第1章 传感器技术基础

传感器技术与应用阳江职业技术学院机电系刘润丹第1章传感器技术基础风速传感器雷达传感器传感器二氧化碳传感器氯气传感器传感器接近式传感器模块s系列温湿度传感器传感器可燃气体传感器热释电红外传感器传感器的应用智能交通系统中的卡口系统小轿车上的传感器传感器的应用光学测距测速传感器Honda机器人asimo智能机器人的多传感器系统框图第三次信息革命计算机时代互联网时代物联网时代所谓物联网，顾名思义，就是物与物之间的智能联网，有研究机构预计10年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大30倍。物联网物联网有三大特征：全面感知、可靠传输、智能处理物联网就是把传感器、传感器网络等感知技术，通信网、互联网等传输技术，以及智能运算、智能处理技术融为一体的连接物理世界的网络。上海浦东国际机场防入侵系统上海微系统所副所长-刘海涛国家973计划物联网首席科学家课程简介本课程的地位和作用计算与控制机器或设备传感器与检测执行器信息处理信息应用信息获取被控对象知识领域：　信息获取与处理主要知识模块：　传感器原理与应用　信号检测与估计误差理论与数据处理测控电路虚拟仪器　光电检测技术智能检测及系统　传感器网络技术等等ADCDAC本课程内容体系结构•按照传感器、检测技术和自动检测系统三大模块。•传感器部分主要包括传感器的基本特性、各类传统与新型传感器的工作原理与应用（应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式、光电式、辐射与波式、数字式、智能式传感器；化学传感器、生物传感器、微传感器等）•检测技术主要包括参数检测、微弱信号检测、软测量、多传感器数据融合、测量不确定度与回归分析等•检测系统主要包括虚拟仪器和自动检测系统等。本课程的任务及要求•“传感器与检测技术”是一门涉及到电工电子技术、传感器技术、光电检测技术、控制技术、计算机技术、数据处理技术、精密机械设计技术等众多基础理论和技术的综合性技术，现代检测系统通常集光、机、电于一体，软硬件相结合。本课程的任务及要求•“传感器与检测技术”课程着重培养学生掌握传感器与检测技术基本理论、基本方法，本课程是一门实践性很强的课程，在理论学习的同时，要求学生通过实验和实践熟练掌握各类典型传感器的基本原理和适用场合，掌握常用测量仪器的基本工作原理和工作性能，能合理选用常用电子仪器、测量电路等，能根据测量要求设计各类测量系统，能对测量结果进行误差分析和数据处理等，达到理论与实践的高度统一，突出能力的培养。第1章传感器技术基础1.1自动测控系统与传感器1.2传感器的分类1.3传感器的数学模型1.4传感器的特性与技术指标1.5传感器的材料与制造1.6提高传感器性能的方法1.7传感器的标定与校准1.1自动测控系统与传感器世界是由物质组成的，表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。非电量不能直接使用一般电工仪表和电子仪器测量，非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量。实现这种转换技术的器件叫传感器。自动检测和自动控制系统处理的大都是电量,需通过传感器对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获，并转换为电量。1.1自动测控系统与传感器1.1.1自动测控系统自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量分析预期效果所从事的一系列的技术措施。自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置，它是检测和控制器与研究对象的总和。通常可分为开环与闭环两种自动测控系统。测量电路传感器电源指示仪记录仪伺服控制图1-1开环自动测控系统框图被测量调节元件给定元件信息处理检测电路执行元件传感器对象输出显示记录－＋－图1-2闭环自动测控系统框图一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。1.1.2传感器传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。敏感元件转换元件辅助电源接口电路图1-3传感器组成框图非电物理量电信号压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等是敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的。机械能光能电磁能化学能热能图1-4传感器的能量转换关系传感器技术就是掌握和完善这些转换的方法和手段。该技术涉及：传感器能量转换原理、传感器材料选取与制造、传感器器件设计、传感器开发和应用等多项综合技术。1.2传感器的分类1.2传感器的分类传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种：一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。1.2.1按被测量分类这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分为：基本被测量和派生被测量两大类。见表1-1。例如力可视为基本被测量，从力可派生出压力、重量、应力、力矩等派生被测量。当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。表1-1基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度角位移旋转角、偏转角、角振动速度线速度速度、振动、流量、动量角速度转速、角振动加速度线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、扭矩、转动惯量力压力重量、应力、力矩时间频率周期、计数、统计分布温度热容量、气体速度、涡流光光通量与密度、光譜分布湿度水气、水分、露点这种分类方法：优点：是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。缺点：是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。1.2.2按传感器工作原理分类这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种分类法：优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。缺点是不便于使用者根据用途选用。具体划分为：1.电学式传感器电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。2.磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。3.光电式传感器光电式传感器是利用光电器件的光电效应和光学原理而制成。主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。4.电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。5.电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理而制成。主要用于力及加速度的测量。6.半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。7.谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。主要用来测量压力。8.电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成，可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。还有：按能量的关系分类，即将传感器分为有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如：盘式角度数字传感器，光栅传感器等。1.3传感器的数学模型1.3传感器的数学模型传感器作为感受被测量信息的器件，总是希望它能按照一定的规律输出有用信号,因此,需要研究其输入-输出之间的关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。理论和技术上表征输入-输出之间的关系通常是以建立数学模型来体现，这也是研究科学问题的基本出发点。1.3.1传感器的静态数学模型静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示：y=a0+a1x+a2x2+···+anxn式中x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示；a2,a3,···,an为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定。传感器静态数学模型有三种有用的特殊形式：1.理想的线性特性xay1通常是所希望的传感器应具有的特性，只有具备这样的特性才能正确无误地反映被测的真值。2.仅有偶次非线性项44221xaxaxay其线性范围较窄，线性度较差，灵敏度为该曲线的斜率，一般传感器设计很少采用这种特性。3.仅有奇次非线性项55331xaxaxay其线性范围较寛，且相对坐标原点是对称的，线性度较好，灵敏度为该曲线的斜率。使用时一般都加以线性补偿措施，可获得较理想的线性特性。1.3.2传感器的动态数学模型在实际测量中，大量的被测量是随时间变化的动态信号。传感器的动态数学模型是指：在随时间变化的动态信号作用下，传感器输出-输入量间的函数关系，通常称为响应特性。动态数学模型一般采用微分方程和传递函数描述。xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn01111011111.微分方程忽略了一些影响不大的非线性和随机变量等复杂因素后，可将传感器作为线性定常数系统来考虑，因而其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，其解得到传感器的暂态响应和稳态响应。式中：x(t)为输入量，y(t)为输出量。0101,,,;,,,bbbaaannnn为结构常数。对上式两边取拉普拉斯变换，则得：))(())((011011bsbsbsXasasasYmmmmnnnn该系统的传递函数H(s)为：011011)()()(asasabsbsbsXsYsHnnnnmmmm2.传递函数等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构参数有关，可见传递函数H(s)是描述传感器本身传递信息的特性，即传输和变换特性。由输入激励和输出响应的拉普拉斯变换求得。当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，可以通过实验求得传递函数。1.4传感器的特性与技术指标1.4传感器的特性与技术指标传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。1.4.1静态特性传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。1.线性度线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。图1-5传感器的线性度由图可见，除（a）为理想特性外，其它都存在非线性，都应进行线性处理。常用的方法有：理论直线法、端点线法、割线法、最小二乘法和计算程序法等。2.灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-6（a）所示，其sn=y/x图1-6传感器的灵敏度yx0nySx＝y0(a)　线性测量系统(b)非线性测量系统xndySdxyx0nS(c)　灵敏度为常数yfxCdydxyx0nS(d)　灵敏度随输入增加而增加yfxdydxyx0nS(e)　灵敏度随输入增加而减小yfxdydx非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-6（b）所示，其sn=dy/dx=df(x)/dx3.重复性重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-7所示。传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积