智能儀器相關(guān)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二講智能儀器輸入

1、智能儀器相關(guān)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二講智能儀器輸入第二講 智能儀器的輸入2.1傳感器的分類物理傳感器 物性型傳感器 利用功能材料本身所特有的特性及效應(yīng)把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量。 結(jié)構(gòu)型傳感器 以結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸）為基礎(chǔ)，利用某些物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)把被測(cè)信息轉(zhuǎn)換為電量?；瘜W(xué)傳感器 利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無(wú)機(jī)、有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)的傳感器 核心是離子選擇性敏感膜傳感器利用生物活性物質(zhì)選擇性識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器 兩大部分構(gòu)成：功能識(shí)別物質(zhì)（酶，抗原，微生物，細(xì)胞等）電光信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置（生物化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或光信號(hào)）22134567891011121314物性型：光敏特性光電效應(yīng) 、光纖傳感器

2、壓敏特性壓電效應(yīng) 、壓阻效應(yīng) 、壓磁效應(yīng)熱敏特性熱電效應(yīng) 、熱敏電阻濕敏特性水分子親和力型 、非水分子親和力型磁敏特性霍爾效應(yīng) 、磁阻效應(yīng) 、磁敏管色敏特性光譜型氣敏特性半導(dǎo)體氣敏第二講 智能儀器的輸入（1）物理傳感器3第二講 智能儀器的輸入外光電效應(yīng)在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程:入射光子能量 = 逸出功 + 光電子初動(dòng)能紅限頻率(截止頻率)產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：紅限頻率與材料有關(guān)，而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)普朗克常數(shù)：光子頻率：電子一旦吸收了一個(gè)光子的能量，就可以立刻從金屬表面逸出，所以無(wú)須時(shí)間累積，響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1ns4第二講 智能儀器的輸入內(nèi)

3、光電效應(yīng)（1）光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，從而使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。 純凈半導(dǎo)體光子能量必須大于材料的禁帶寬度Eg才能產(chǎn)生 內(nèi)光電效應(yīng)，能使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶的光譜的最大波長(zhǎng)稱 為截止波長(zhǎng)，01240/Eg(nm)。摻雜型半導(dǎo)體光子能量只要大于施主能級(jí)與導(dǎo)帶底或者受 主能級(jí)與價(jià)帶頂能級(jí)差，截止波長(zhǎng)01240/Ei(nm)光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)(electron-hole pairs)，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈

4、強(qiáng)，阻值愈低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管與三極管。 光敏電阻光敏二極管光敏三極管5第二講 智能儀器的輸入光生伏特效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)兩端沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)仍然存在著內(nèi)建結(jié)電場(chǎng)，其方向是從N區(qū)指向P區(qū)。當(dāng)光照射到結(jié)區(qū)時(shí)，光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子推向N區(qū)，空穴推向P區(qū)；電子在N區(qū)積累和空穴在P區(qū)積累使PN結(jié)兩邊的電位發(fā)生變化，PN結(jié)兩端出現(xiàn)一個(gè)因光照而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。由于它可以像電池那樣為外電路提供能量，因此常稱為光電池。 內(nèi)光

5、電效應(yīng)（2）短路電流開(kāi)路電壓N區(qū)流向P區(qū)光生電流正向二極管電流PN結(jié)反相飽和電流PN結(jié)正向偏壓波爾茲曼常數(shù)K=1.380650510-23 J/K PN結(jié)常數(shù)，12之間絕對(duì)溫度電子電量1.610-19 短路電流開(kāi)路電壓6第二講 智能儀器的輸入硅光電池的特性內(nèi)光電效應(yīng)（3）硅光電池的光照特性曲線硅光電池的伏安特性曲線硅光電池的光譜特性曲線7第二講 智能儀器的輸入側(cè)向光生伏特效應(yīng)（Dember效應(yīng)） 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件的光靈敏面受光照不均勻時(shí)，由載流子濃度梯度而產(chǎn)生光電勢(shì)的效應(yīng)。光電磁效應(yīng)（PEM效應(yīng)） 半導(dǎo)體受到強(qiáng)光照射，并在光照垂直方向外加磁場(chǎng)時(shí)，垂直于光和磁場(chǎng)的半導(dǎo)體兩端間產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為光

6、電磁效應(yīng)，它可以看成是光擴(kuò)散電流的霍爾效應(yīng)。貝克勒耳效應(yīng)（Becquerel效應(yīng)） 貝克勒耳效應(yīng)是液體中的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射浸在電解液中的兩個(gè)同樣的電極中的任一個(gè)電極時(shí)，兩個(gè)電極間將產(chǎn)生電勢(shì)的現(xiàn)象稱為貝克勒耳效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)（4）8第二講 智能儀器的輸入光纖傳感器（1）基本原理：光纖傳感器是一種與以電為基礎(chǔ)的傳感器迥然不同的傳感器，它以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)，是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)光信號(hào)的裝置。它由光發(fā)送器、敏感元件（光纖或者非光纖的）、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成。由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)源光纖導(dǎo)引到敏感元件，在這里光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信

7、號(hào)變成電信號(hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理。光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器(Function Fiber Optic Sensor)，又稱FF型光纖傳感器；另一類是非功能傳感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器；后者是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，因此，也稱傳光型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：電絕緣，抗電磁干擾，對(duì)被測(cè)場(chǎng)不產(chǎn)生干擾，高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，幾何形狀有多方面的適應(yīng)性，傳輸頻帶

8、寬（30MHz10GHz），電氣無(wú)源系統(tǒng)（無(wú)可動(dòng)部分，無(wú)電源）,萬(wàn)能傳感器：電流、磁場(chǎng)、電壓、電場(chǎng)、溫度、速度、位移、加速度、壓力、流量、濃度、pH值、振動(dòng)、音響、射線、圖像等。光纖傳輸?shù)墓獠ǎ梢苑纸鉃檠乜v軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者纖芯和包層的界面上會(huì)產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫切向往返一次的相位變化為2的整數(shù)倍時(shí)，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，亦即某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。通常纖芯直徑較粗時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模；而纖芯很細(xì)時(shí)，只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖，多用于非功能型(NF)光纖傳感器；后者是單模光纖，多用于功能型(FF)光纖傳感器。 9第二講

9、智能儀器的輸入光纖傳感器（2）光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)為: 數(shù)值孔徑 石英光纖的NA=0.20.4 光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減，可以通過(guò)損耗系數(shù)來(lái)衡量光纖鏈路的損耗特性標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)在1550 nm的損耗系數(shù)為0.2 dB/km色散使信號(hào)不同的成分傳播速度不同，使信號(hào)在目的端產(chǎn)生碼間干擾，給信號(hào)的最后判決造成困難，色散用色散系數(shù)衡量帶寬距離積，D（）為色散系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550 nm處色散系數(shù)為17 ps/kmnm例子：考慮一個(gè)工作在1550 nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15 nm，使用標(biāo)準(zhǔn)單模

10、光纖D = 17 ps/kmnm，那么系統(tǒng)帶寬和距離乘積： BL nb，當(dāng)A和B金屬接觸在一起，A金屬中自由電子向B金屬中擴(kuò)散，這時(shí)A金屬由于失去電子而具正電位，B金屬由于得到電子而帶負(fù)電。這種擴(kuò)散一直到動(dòng)態(tài)平衡為止，而得到一個(gè)穩(wěn)定的接觸電勢(shì)。該電勢(shì)除了與材料有關(guān)，也與溫度有關(guān)。單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)：對(duì)一根均質(zhì)的金屬導(dǎo)體，如果兩端溫度不同，分別T和T0（TT0），則在兩端也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)叫做湯姆遜電勢(shì)。熱電效應(yīng)7電阻的電阻率一般都與溫度相關(guān)，故可用于測(cè)量溫度。熱敏電阻是用一種半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其特點(diǎn)是電阻隨溫度變化而顯著變化，并能直接將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。熱敏電阻8由于水

11、分子有較大的偶極矩，故其易于吸附在固體表面并滲透入固體內(nèi)部。水分子這種吸附和滲透特性稱水分子親和力。水分子吸附在物體表面或滲入物體內(nèi)部后，物體的電氣物理性能發(fā)生變化，利用這種變化可構(gòu)成多種水分子親和力型濕敏傳感器。例如金屬氧化物陶瓷吸收水分子后發(fā)生長(zhǎng)度、電阻、電容等性能發(fā)生變化可 構(gòu)成濕敏傳感器。水分子親和型濕敏特性16第二講 智能儀器的輸入9（1）微波濕敏傳感器：微波在含水蒸氣的空氣中傳播時(shí)，由于水蒸汽吸收微波產(chǎn)生一定的損耗，損耗大小隨波長(zhǎng)而異，在22.235GHz時(shí)，微波損耗量最大。利用這種特性可以構(gòu)成微波濕敏傳感器。（2）紅外濕敏傳感器：水蒸汽能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線，利用這種現(xiàn)象可構(gòu)成紅

12、外濕敏傳感器。非水分子親和型濕敏特性10金屬或半導(dǎo)體薄片放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)垂直于薄片，當(dāng)薄片通以電流時(shí)，在薄片的兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差就稱為霍爾電壓，這樣的效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)?；魻栯妷嚎梢杂眠\(yùn)動(dòng)載流子在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)來(lái)加以解釋?；魻栃?yīng)11一個(gè)長(zhǎng)方形半導(dǎo)體材料（常用InSb銻化銦) 沿長(zhǎng)度方向有電流通過(guò)時(shí)，若在垂直于電流片的寬度方向上施加一個(gè)磁場(chǎng)，半導(dǎo)體片長(zhǎng)度方向上就會(huì)發(fā)生電阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就稱為磁阻效應(yīng)。磁敏電阻便是利用半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)制造的。磁阻效應(yīng)12磁敏二極管：當(dāng)磁敏二極管外加正偏壓流過(guò)電流時(shí)，隨著所受磁場(chǎng)的變化，流過(guò)二極管的電流也發(fā)生變化，其本質(zhì)與載流子在磁場(chǎng)中受

13、到洛侖茲力有關(guān)。磁敏三級(jí)管：磁敏三級(jí)管的基極電流和電流放大系數(shù)均具有磁靈敏度。磁敏管17第二講 智能儀器的輸入13判斷顏色的傳感器，任何物體的顏色都可以分成紅、綠和藍(lán)三種基色，光譜型色敏傳感器采用衍射光柵和棱鏡等分光器，對(duì)光進(jìn)行分光，測(cè)定每種基色波長(zhǎng)的強(qiáng)度來(lái)判斷顏色。光譜型色敏14半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氧化物半導(dǎo)體材料為氣體敏感元件所制成的一種傳感器裝置，由于半導(dǎo)體材料的特殊性質(zhì)，氣體在半導(dǎo)體材料顆粒表面的吸附可以導(dǎo)致材料載流子濃度相應(yīng)發(fā)生變化，從而改變半導(dǎo)體元件的電導(dǎo)率。半導(dǎo)體氣敏結(jié)構(gòu)型：利用某些物理規(guī)律，但是必須依靠緊密設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)來(lái)保證電容式傳感器壓力、加速度、位移、重量、形變和液位等電感

14、式傳感器位移、差壓變壓器式傳感器位移光柵傳感器精密的直線位移和角位移18第二講 智能儀器的輸入（2）化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器是利用電化學(xué)反應(yīng)，把有機(jī)和無(wú)機(jī)化學(xué)物質(zhì)的成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。最常用的是離子選擇性電極，利用這種電極來(lái)測(cè)量溶液中的pH值或某些離子的活度，如K、Na、Ca等。電極的測(cè)量對(duì)象雖然不同，但其測(cè)量原理卻大同小異，主要是利用電極界面（固相）和被測(cè)溶液（液相）間的電化學(xué)反應(yīng)，也就是利用電極對(duì)溶液中離子的選擇性響應(yīng)而產(chǎn)生電位差。電位差是和被測(cè)離子活度的對(duì)數(shù)成線型關(guān)系的，所以測(cè)出其反應(yīng)過(guò)程中的電位差或其影響的電流值，即被測(cè)離子的活度。化學(xué)傳感器的核心部分是離子選擇性敏

15、感膜，可分為固體膜和液體膜?；疃龋弘娊赓|(zhì)溶液中參與電化學(xué)反應(yīng)的離子的有效濃度，與溶液的濃度存在定量關(guān)系。不同種類離子選擇電極的問(wèn)世，為選擇性測(cè)定離子活度提供了方便。根據(jù)能斯特方程，離子活度與電極電位成正比，因此可對(duì)溶液建立起電極電位與活度的關(guān)系曲線，此時(shí)測(cè)定了電位，即可確定離子活度。 電化學(xué)反應(yīng)：電池（鉛蓄電池、固體電池、燃料電池等）、電解（向電解質(zhì)或熔融電解質(zhì)通電在電極引起的氧化還原反應(yīng)）、電鍍技術(shù)、電泳技術(shù)（溶液中帶電粒子（離子）在電場(chǎng)中移動(dòng)的現(xiàn)象，利用帶電粒子在電場(chǎng)中移動(dòng)速度不同而達(dá)到分離的技術(shù)稱為電泳技術(shù)）。19生物傳感器是利用生物活性物質(zhì)選擇性的識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。生物活

16、性物質(zhì)對(duì)某種物質(zhì)具有選擇性親和力，也稱其為功能識(shí)別能力，利用這種單一的識(shí)別能力來(lái)判斷某種物質(zhì)是否存在，其濃度是多少，進(jìn)而利用電化學(xué)方法進(jìn)行電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。第二講 智能儀器的輸入（3）生物傳感器生物傳感器生物傳感器主要由兩大部分組成，其一為功能識(shí)別物質(zhì)，其作用是對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行特定識(shí)別。這些功能識(shí)別物有酶、抗原、抗體、微生物及細(xì)胞等。用特殊方法把這些識(shí)別物固化在特制的有機(jī)膜上，從而形成具有對(duì)特定的從低分子到高分子化合物進(jìn)行識(shí)別功能的功能膜；其二是電、光信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，此裝置的作用是把在功能膜上進(jìn)行的識(shí)別被測(cè)物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘?hào)或光信號(hào)，其中最常用的是電極，如氧電極和過(guò)氧化氫電極。如

17、果采用光學(xué)方法來(lái)識(shí)別在功能膜上的識(shí)別反應(yīng)，則要靠光強(qiáng)的變化來(lái)測(cè)量被測(cè)物質(zhì)，如熒光生物傳感器。20 第二講 智能儀器的輸入2.2 傳感器的構(gòu)成方法（1）基本型 基本型是一種只用敏感元件構(gòu)成的傳感器。包括：能量變換基本型、輔助能源變換基本型和能源控制基本型3種。 所謂傳感器的構(gòu)成方法，就是用敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路之間的不同組合方法，去達(dá)到檢測(cè)各種參數(shù)的目的。根據(jù)傳感器的各種組成，其構(gòu)成方法框圖如圖2.1所示，可將傳感器分成如下幾類：圖2.1 能量變換基本型 (a) 能量變換基本型21第二講 智能儀器的輸入2.2 傳感器的構(gòu)成方法（2）特點(diǎn)1 傳感器從被測(cè)對(duì)象本身獲得能量，不需外加電源，敏感元

18、件就是能量變換元件， 故也稱為無(wú)源傳感器；特點(diǎn)2 它是利用熱電平或傳輸現(xiàn)象中的一次效應(yīng)構(gòu)成的。由于一次效應(yīng)存在逆效應(yīng)，因此輸出對(duì)輸入（被測(cè)對(duì)象）有負(fù)荷效應(yīng)；特點(diǎn)3 輸出端所輸出的能量不可能大于被測(cè)對(duì)象的能量。 基于光生伏特效應(yīng)的光電池；基于熱電效應(yīng)的熱電偶；基于壓電效應(yīng)的壓電式力傳感器典型例子22第二講 智能儀器的輸入 2.2 傳感器的構(gòu)成方法（3） 硅光電池例 當(dāng)入射光照射P型區(qū)時(shí)，若光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則每個(gè)光子會(huì)激發(fā)出一個(gè)電子空穴對(duì)，越接近P型區(qū)表面，電子空穴對(duì)濃度越高，則在P型區(qū)由表及里產(chǎn)生電子空穴濃度差。入射光所產(chǎn)生的空穴濃度比原有熱生空穴要低得多，而入射光所產(chǎn)生的

19、電子則向內(nèi)部擴(kuò)散。若在其復(fù)合之前到達(dá)P-N結(jié)過(guò)濃區(qū)，則在結(jié)電場(chǎng)的作用下正好將電子推向N型區(qū)。這樣光照所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)就被結(jié)電場(chǎng)分離開(kāi)來(lái)，從而使P型區(qū)帶陽(yáng)電，N型區(qū)帶陰電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。圖2 光伏特電池的構(gòu)造示意圖23 第二講 智能儀器的輸入2.2 傳感器的構(gòu)成方法（4） (b) 輔助能源基本型圖3 輔助能源基本型特點(diǎn) 為了增強(qiáng)傳感器的抗干擾能力，提高穩(wěn)定性，以及取得電信號(hào)而采用了電源，或因工作原理需要而使用固定磁場(chǎng)，但輸出的能量仍是從被測(cè)對(duì)象上獲得的。 光電管；光敏二極管；磁電感應(yīng)式傳感器和霍爾傳感器等。典型例子24 第二講 智能儀器的輸入2.2 傳感器的構(gòu)成方法（5） 霍爾傳感器例 霍爾

20、傳感器的工作原理 金屬或半島體薄片放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)垂直于薄片，當(dāng)薄片通以電流Ic時(shí)，在薄片的兩側(cè)面出現(xiàn)電勢(shì)差，稱其為霍爾電壓（勢(shì)），這樣的效應(yīng)就稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾元件或霍爾傳感器。RH霍爾系數(shù)，由薄片材料決定的常數(shù)；B磁感應(yīng)強(qiáng)度，d元件厚度；Ic通過(guò)薄片的電流，稱為激勵(lì)電流。圖 4 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾電壓用下式表示：25 第二講 智能儀器的輸入圖5 霍爾元件基本結(jié)構(gòu)示意圖 在用某種半導(dǎo)體制成的基片側(cè)面上各裝一對(duì)電極A,B,C和D，A和B電極接激勵(lì)電壓，以便在霍爾半導(dǎo)體元件中產(chǎn)生激勵(lì)電流，此電極稱為激勵(lì)電極；C和D用于測(cè)量霍爾電壓，稱為霍爾電極。2.2 傳感器的構(gòu)成方法

21、（6）如果令，且考慮到當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和元件平面法線方面成一角度時(shí)，作用在元件上的有效磁場(chǎng)是法線的分量，即Bcos則（b-1）式可寫(xiě)為：(2-1) 從（2-1）可知，當(dāng)KH已知，IC恒定時(shí)，B的測(cè)量轉(zhuǎn)換為U的測(cè)量；當(dāng)磁場(chǎng)方向和大小固定時(shí)又能將電流I的測(cè)量轉(zhuǎn)換為U的測(cè)量。 霍爾傳感器的基本結(jié)構(gòu)26第二講 智能儀器的輸入2.2 傳感器的構(gòu)成方法（7） (c) 能源控制基本型圖6 能源控制基本型特點(diǎn) 也只由敏感元件構(gòu)成，但需用外加電源才能將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)化成電壓等電量輸出。從而其輸出能量可大于被測(cè)對(duì)象所輸入的能量。變壓器式位移傳感器； 感應(yīng)同步器；聲表面波傳感器； 電化學(xué)電解電池傳感器等典型例子27第二

22、講 智能儀器的輸入2.2 傳感器的構(gòu)成方法（8） 變壓器式傳感器例圖7 變壓器式傳感器工作原理圖在次級(jí)線圈中產(chǎn)生的互感電勢(shì)E 表達(dá)式：(2-2)設(shè)，則，故(2-3)因?yàn)?，其中為激?lì)電壓，r1為一次側(cè)線圈的有效電阻，L1為初級(jí)電感，則二次側(cè)線圈開(kāi)路輸出電壓為：(2-4)有效值為：(2-5)可見(jiàn)，輸出電壓信號(hào)將隨互感變化而變化。282.2 傳感器的構(gòu)成方法（9）電路參數(shù)型 電路參數(shù)型是由敏感元件，以及包含敏感元件在內(nèi)的轉(zhuǎn)換電路和電源組成的傳感器。利用熱平衡或傳輸現(xiàn)象中的二次效應(yīng)的傳感器均屬此類。圖8 電路參數(shù)型特點(diǎn)1. 敏感元件對(duì)輸入非電信號(hào)進(jìn)行阻抗變換； 電感位移式；電渦流位移式；電阻應(yīng)變式；電

23、容位移式以及氣（濕、 光、熱）敏電阻等傳感器；典型例子2. 電源向包含有敏感元件的轉(zhuǎn)換電路提供能 量，屬于能量控制型。第二講 智能儀器的輸入292.2 傳感器的構(gòu)成方法（10） 電感位移式傳感器例 電感式傳感器是用自感（又稱電感）的原理，首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為自感L的變化，自感L接入一定的轉(zhuǎn)換電路，便可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。(a) 氣隙型(b)截面型圖9 電感式傳感器原理圖第二講 智能儀器的輸入302.2 傳感器的構(gòu)成方法（11） 圖d所示是電感式傳感器的原理圖。盡管在鐵芯和銜鐵之間有一空氣隙，但值不大，所以磁路（圖中點(diǎn)劃線）是封閉的。則線圈自感為：(2-6)式中，N線圈匝數(shù)；R磁路總磁阻。

24、對(duì)圖d-1，因氣隙厚度較小，可以認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則總磁阻為：(2-7) 將RM代入式（2-5）可得：(2-8) 當(dāng)鐵芯的結(jié)構(gòu)和材料確定之后，式（2-7）分母的第一項(xiàng)為常數(shù)，此時(shí)自感L是氣隙厚度和氣隙截面積S的函數(shù)，即L=f（，S）。若S 保持不變，可構(gòu)成變氣隙型傳感器；若S隨位移而變，則可構(gòu)成變截面積型傳感器。第二講 智能儀器的輸入312.2 傳感器的構(gòu)成方法（12）多級(jí)變換型 就是利用敏感元件把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成某種可利用的中間變換物理量，再通過(guò)轉(zhuǎn)換元件，有時(shí)還用到轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量輸出。特點(diǎn)被測(cè)量： 力、壓力、熱、加速度、扭矩、溫度、流速、濕度等中間變換量：

25、 位移轉(zhuǎn)換元件： 應(yīng)變片、電感、電容、霍爾等 圖10 多級(jí)變換型第二講 智能儀器的輸入32典型例子2.2 傳感器的構(gòu)成方法（13）能量變換型：壓電式加速度傳感器； 能量控制型：應(yīng)變式力傳感器等。 應(yīng)變管（筒）式壓力傳感器例(a) 筒式薄壁(b) 帶溫度均衡器的筒式圖11 筒式壓力傳感器彈性元件第二講 智能儀器的輸入332.2 傳感器的構(gòu)成方法（14） 應(yīng)變管式壓力傳感器的彈性元件如（e）圖所示。其一端帶有法蘭與被測(cè)系統(tǒng)連接。當(dāng)沒(méi)有壓力作用時(shí)，貼在筒壁上的4個(gè)應(yīng)變片組成的全橋是平衡的；當(dāng)壓力作用在其內(nèi)腔時(shí)，應(yīng)變圓變成“腰鼓形”，使電橋失去平衡。 當(dāng)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí)，圓筒部分外表面周向應(yīng)

26、變?yōu)椋?2-9)式中，p被測(cè)壓力；泊松比；E彈性模量；n筒的外徑與內(nèi)徑之比（D/d)。對(duì)于薄筒壁可用下式計(jì)算：(2-10)式中，d筒的內(nèi)徑；b外徑與內(nèi)徑之差。 根據(jù)薄壁筒應(yīng)力的計(jì)算公式有：(2-11)式中，應(yīng)力；p被測(cè)壓力；d圓筒內(nèi)徑（cm）;h壁厚（cm）。 當(dāng)壓力p和根據(jù)使用條件確定了應(yīng)變管內(nèi)孔直徑后，管后壁h就可求出。第二講 智能儀器的輸入342.2 傳感器的構(gòu)成方法（15）參比補(bǔ)償型 就是采用兩個(gè)性能完全相同的敏感元件，一個(gè)感受被測(cè)量和環(huán)境條件量，另一個(gè)只感受環(huán)境條件量而作為補(bǔ)償用，以達(dá)到消除或減少環(huán)境干擾的影響的組合形式。圖12 參比補(bǔ)償型特點(diǎn) 當(dāng)被測(cè)壓力變化與環(huán)境溫度變化接近時(shí)壓電

27、式壓力傳感器；例1 能夠?qū)囟?、電源電壓等變化的影響起到補(bǔ)償或消除作用，有利于提高測(cè)量精度。 用電阻應(yīng)變式傳感器構(gòu)成參比補(bǔ)償型時(shí)，只需將兩個(gè)（或以上）敏感元件（一為工作片，一為補(bǔ)償片）同時(shí)接入電橋電路的相鄰兩壁即可。例2第二講 智能儀器的輸入352.2 傳感器的構(gòu)成方法（16） 關(guān)于光纖磁傳感器的磁致伸縮效應(yīng)試驗(yàn)例 光纖是介質(zhì)，它不像金屬傳輸線那樣干擾電磁場(chǎng)分布。另外，光纖線徑極細(xì)，并有彈性，故它是測(cè)定電磁場(chǎng)的理想材料。光纖磁傳感器有兩種類型：一是利用磁光效應(yīng)直接進(jìn)行磁-光轉(zhuǎn)換，二是借助力等物理量間接進(jìn)行磁-光轉(zhuǎn)換。實(shí)際上，前者是，利用法拉第效應(yīng)，后者是利用磁致伸縮效應(yīng)。 當(dāng)給磁體加磁場(chǎng)時(shí)，磁

28、體產(chǎn)生伸縮，這種現(xiàn)象稱磁致伸縮效應(yīng)。如圖13所示，若在光纖上涂覆磁性膜，則外加磁場(chǎng)時(shí)光纖沿軸向伸縮，故光纖中傳輸?shù)墓獍l(fā)生相位變化，從而使光和參考光干涉，光檢測(cè)器的輸出與磁場(chǎng)成正比。圖13 用磁致伸縮效應(yīng)的光纖磁傳感器結(jié)構(gòu)原理圖第二講 智能儀器的輸入362.2 傳感器的構(gòu)成方法（17）差動(dòng)結(jié)構(gòu)型 就是利用兩個(gè)完全相同的敏感元件同時(shí)感受相同的環(huán)境量和相反的被測(cè)量，以提高傳感器的靈敏的和線性度，并減小或消除環(huán)境等因素的影響。圖14 差動(dòng)結(jié)構(gòu)型第二講 智能儀器的輸入372.2 傳感器的構(gòu)成方法（18）典型例子能量控制型：差動(dòng)電阻應(yīng)變式、差動(dòng)電容式、差動(dòng)電感式； 能量變換型：當(dāng)用壓電元件測(cè)量壓力時(shí)，如果

29、其加速度效應(yīng)的影響 不可忽略，則需采用兩個(gè)壓電元件反極性安裝構(gòu)成差動(dòng)型。 差動(dòng)式電容壓力傳感器例圖15 結(jié)構(gòu)示意圖 如圖g-1，g-2所示，差動(dòng)式電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，相應(yīng)速度快（約100ms），能測(cè)小差壓（00.75Pa）。它由兩個(gè)玻璃圓盤(pán)和一個(gè)金屬（不銹鋼）膜片組成。兩玻璃圓盤(pán)上的凹面深約25m，其上個(gè)鍍金作為傳感器的兩個(gè)固定電極，而夾在兩凹面盤(pán)中的膜片則為傳感器的可動(dòng)電極。第二講 智能儀器的輸入382.2 傳感器的構(gòu)成方法（19） 當(dāng)兩邊壓力p1和p2相等時(shí)，膜片處在中間位置與左、右固定電極間距相等，即Cab=Cdb。經(jīng)轉(zhuǎn)換電路（圖g-b），輸出U0=0。當(dāng)p1p2（或p2

30、p1）時(shí)，膜片彎向p2（或p1）,CabCdb),U0輸出與|p1-p2|成比例的信號(hào)。這種差壓式傳感器不僅用來(lái)測(cè)量p1與p2的壓差，也可以用來(lái)測(cè)量真空或微小絕對(duì)壓力，此時(shí)只要把膜片的一側(cè)密封并被抽到高真空（10-5Pa）即可。圖16 轉(zhuǎn)換電路第二講 智能儀器的輸入392.2 傳感器的構(gòu)成方法（20）反饋型 這是一種閉環(huán)系統(tǒng)，即傳感器的敏感元件（或轉(zhuǎn)換元件）同時(shí)兼作反饋元件，使傳感器輸入處于平衡狀態(tài)，因此亦稱為平衡式傳感器。圖17 反饋型特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用于特殊場(chǎng)合，如高精度微差壓的測(cè)量，以及高速流的測(cè)量等。典型例子力反饋型（包括位移反饋型）：如差動(dòng)電容力平衡加速度傳感器； 霍爾電流傳感器。

31、第二講 智能儀器的輸入40第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（1） 傳感器的工作特性就是傳感器體現(xiàn)被測(cè)變量的精確程度、使用的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命，以及工作條件的適應(yīng)性等方面的性質(zhì)和指標(biāo)。靜態(tài)特性 通常，靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)變量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入輸出特性。衡量傳感器的輸入輸出特性的重要指標(biāo)是：線性度（特定函數(shù)的應(yīng)為一致性）、滯后、重復(fù)性、靈敏度和穩(wěn)定性。1.線性度 校準(zhǔn)曲線與規(guī)定直線的吻合程度稱為線性度。影響傳感器線性度的因素有敏感元件和變換元件的機(jī)械特性及電氣特性。 若傳感器沒(méi)有滯后和蠕變（隨時(shí)間變化特性）效應(yīng)，則其輸入量為x、輸出量為y的靜態(tài)特性就可表示為：41第二講

32、智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（2） 式中， 0 零位輸出；1傳感器的靈敏度(常數(shù)K表示)； 2， 3， n非線性項(xiàng)的系數(shù)。 這種多項(xiàng)式代數(shù)方程可能有下列3種情況，如圖所示。(a) (c) (b) 圖18 傳感器的特性曲線（2-12），42第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（3） 理想線性如圖18a所示。這種情況下， 0 = 2 = 3= = n =0因而得到 y= 1 x因?yàn)橹本€上任何點(diǎn)的斜率都相等，所以傳感器的靈敏度為： 在原點(diǎn)附近相當(dāng)范圍內(nèi)輸入-輸出特性基本呈線性，如圖18b所示。此時(shí)只存在奇次項(xiàng)，即 對(duì)應(yīng)的對(duì)稱曲線為 y（x）=-y（x）。 普通情況。表達(dá)式就是式（

33、2-12），對(duì)應(yīng)的特性曲線如圖18c所示。43第二講 智能儀器的輸入2.一致性 就是校準(zhǔn)曲線與規(guī)定曲線（直線、對(duì)數(shù)曲線、拋物線等）的吻合程度。 通常使用的傳感器大都為線性傳感器，但在有的系統(tǒng)中，為了特殊的需要，也采用正弦、余弦、對(duì)數(shù)、指數(shù)等函數(shù)傳感器。這類特性的傳感器常以測(cè)量得到的校準(zhǔn)曲線相對(duì)于某一給定曲線的一致性來(lái)衡量，并用校準(zhǔn)曲線與給定曲線之間的最大偏差來(lái)表示一致性誤差。3.滯環(huán) 又稱滯后，式傳感器在正反行程期間輸入-輸出曲線不重合的程度，或?qū)?yīng)與同一大小的輸入量的差值。 它反映了傳感器元件的摩擦、間隙和吸收釋放能量的不一致性等缺陷。滯環(huán)的大小一般由試驗(yàn)確定，其值以測(cè)量上限值輸出的百分?jǐn)?shù)表

34、示2.3 傳感器的工作特性（5）44第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（6）(2-13) 式中，H滯環(huán)的相對(duì)誤差；max同一次測(cè)量中，反行程校準(zhǔn)曲線與正行程校準(zhǔn)曲線偏差的最大值（在多次測(cè)量時(shí)也可用反行程平均校準(zhǔn)曲線與正行程平均校準(zhǔn)曲線的最大值）。 滯環(huán)特性如圖19所示。圖19 滯環(huán)特性45第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（7）4.重復(fù)性 在同一工作條件下，對(duì)同一輸入值按同一方向連續(xù)多次測(cè)量，得到的輸出值的相互一致程度。5.靈敏度 儀表或裝置在到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，輸出增量與輸入增量之比即為靈敏度。 線性傳感器靜態(tài)靈敏度K的計(jì)算公式為：函數(shù)傳感器靜態(tài)靈敏度K可用dy/dx來(lái)表示，

35、但它是工作點(diǎn)的函數(shù)。46第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（8）動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出量的曲線與輸入量的曲線一致或相近。動(dòng)態(tài)特性的好壞往往以輸出滯后、幅值變化和波形失真來(lái)表征。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是包括傳感器的測(cè)量系統(tǒng)中存在著慣性和阻尼。 一般用傳感器對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)衡量傳感器的動(dòng)態(tài)特性。標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)分為正弦信號(hào)、階躍信號(hào)和單位脈沖信號(hào)，如圖20所示。圖20 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)（a） 正弦信號(hào)（b） 階躍信號(hào)（c） 脈沖信號(hào)47第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（9）傳感器系統(tǒng)總是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)

36、特性可以通過(guò)將被測(cè)量按照標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)形式輸入系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量其動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)獲得對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的認(rèn)識(shí)。傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)決定了能夠檢測(cè)的被測(cè)量的最高頻率限制。傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試及其數(shù)學(xué)模型描述不同頻率的正弦穩(wěn)態(tài)輸入幅頻特性，相頻特性階躍信號(hào)輸入時(shí)域響應(yīng)，上升時(shí)間，調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量沖擊信號(hào)輸入沖擊響應(yīng)，反映了系統(tǒng)的固有特性時(shí)域數(shù)學(xué)模型微分方程，反映了變化的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器后產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)的變化，沖擊響應(yīng)則反映了系統(tǒng)的固有特性頻域數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)，反映了輸入信號(hào)的不同頻率分量經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后的幅值變化及相移48第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（10）線型系統(tǒng)與非線型系統(tǒng)線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)特征（1

37、）疊加原理（2）比例特性（3）微分特性 （4）積分特性 （5）頻率保持特性 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性之間的關(guān)系微分方程系數(shù)為定常數(shù)（1）非線性系統(tǒng)的時(shí)變和非時(shí)變特征（2）靜態(tài)傳遞關(guān)系是微分方程中輸入x(t)和輸出y(t)不隨時(shí)間變化的穩(wěn)態(tài)關(guān)系（3）時(shí)不變的非線性系統(tǒng)可以進(jìn)行局部線性化，建立穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的線性方程（4）時(shí)變的非線性系統(tǒng)，其微分方程系數(shù)是時(shí)變的（5）靜態(tài)特性為線性的傳感器，其對(duì)時(shí)變輸入信號(hào)的響應(yīng)并不能通過(guò)線性映射得到（6）信號(hào)不失真的條件：理想的線性相位系統(tǒng)（增益全頻率相同，相位線性變化）（7）任何實(shí)際的物理系統(tǒng)均不能完全實(shí)現(xiàn)信號(hào)的不失真，有限頻寬是對(duì)輸入信號(hào)的要求49第二講 智

38、能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（11）線性傳感器系統(tǒng)的響應(yīng)求解頻率上，測(cè)試系統(tǒng)的輸入、輸出與傳遞函數(shù)之間的關(guān)系：時(shí)域上，測(cè)試系統(tǒng)的輸入、輸出與沖擊響應(yīng)的關(guān)系： （1）求解傳感器系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)取決于準(zhǔn)確的線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性建模（2）通過(guò)輸出響應(yīng)和傳感器的靜態(tài)線性特性來(lái)描述輸入信號(hào)存在系統(tǒng)誤差（3）傳感器的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的有效分量的頻帶寬度是傳感器標(biāo)定的前提研究階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)是獲得傳感器動(dòng)態(tài)特性的現(xiàn)實(shí)方法（1）單位階躍信號(hào)的時(shí)域定義（2）頻域表示50第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（12）傳感器的一階系統(tǒng)近似（1）一階系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)（2）一階系統(tǒng)的頻域模型傳感器的二階系統(tǒng)近似（1）二階系統(tǒng)的頻域模型及其對(duì)單位階躍信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)阻尼系數(shù)無(wú)阻尼振蕩圓頻率（自然頻率）特征根51第二講 智能儀器的輸入2.3 傳感器的工作特性（13）欠阻尼系統(tǒng)，穩(wěn)定的傳感器系統(tǒng)，極點(diǎn)為：臨界阻尼系統(tǒng)，穩(wěn)定的傳感器系統(tǒng)，極點(diǎn)為：零阻尼系統(tǒng)，非穩(wěn)