輸入量為作用力，令其與彈簧剛度成正比， )()(tKxtF。 系統(tǒng)輸出量為彈簧形變產(chǎn)生的位移，)(ty。 根據(jù)牛頓第三定律，作用力與（阻尼器磨

15、擦力、彈簧彈性力）反作用力相等，即： )(tFffkc ； 。 式中： ， 為阻力器磨擦力，)(tKyfk為彈簧彈性力。kc設：設：為時間常數(shù) 經(jīng)計算，彈簧形變位移和輸入作用力頻率的關系（頻率特性）如圖1-11 所示。 由圖可見，時間常數(shù)越小，頻率特性越好。 時間常數(shù)很小時，幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率成線性關系。輸出位移能真實地反應輸入作用力的變化規(guī)律，與作用力頻率無關。 圖1-11 一階傳感器的頻率特性 1.4 實訓實訓v 1.4.1 電子秤靜態(tài)特性測試電子秤靜態(tài)特性測試v 用一個電子稱，按其最大稱重量，由小到大取10個不同重量的砝碼（或組合10個砝碼重量）。v 將砝碼從小到大，進行稱重

16、，記錄顯示值。再將砝碼從大到小，進行稱重，記錄顯示值。重復3次。v 以砝碼重量為橫坐標，顯示值為縱坐標，畫稱重誤差曲線，重復性曲線和遲滯曲線。v1.4.2 來人自動閃燈電路裝調來人自動閃燈電路裝調v 圖112所示為利用紅外發(fā)光二極管和紅外線接收頭組成的來人自動閃燈電路。v 當有人靠近時，發(fā)光二極管會自動發(fā)出陣陣醒目的閃光。圖圖1-12 來人自動閃燈電路來人自動閃燈電路v1. 編制元器件表，備齊元器件；v2. 用多功能電路板（面包板）焊接裝配該電路，用萬用表檢查電路裝配正確；v3. 用5V直流電源給電路供電，進行來人自動閃光試驗；v4. 在黑暗處、在室內、在室外陰涼處、在室外太陽底下，分別試驗該

17、電路是否起作用，作用距離多少，做好記錄。v5. 考慮該電路其他用途。附附 傳感器的材料與制造傳感器的材料與制造v一、一、 傳感器的材料傳感器的材料v1.半導體材料v（1）單晶硅v（2）多晶硅v（3）非晶體硅v（4）硅藍寶石v（5）化合物半導體v2. 陶瓷材料v3. 石英材料v4. 金屬氧化物及合金材料 v（1）ZnO薄膜 v（2）非晶態(tài)磁性合金材料 v（3）形狀記憶合金材料 v 5. 無機材料 v 6.有機材料 v 7.生化材料v 8.高分子敏感材料v 9.合成材料v10. 智能材料v（1）能夠檢測并且可以識別外界或內部的刺激強度的感知功能；v（2）能夠響應外界變化的驅動功能；v（3）能夠按照設定的方式選擇和控制響應；v（4）反應比較靈敏、及時和恰當；v（5）當外部刺激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態(tài)。 v二、二、 傳感器制造技術傳感器制造技術v1.部件及子系統(tǒng)加工v（1）半導體加工技術v（2）硅微機械加工技術v（3）集成光學技術v（4）厚膜薄膜技術v（5）納米技術