ch1 傳感器的一般特性課件

1、第1章 傳感器的一般特性1.1 傳感器的組成和分類1.2 傳感器的地位和作用1.3 傳感器的發(fā)展方向1.4 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.1 傳感器的組成和分類一、傳感器的定義和組成:定義：與人的感覺器官相對應(yīng)的元件，指能夠能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；輸入量是某一被測量，可能是物理量、化學(xué)量、生物量等；輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。 敏感元件：指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量（輸入量）的部分，并以確定關(guān)系輸出某一物理量。如

2、彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。 為了獲取被測變量的精確數(shù)值，不僅要求敏感元件對所測變量的響應(yīng)足夠靈敏，還希望它不受或少受環(huán)境因素的影響。 1.1 傳感器的組成和分類傳感器的結(jié)構(gòu)組成:輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路 被測量電量2. 轉(zhuǎn)換元件：指傳感器中能將敏感元件感受的或響應(yīng)的被探測量(如位移、應(yīng)變、光強(qiáng)等) 轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的電信號（如電阻、電感等）的部分。 為了加強(qiáng)通用性和靈活性，某些傳感器的輸出可以靠轉(zhuǎn)換器將輸出的非標(biāo)準(zhǔn)信號變成標(biāo)準(zhǔn)信號，使之與帶有標(biāo)準(zhǔn)信號輸入電路或接口的儀表配套，從而實現(xiàn)檢測或調(diào)節(jié)功能。1.1 傳感器的組成和分類輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路 被測

3、量電量1.1 傳感器的組成和分類3. 基本轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。 通常，傳感器輸出信號般都很微弱，需要有信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路將其放大或變換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換可以安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路以及所需電源都應(yīng)作為傳感器的組成部分。輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路 被測量電量基于物理效應(yīng)如光、 電、 聲、 磁、 熱等效應(yīng)進(jìn)行工作的物理傳感器; 基于化學(xué)反應(yīng)如化學(xué)吸附、選擇性化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行工作的化學(xué)傳感器; 基于酶、抗體、激素等

4、分子識別功能的生物傳感器。 根據(jù)傳感器感知外界信息所依據(jù)的基本效應(yīng):1.1 傳感器的組成和分類應(yīng)變式電容式電感式電磁式 壓電式熱電式 根據(jù)傳感器工作原理分類:1.1 傳感器的組成和分類力學(xué)量傳感器熱量傳感器磁傳感器光傳感器放射線傳感器氣體成分傳感器液體成分傳感器離子傳感器 按照被測量分類:1.1 傳感器的組成和分類無源傳感器：被動地接收來自被測物體的信息；有源傳感器：有意識地向被測物體施加某種能量，并將來自被測物體的信息變換為便于檢測的能量后再進(jìn)行檢測。按能量供給形式分類:1.1 傳感器的組成和分類分類法型式說 明按基本效應(yīng)分類物理型化學(xué)型生物型采用物理效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采用化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換采用生物

5、效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型能量控制型傳感器輸出量直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而來傳感器輸出量能量由外部能源提供，但受輸入量控制按工作原理分電阻式電容式電感式壓電式磁電式熱電式光電式光纖式利用電阻參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電容參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電感參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用熱電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用光電效應(yīng)實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換利用光纖特性參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換按輸入量分類長度、角度、振動、位移、壓力、溫度、流量、距離、速度等以被測量命名（即按用途分類）按輸出量分類模擬式數(shù)字式輸出量為模擬信號（電壓、電流、）輸出量為數(shù)字信號（脈沖、編碼、）傳感器分類一覽

6、表:信息技術(shù)計算機(jī)技術(shù)通信技術(shù)傳感器技術(shù)人的感覺器官的外延人的神經(jīng)系統(tǒng)的外延人類在研究自然界現(xiàn)象和規(guī)律及生產(chǎn)活動中，人的五官運動不夠，這就需要傳感器來檢測人們的器官所不能感知的現(xiàn)象。人們把與人的“五官”相似的部分稱為“電五官”。微型計算機(jī)相當(dāng)于人的大腦。它們之間的對應(yīng)關(guān)系為： 人的五官：視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺眼睛 耳朵 鼻子 舌頭 皮膚傳感器的作用 從生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展角度看，人類社會正逐漸由工業(yè)化時代向信息化時代迫近，傳感器作為一種功能元件，已經(jīng)成為與計算機(jī)同等重要的技術(shù)工具，獲得了高度重視和迅速發(fā)展。傳感技術(shù)已與通訊技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)并列成為支撐整個現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。 在基礎(chǔ)科學(xué)和尖

7、端科學(xué)技術(shù)的研究中，要檢測極端巨微的信息，如超高低溫，超高低壓，超真空，超強(qiáng)弱磁場，必須借助配有相應(yīng)傳感器的高精度檢測系統(tǒng)才能奏效。 在工業(yè)和國防領(lǐng)域，可以說高度自動化的工廠設(shè)備，裝置或系統(tǒng)，是傳感器的大復(fù)合地，用以控制各種各樣的工況參數(shù)，達(dá)到監(jiān)控的目的 。 在生物工程，醫(yī)療衛(wèi)生，環(huán)境保護(hù)，安全防范，家用電器等方面的傳感器已層出不窮，所以說傳感器幾乎已滲入到新技術(shù)革命的所有領(lǐng)域，涉及國民經(jīng)濟(jì)各部門。 家用電器液化氣煙霧報警器智能洗衣機(jī)遙控器傳感器在軍事上的作用傳感器在機(jī)器人中的作用傳感器在家電中的作用1.3 傳感器的發(fā)展方向傳感器的發(fā)展有近兩百年的歷史，近二十年來發(fā)展十分迅速，目前，世界上傳感

8、器種類約2萬種。專業(yè)從事傳感器生產(chǎn)的廠家有5000多家，其中美國、俄羅斯、歐洲各1000多家，日本800多家。傳感器技術(shù)在世界發(fā)達(dá)國家中是深受重視的，如美國、日本等國家都十分重視發(fā)展傳感器技術(shù)，美國國家長期安全和經(jīng)濟(jì)繁榮至關(guān)重要的22項技術(shù)中有6項與傳感器技術(shù)直接相關(guān),美國武器系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)勢至關(guān)重要關(guān)鍵技術(shù)中有8 項為傳感器技術(shù).我國傳感器行業(yè)始于五十年代，但直到1986年“七五”開始才正式將傳感器技術(shù)列入國家重點攻關(guān)項目，投入了以機(jī)械、力敏、氣敏、濕敏、生物敏為主的五大方向研究。趨勢：傳統(tǒng)傳感器因功能、特性、體積、成本等已難以滿足而逐漸被淘汰。如今傳感器新技術(shù)的發(fā)展，主要有以下幾個方面：開展基

9、礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；實現(xiàn)傳感器的集成化與智能化 開發(fā)新型傳感器 開發(fā)新材料 新工藝的采用 集成化、多功能化 智能化 開發(fā)新型傳感器 傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強(qiáng)研究，從而使它成為一個值得注意的發(fā)展動向。 新型傳感器包括：采用新原理；填補(bǔ)傳感器空白；仿生傳感器等方面。它們之間是互相聯(lián)系的。B.開發(fā)新材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，人們在制

10、造時，可任意控制它們的成分，從而設(shè)計制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。（1）半導(dǎo)體敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點。有機(jī)材料作為傳感器材料的研究，引起國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。D.集成化、多功能化同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，如CCD圖像傳感器。多功能一體化，即將傳感器與放大、運算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件

11、。把多個功能不同的傳感元件集成在一起，除可同時進(jìn)行多種參數(shù)的測量外，還可對這些參數(shù)的測量結(jié)果進(jìn)行綜合處理和評價，可反映出被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)。 為同時測量幾種不同被測參數(shù)，可將幾種不同的傳感器元件復(fù)合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經(jīng)研制成功。E智能化對外界信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、自診斷和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機(jī)互相對話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度傳輸?shù)?。智能傳感器是傳感器技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的實現(xiàn)取決于傳感技術(shù)與半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。這

12、類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產(chǎn)和使用方便等優(yōu)點，是傳感器重要的發(fā)展方向之一。1.4.1 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是在穩(wěn)態(tài)信號作用下的輸入輸出特性。即輸入量是靜態(tài)量，輸出量是輸入量的確定函數(shù)。表示方法：代數(shù)多項式、列表表示和曲線表示。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有靈敏度、線性度、遲滯和重復(fù)性等1. 靈敏度靈敏度是描述傳感器的輸出量（一般為電學(xué)量）對輸入量（一般為非電學(xué)量）敏感程度的特性參數(shù)。 其定義為: 傳感器輸出量的變化值與相應(yīng)的被測量（輸入量）的變化值之比, 用公式表示為靈敏度 純線性傳感器靈敏 度為常數(shù)； 非線性傳感器靈敏 度與x有關(guān)。 2. 線性度理想的傳感器輸出

13、與輸入呈線性關(guān)系。 但實際的傳感器即使在量程范圍內(nèi), 輸出與輸入的線性關(guān)系嚴(yán)格來說也是不成立的, 總存在一定的非線性。線性度是評價非線性程度的參數(shù)，定義為: 傳感器的輸出-輸入校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比, 也稱“非線性度”。 通常用相對誤差表示其大小: xy0端基直線實際特性曲線量程Ymax端基線性度端基線性度：傳感器實際平均輸出特性曲線對端基直線的最大偏差，以傳感器的滿量程輸出的百分比來表示。端基直線則定義為由傳感器量程所決定的實際平均輸出特性首、末兩端點的連線。xy0理論直線實際特性曲線量程Ymax理論線性度：有時又稱絕對線性度，為傳感器的實際平均輸出特性曲

14、線對一在其量程內(nèi)事先規(guī)定好的理論直線的最大偏差，以傳感器的滿量程輸出的百分比來表示：xy0零基直線實際特性曲線量程-Ymax+ Ymax零基線性度零基線性度：傳感器實際、平均輸出特性曲線對零基直線的最大偏差，以傳感器的滿量程輸出的百分比來表示。而零基直線則定義為這樣一條直線，它位于傳感器的量程內(nèi)，但可通過或延伸通過傳感器的理論零點，并可改變其斜率，以把最大偏差減至最小xy0最佳直線實際特性曲線量程-Ymax+ Ymax獨立線性度最小二乘線性度：以最小二乘法擬合的直線為基準(zhǔn)直線獨立線性度: 作兩條與端基直線平行的直線, 使之恰好包圍所有的標(biāo)定點, 以與二直線等距離的直線作為擬合直線。 3. 遲滯

15、 輸入逐漸增加到某一值, 與輸入逐漸減小到同一輸入值時的輸出值不相等, 叫遲滯現(xiàn)象。遲滯差表示這種不相等的程度。 其值以滿量程的輸出YFS的百分?jǐn)?shù)表示。 式中, max為輸出值在正反行程的最大差值。圖 1.3 遲滯曲線 4、重復(fù)性在相同的工作條件下，在一段短的時間間隔內(nèi)，輸入量從同一方向作滿量程變化時，同一輸入量值所對應(yīng)的連續(xù)先后多次測量所得的一組輸出量值，他們之間相互偏離的程度便稱為傳感器的重復(fù)性。xy05. 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。 實際上, 隨著時間的推移, 大多數(shù)傳感器的特性會改變，這是因為傳感元件或構(gòu)成傳感器的部件的特性隨時間發(fā)生變化, 產(chǎn)生一

16、種經(jīng)時變化的現(xiàn)象。xy0零漂靈敏度漂移1.4.2 傳感器的動態(tài)特性傳 感 器輸入 x輸入 y = f(x)被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。通常研究動態(tài)特性是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來考慮傳感器的響應(yīng)特性。標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種：經(jīng)常使用的是前兩種。正弦變化的輸入階躍變化的輸入線性輸入動態(tài)特性：傳感器在被測量隨時間變化的條件下輸入輸出關(guān)系例：動態(tài)測溫 1. 傳遞函數(shù) 假設(shè)傳感器在輸入輸出存在線性關(guān)系的范圍內(nèi)使用, 則它們之間的關(guān)系可用高階常系數(shù)線性微分方程表示: 式中，y為輸出量，x為輸入量，ai,bi為常數(shù)。對上式進(jìn)行拉普拉斯變換，可得并設(shè)t=0時，

17、(i=0,1,)全部為0， 得到優(yōu)點：表示了傳感器本身特性與輸入輸出無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)有關(guān)，可通過實驗求得。對 ( S ) = (S )( S ) 進(jìn)行反變換，即可得到Y(jié)( t ) 與 X( t ) 關(guān)系。（微分方程的拉氏變換求解法） 對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)，串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下圖所示。圖 串聯(lián)系統(tǒng)（a）和并聯(lián)系統(tǒng)（b）（a）（b）串聯(lián)系統(tǒng)：總傳遞函數(shù)為各子系統(tǒng)傳遞函數(shù)的積。并聯(lián)系統(tǒng)：總傳遞函數(shù)為各子系統(tǒng)傳遞函數(shù)的和。2. 瞬態(tài)響應(yīng)特性階躍響應(yīng)特性是指給原來處于靜態(tài)狀態(tài)傳感器輸入階躍信號，(對傳感器突然加載或突然卸載即屬于階躍輸入).

18、在不太長的一段時間內(nèi)，傳感器的輸出特性即為其階躍響應(yīng)特性。有最大超調(diào)量,時間常數(shù) , 上升時間 , 響應(yīng)時間等參數(shù).輸入：階躍信號輸出：階躍響應(yīng)時間常數(shù)：上升時間tr：響應(yīng)時間ts：超調(diào)量a1：衰減率：穩(wěn)態(tài)誤差ess：系統(tǒng)輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值yc的63.2%所需的時間傳感器輸出從穩(wěn)態(tài)值yc的10%上升到90%所需時間輸出值達(dá)到允許范圍%的所需時間 響應(yīng)曲線第一次超過穩(wěn)態(tài)值yc的峰高：ymax-yc相鄰兩個波峰（或波谷）高度下降的百分?jǐn)?shù)無限長時間后，傳感器穩(wěn)態(tài)值與目標(biāo)值偏差的相對誤差一階傳感器的單位階躍響應(yīng)對于一個階躍輸入：得一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號傳感器存在慣性，值是一階傳感器重要的性能參數(shù)

19、特點：一階傳感器實例：動態(tài)響應(yīng)特性主要取決于時間常數(shù)；小階躍響應(yīng)迅速截止頻率高運動方程：帶阻尼彈簧測力傳感器時間常數(shù)：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：k-彈簧剛度c-阻尼系數(shù)二階傳感器的單位階躍響應(yīng)當(dāng)1時：當(dāng)1時：當(dāng)=1時：無過沖，無震蕩，過阻尼曲線上升慢，響應(yīng)速度低產(chǎn)生衰減震蕩 欠阻尼曲線上升塊，響應(yīng)速度高一般?。?=0.60.8最大超調(diào)量不超過2.5 -10 ,允許動態(tài)誤差2 -5 ysn21nt=01.510.60.2二階傳感器對階躍信號的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比和固有頻率。固有頻率由傳感器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，越高，傳感器的響應(yīng)速度越快。固有頻率為常數(shù)時，傳感器的響應(yīng)主要取決于阻尼比。 3. 頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性稱為頻率響應(yīng)特性。a) 零階系統(tǒng)：特點：a) 屬于靜態(tài)環(huán)節(jié)：d) 實際零階環(huán)節(jié)：緩慢變化，頻率較低 - 近似零階環(huán)節(jié)c) 與時間無關(guān)，與頻率無關(guān)，無滯后，無慣性理想環(huán)節(jié)靜態(tài)靈敏度系數(shù)b) 輸出 輸入又稱：比例環(huán)節(jié)幅頻特性：相頻特性：實例：電位計式角位移傳感器微分方程：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：UEU0 一階傳感器的頻率特性00-10-20-90-45-20dB/10倍頻3. 頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性稱為頻率響應(yīng)特性。b) 一階系統(tǒng)：微分方程：時間常數(shù)靜態(tài)靈敏度幅頻特性：相頻特性：時間常數(shù) 越小，系統(tǒng)的頻率特性越好c)