传感器技术及应用.

传感器技术及应用主讲教师：杨春来电话：[phone]电子邮件：[e-mail]本课程的特点课程具有较强的实践性课程设计的知识面广是一门工程性、应用性都非常强的课程本课程的重要性1.传感器技术、通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱，他们分别是职能系统的“感官”、“神经”和“大脑”。2.传感器是测量住址和控制装置的首要环节。如果没有传感器对原始参数惊醒准确可靠的测量，就无法实现信号的转换和信息处理、无法完成最忌数据的显示和控制。课程教材和参考书教材：唐文彦主编《传感器》第四版机械工业出版社参考书：1.强锡富主编《传感器》第三版机械工业出版社，20022.余瑞芬主编.传感器原理.北京:航空工业出版社,19953.王化祥，张淑英编著.传感器原理及应用.天津大学出版社，19994.刘迎春，叶湘滨编著.传感器原理设计与应用，国防科技大学出版社，1997本课程总成绩的组成1、平时成绩占20%2、课程综合考试占30%绪论传感器的作用：传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节，是信息的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。传感器的定义与组成1.定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。包含的意思：1.传感器是测量装置，能完成检测任务；2.他的输入时某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。3.他的输出量是某种物理量，这种量便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：将敏感与那件的输出转换成一定的电路参数。（在图0-2中，转换元件是可变电感线圈3.它把输入的位移量转换成电感的变化）有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。基本转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出2.组成：传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图见图0-1.传感器的分类及对它的一般要求传感器的分类1.按传感器的工作机理：物理型，化学型、生物型等；2.按构成原理：结构型与物性型两大类；结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，如：电容式压力传感器物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。如：水银温度计3.根据传感器的能量转换情况：能量控制型和能量转换型两大类；能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。如：热电偶温度计。能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量工作。如：传感器的一般要求各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术质变也可能不同，其技术指标也不可能相同。但是有些一般要求却基本上是共同的的，包括：1.可靠性；2.静态精度；3.动态性能；4.灵敏度；5.分辨力；6.量程；7.抗干扰能力；8.能耗；9.成本；10.对被测对象的影响等传感器应用举例：烟雾报警器4.按照物理原理：电参量式传感器、半导体式传感器、压电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、热电式传感器、射线式传感器、磁电式传感器；光电式传感器5.按照传感器的用途：位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等等位移传感器振动传感器传感器的发展趋势和方向发开新型传感器：利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现新现象与新效应是研制新型传感器的重要基础，其意义极为深远。例如日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏应比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器件．而其制造工艺远比超导量子干涉器件简单，它可用于磁成像技术，具有广泛推广价值。开发新材料：传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步．人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而可以设计制造用于各种传感器的功能材料。采用新工艺：主要指微细加工技术，又称为微机械加工技术集成化、多功能化与智能化：传感器体积更小，功能更多，自动分析处理信号（数据）的能力更强。第一章传感器的一般特性传感器：输入量——电量传感器的一般特性：描述此种变换的输入与输出关系1．输入量为常量或变化极慢时（慢变或稳定信）一静特性2．输入量随时间变化极快时（快变信号）一动特性主要影响因素：传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）影响1.1传感器的静特性传感器在稳态信号作用下，其输出一输入关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要措标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。1．线性度传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性问题。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表示：在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，即线性拟合。非线性误差或线性度通常用相对误差表示目前常用的拟合方法有：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合等。前四种方法如图所示a)理论拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点平移拟合理论拟合--拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。该方法十分简单，但一般说△Lmax较大。过零旋转拟合--常用于曲线过零的传感器。拟合时，使△L1=I△L21=△Lmax。这种方法也比较简单，非线性误差比前一种小很多。端点连线拟合--把输出曲线两端点的连线作为拟合直线。这种方法比较简便，但△Lmax也较大。端点平移拟合--图d中在图c基础上使直线平移，移动距离为原先△Lmax的一半，这样输出曲线分布于拟合直线的两侧，△L2=IAL1l=I△L31=△Lmax，与图c相比，非线性误差减小一半，提高了精度。最小二乘拟合如下图所示设拟合直线方程为若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，也就是使对k和b一阶偏导数等于零，即从而求出k和b的表达式在获得k和b之值后代入式拟合直线，然后按前式求出残差的最大值△Lmax即为非线性误差2．迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象称为迟滞。如下图所示产生的主要原因是：传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、松动、材料的内摩擦、积尘等迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即3.重复性重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。如图所示为输出曲线的重复特性正行程的最大重复性误差为△Rmax1，反行程的最大重复性误差为△Rmax2。重复性误差取这两个误差之中较大者为△Rmax，再以满量程yFS输出的百分数表示，即4.灵敏度与灵敏度误差传感器输出的变化量△y与引起该变化量的输入变化量△x之比即为其静态灵敏度，其表达式为传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对具有线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。由于各种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用两队误差表示，即5.分辨力与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力用绝对值表示，用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。6．稳定性稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。7、温度稳定性温度稳定性又称为温度漂移，它是指传感器在外界温度变化时输出量发生的变化。8、抗干扰稳定性抗干扰稳定性这是指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。9、静态测量不确定度静态测量不确定度（传统上也称为静态误差）是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的可能偏离程度。1.2传感器的动特性传感器的动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。1.2.1传感器的数学模型要精确地建立传感器（或测试系统）的数学模型是很困难的。在工程上总是采取一些近似的方法；忽略一些影响不大的因素，给数学模型的确立和求解都带来很多方便。通常认为可以用线性时不变系统理论来描述传感器的动态持性。从数学上可以用常系数线性微分方程表示传感器输出量y与输入量x的关系，这种方程的通式如下：线性时不变系统重要性质——叠加性和频率保持性：也就是说，各个输入所引起的输出是互不影响的。这样，在分析常系数线性系统时，总可以将一个复杂的激励信号分解成若干个简单的激励，如利用傅里叶变换，将复杂信号分解成一系列谐波或分解成若干个小的脉冲激励．然后求出这些分量激励的响应之和。设x(t)、y(t)的初始条件为零，对上式两边进行拉式变换，得由此可求得初始条件为零的条件下输出信号拉氏变换Y(s)与输入信号拉氏变换X(s)的比值，即这个比值就被定义为传感器的传递函数。1.2.2频率响应函数对于稳定的长系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换，相应地有：或者即：传感器的频率响应函数，简称为频率响应或频率特性。频率响应函数是一个复数函数，他可以用只是形式表示：传感器幅频特性传感器的相频特性1.3应用实际的模拟传感器的数学模型可简化为零阶、一阶、二阶微分方程表示零阶：完全跟随，无滞后。电位器式传感器等一阶：液体温度传感器二阶：电动势测振传感器bkxyxbyadtdya001xbyadtdyadtyda001222二阶传感器拉氏变换式中——时间常数——自振角频率——阻尼比——静态灵敏度xbyadtdyadtyda001222XbYss022)12(0k02/aa/10)2/(201aaa00/abkjkjW21)(222222)2(]1[)(kk2212)(arctg幅频特性：相频特性：频率特性：1.3传感器的标定传感器的精毫就是通过试验确立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。传感器标定含义：其一是确定传感器的性能指标：其二是明确这些性能指标所适用的工作环境。本章仅限于讨论第一个问题。传感器的标定方法：有静态标定和动态标定两种。标定系统图所示。