第一章傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識

1、1傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)授課教師：周凌柯授課教師：周凌柯自動化學(xué)院自動化學(xué)院2 傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用 黃賢武電子科技大學(xué)出版社黃賢武電子科技大學(xué)出版社傳感器技術(shù)傳感器技術(shù) 賈伯年東南大學(xué)出版社賈伯年東南大學(xué)出版社 傳感器與檢測技術(shù)彭軍傳感器與檢測技術(shù)彭軍 西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社 傳感器與檢測技術(shù)宋文緒高等教育出版社傳感器與檢測技術(shù)宋文緒高等教育出版社3“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點已為全世的觀點已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人

2、類提供宏觀與微觀世界的種官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有利工具。種信息，成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有利工具。Mendelyeev,Dmitry Ivanovich 科學(xué)僅僅是在人們懂得了測量才開始的科學(xué)僅僅是在人們懂得了測量才開始的 門捷列夫課程介紹課程介紹4基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識定義、分類定義、分類 原理、應(yīng)用、原理、應(yīng)用、一般特性一般特性傳感器原理傳感器原理電容傳感器電阻傳感器電感傳感器熱電傳感器壓電傳感器光電傳感器磁電傳感器氣、濕敏傳感器輻射式傳感器數(shù)字式傳感器傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、主要傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、檢測電路及其典型應(yīng)

3、用參數(shù)、檢測電路及其典型應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容5教學(xué)方式教學(xué)方式6789光電三極管是煙霧火警報警器中的光傳感器。平光電三極管是煙霧火警報警器中的光傳感器。平時，發(fā)光二極管發(fā)出的光被不透明擋板擋住。當(dāng)有時，發(fā)光二極管發(fā)出的光被不透明擋板擋住。當(dāng)有煙霧時，煙霧對光有散射作用，光電三極管接收到煙霧時，煙霧對光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報警電路工作。散射光，電阻變小，使報警電路工作。10溫度傳感器溫度傳感器11人體秤人體秤 12 氣敏傳感器氣敏傳感器 用用金屬氧化物半導(dǎo)體材料金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)氣味吸附在半導(dǎo)體表制成，當(dāng)氣味吸附在半導(dǎo)體表面時會導(dǎo)致材料的面時會導(dǎo)致材料的電阻

4、率變化。電阻率變化。13傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其它輔助元件組成。敏感器件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件 ；轉(zhuǎn)換元件：對信號轉(zhuǎn)換輸出成電路參量；輔助器件：對輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 14敏感元件敏感元件被測信息被測信息轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件信號調(diào)節(jié)電路信號調(diào)節(jié)電路輔助電路輔助電路輸出信息輸出信息15例：應(yīng)變式力傳感器例：應(yīng)變式力傳感器彈性膜片彈性膜片敏感元件敏感元件，將力轉(zhuǎn)換為彈性膜，將力

5、轉(zhuǎn)換為彈性膜片的變形片的變形應(yīng)變片應(yīng)變片傳感元件傳感元件，將彈性膜片的變形轉(zhuǎn)，將彈性膜片的變形轉(zhuǎn)換成電阻值的變化換成電阻值的變化 16應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器彈性膜片彈性膜片電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片壓力壓力應(yīng)變應(yīng)變電阻變化量電阻變化量敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。 如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時兼為轉(zhuǎn)換元件。例如，熱電偶、熱敏電阻等都是這種形式的傳感器。171)按被測量分類：物理量傳感器，如流量傳感器、壓力傳感器等；化學(xué)量傳感器，如氣體傳感器、濕度傳感器等；生物量傳感器。2)按工作機(jī)理分類：結(jié)構(gòu)型： 以敏感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信號

6、轉(zhuǎn)換，如電容式傳感器；物性型： 以敏感元件物性效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，如半導(dǎo)體傳感器；183)按能量的關(guān)系分類：無源傳感器： 必須具有輔助能源（電源），如電阻式、電容式等。4)按敏感材料分類：半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器、高分子材料傳感器、金屬傳感器等有源傳感器: 將非電量轉(zhuǎn)換為電能量，如熱電式、壓電式傳感器。192012012:,:nnnyaa xa xa xxyaaaa輸入量輸出量:零位輸出傳感器線性靈敏度非線性項的待定系數(shù) 靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號(輸入信號不隨時間變化）情況下，描述傳感器輸入與輸出間的一種函數(shù)關(guān)系。傳感器的靜態(tài)模型般可用多項式來表示：201）微分方程）微分方程111

7、1011011nnmmnnmmnnmmd ydydyd xdxdxaaaa ybbbb xdtdtdtdtdtdt2）傳遞函數(shù)）傳遞函數(shù)拉氏變換：拉氏變換：0( )( )StY Sy t edt110110( )( )( )mmmmnnnnb SbSbY SH SX Sa SaSa傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 動態(tài)模型是指傳感器在準(zhǔn)動態(tài)信號或動態(tài)信號(輸入信號隨時間而變化)作用下，描述輸出和輸入信號的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。動態(tài)模型通常采用微分方程或傳遞因數(shù)來描述。21被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下的輸入輸出關(guān)系。u傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。u輸出與輸入關(guān)系可分為線性特性和非線性特性。4

8、種典型情況種典型情況(a)理想線性(b) x奇次項的非線性(c) x偶次項的非線性(d) x奇、偶次項的非線性y= a1xy=a1x+a3x3+y=a1x+a2x2+a4x4 y=a1x+a2x2+anxn 23u實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差 輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差； 輸出滿量程值。100%maxFSEY FSYmax24u靈敏度S是指傳感器的輸出量增量 y與引起輸出量增量 y的輸入量增量 x的比值，即:ySxu對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率。u而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用S=dy/dx表示。25靈敏度靈敏度表示表示單位

9、輸入量的變化所引起傳感器單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，輸出量的變化，很顯然，靈敏度值越大，表很顯然，靈敏度值越大，表示傳感器越靈敏。示傳感器越靈敏。 26u重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。u各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。u主要由傳感器機(jī)械部分的磨損、間隙、松動、部件的內(nèi)摩擦以及輔助電路老化和漂移等原因產(chǎn)生。27u傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。100%maxmaxFSHEYu最大滯環(huán)率maxH：最大滯環(huán)誤差28分辨率是指傳感器能檢測到的最小變化量。 穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。29 傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面： 一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。 最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點漂移和溫度靈敏度漂移。