第1章传感器的基本概念

感测技术讲义-1-绪论现代信息技术：（1）感测技术：获取信息的技术（感官）（2）通信技术：传递信息的技术（神经）（3）计算机技术：处理信息的技术（大脑）（4）控制技术：利用信息的技术（大脑的决策）计算机技术+传感器技术智能传感器计算机技术+通信技术计算机网络技术计算机网络技术+智能传感器网络化智能传感器一．现代测控技术1.检测系统它单纯以测试或检测为目的,主要实现数据的采集,所以又称为数据采集系统。2.控制系统它单纯以控制为目的，使控制对象实现预期的要求。3.测控系统它是以微机为核心，测控一体化的系统。二．数据采集系统概述通用的数据采集系统被测参数传感器模拟输入通道A/D微机D/A数据记录器模拟输入通道报警器模拟显示器图1数据采集系统的基本组成框图感测技术讲义-2-三．现代测控系统概述现代测控系统是以计算机信息技术为核心，集测量和控制为一体综合系统，目的是实现生产过程的自动化。1．基本型图2数据采集系统的功能结构框图..1..1传感器1传感器n信号调理1信号调理1数据采集卡(板)计算机输出、绘图显示、打印参量1参量2参量n信号调理1传感器2感测技术讲义-3-传感器：用于完成信号的获取，它将被测参量（非电量或电量）转换成相应的可用信号（电信号）。信号调理：作用：其一是放大，将信号放大到与数据采集卡中的A/D转换器相适配；其二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量。数据采集卡（板）：主要功能：一是由衰减器和增益可控放大器进行量程自动变换；二是由多路切换开关完成对多点多通道信号的分时采样；三是将信号的采样值转换为幅值离散的数字量。2．闭环控制型分配开关采样开关过程执行机构传感器被调（控）量计算机D/AA/D感测技术讲义-4-第1章传感器的基本概念一．传感器的定义及作用1．定义：传感器(SensororTransducer)是将各种非电量（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于传输和处理的电量的装置。“Sensor”------被称为“电五官”（视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉）2．作用：传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和自动控制系统。传感器广泛应用于军事（航空航天）、生物医学和医疗器械工程、家用电器、工业自动化等领域。3．传感器的组成传感器组成：敏感元件、转换元件、辅助部件（电源）测量电路（信号调理转换电路）：能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。二．传感器的分类1．按被测量分类分温度、湿度、压力、位移、速度、加速度等传感器。2．按测量原理分类传感器的测量原理主要基于电磁原理和固体物理学原理。根据变电阻原理：电位器式、应变式电阻传感器。根据变磁阻原理：电感式、差动变压器式、电涡流式传感器。根据半导体理论：半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。3．按结构型和物性型分类结构型传感器、物性型传感器。三．传感器的基本特性1．传感器的静态模型定义：是指在静态信号（输入信号不随时间变化或变化及其缓慢）情况下，传感器的输出量与输入量之间的函数关系。感测技术讲义-5-nnxaxaxaxaay332210如图（a）___0a零位输出；___1a灵敏度、常用K表示；2a、3a、…、na___非线性项的待定系数。（1）理想线性xay1如图（b）（2）具有X偶次阶项44221xaxaxay如图（c）（3）具有X奇次阶项55331xaxaxay如图（d）2.静态校准：借助实验方法确定传感器静态特性（校准特性）的过程。感测技术讲义-6-2.传感器的静态特性传感器的静态特性是指在静态信号作用下，所呈现出来的输入-输出特性。主要由下面几种性能指标描述：（1）线性度(非线性误差)Linearity%100maxFSLYYYFS—传感器的满量程输出注：线性度（或非线性误差）是以一定的拟合直线为基准计算的，所选取的拟合直线不同，则计算出的线性度（或非线性误差）不同。两种常用的拟合直线的方法（回归分析）：端基法、最小二乘法等。最小二乘法（拟合精度最高）令拟合直线方程为Kxay0假设实际校准点有n个，即(x1,Y1)，(x2,Y2)，……，(xn,Yn)任一校准数据Yi与拟合直线上对应的理想值yi之间的差为iiiiiKxaYyY0拟合原则：如何选择a0，K的值，使min12niiJ即：021012niiiiniixKxaYK01210120niiiniiKxaYa（实际特性曲线）感测技术讲义-7-由此可得：niniiiniiiniiniiniixxnYxxyxa1212111120niniiiniiniiniiixxnYxyxnK1212111（2）测量范围和量程测量上限：传感器所能测量的最大被测量（输入量）的数值。测量下限：传感器所能测量的最小被测量（输入量）的数值。测量范围：测量下限~测量上限。量程=测量上限—测量下限。例：有一力敏传感器测量范围为：-5N~+10N量程为：15N（3）灵敏度Sensitivity00limXXxdxdyxyK（4）分辨率Resolution输入分辨率：在传感器的全部测量范围内都能产生可观测的输出量变化的输入量的最小变化量ΔXmin，以满量程输入的百分比表示。%100minFSXXXRminX—在规定测量范围所能检测输入量的最小变化量。FSX—规定的测量范围阈值（最小检测量）：灵敏限、灵敏阈、失灵区、死区（x0,y0）△y△x0yx感测技术讲义-8-（5）精确度（精度）精密度：说明测量结果的分散性。正确度：说明测量结果偏离真值大小的程度。精确度：（6）迟滞%100FSHYm（7）零漂和温漂表示传感器性能稳定性的重要指标。零点漂移（零漂）：传感器无输入时，输出偏离零值的大小。%1000FSYY零漂0Y—最大零点偏差温漂：表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。%100maxTYYFS温漂maxY—输出最大偏差，T—温度变化范围3．传感器的动态模型定义：是指传感器在准动态信号或动态信号（输入信号随时间而变化的量）作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。通常采用微分方程和传递函数等来描述。4.传感器的动态特性定义：是反映传感器对随时间变化的输入量的响应特性。通常采用阶跃响应法（时域）、频率响应法（频域）来分析。四．传感器的发展趋向半导体技术已进入超大规模集成化阶段，各种制造工艺、材料性能的研究已达到相当高的水平。纳米科学（Nanoscience）：是一门集基础科学与应用科学于一体的新感测技术讲义-9-兴科学。主要包括纳米电子学、纳米材料、纳米生物学等学科。纳米科学具有很广阔的应用前景，它将促使现代科学技术从目前的微米(1um=10-6m)尺度（微型结构）上升到纳米（毫微米，1nm=10-9m）或原子尺度。已研制出碳分子电线、纳米开关、纳米马达（直径为10nm）等。从发展前景看，具有以下几个特点：（1）传感器的固态化（2）传感器的集成化和多功能化（3）传感器的图像化（4）传感器的智能化传感器的发展趋向：（1）开展基础研究，重点研究传感器的新材料、新工艺。（2）实现传感器的智能化。参考网站[1]传感器课程[2]仪表技术与传感器[3]传感器世界[4]中国传感器[5]传感器技术[6]21IC中国电子网[7]传感技术学报网[8]传感器资讯网[9]中国工控网:[10]中国自动化网:[11]中国科普博览网:参考书目[1]、余瑞芬.传感器原理(第二版).北京:航空工业出版社,1995[2]、王化祥等.传感器原理与应用(修订版).天津:天津大学出版社,1999