第一章 传感器与检测技术基础知识

1传感器与检测技术授课教师：周凌柯自动化学院2教材传感器原理与应用黄贤武电子科技大学出版社参考教材传感器技术贾伯年东南大学出版社传感器与检测技术彭军西安电子科技大学出版社传感器与检测技术宋文绪高等教育出版社3“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。[Mendelyeev,DmitryIvanovich]科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的－门捷列夫课程介绍4基础知识定义、分类原理、应用、一般特性传感器原理电容传感器电阻传感器电感传感器热电传感器压电传感器光电传感器磁电传感器气、湿敏传感器辐射式传感器数字式传感器传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用教学内容5课堂教学+实验教学教学方式6第一章传感器的基本概念789光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器。平时，发光二极管发出的光被不透明挡板挡住。当有烟雾时，烟雾对光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报警电路工作。10温度传感器11人体秤12气敏传感器用金属氧化物半导体材料制成，当气味吸附在半导体表面时会导致材料的电阻率变化。13第一节传感器的定义与组成传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的器件或装置。传感器由敏感元件、转换元件和其它辅助元件组成。敏感器件：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：对信号转换输出成电路参量；辅助器件：对输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。14敏感元件被测信息转换元件信号调节电路辅助电路输出信息15例：应变式力传感器弹性膜片—敏感元件，将力转换为弹性膜片的变形应变片—传感元件，将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化16应变式压力传感器弹性膜片电阻应变片压力应变电阻变化量敏感元件转换元件并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件。例如，热电偶、热敏电阻等都是这种形式的传感器。17第二节传感器的分类1)按被测量分类：物理量传感器，如流量传感器、压力传感器等；化学量传感器，如气体传感器、湿度传感器等；生物量传感器。2)按工作机理分类：结构型：以敏感元件结构参数变化实现信号转换，如电容式传感器；物性型：以敏感元件物性效应实现信号转换，如半导体传感器；183)按能量的关系分类：无源传感器：必须具有辅助能源（电源），如电阻式、电容式等。4)按敏感材料分类：半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子材料传感器、金属传感器等有源传感器:将非电量转换为电能量，如热电式、压电式传感器。192012012:::,:nnnyaaxaxaxxyaaaa输入量输出量:零位输出传感器线性灵敏度非线性项的待定系数第三节传感器的数学模型概述一静态模型静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化）情况下，描述传感器输入与输出间的一种函数关系。传感器的静态模型—般可用多项式来表示：201）微分方程1111011011nnmmnnmmnnmmdydydydxdxdxaaaaybbbbxdtdtdtdtdtdt2）传递函数拉氏变换：0()()StYSytedt110110()()()mmmmnnnnbSbSbYSHSXSaSaSa传递函数：二动态模型动态模型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)作用下，描述输出和输入信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程或传递因数来描述。21第四节传感器的基本特性一静态特性被测量处于稳定状态下的输入输出关系。1．线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。4种典型情况(a)理想线性(b)x奇次项的非线性(c)x偶次项的非线性(d)x奇、偶次项的非线性y=a1xy=a1x+a3x3+…y=a1x+a2x2+a4x4…y=a1x+a2x2+…+anxn23实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差—输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大偏差；—输出满量程值。100%maxFSEYFSYmax242．灵敏度灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值，即:ySx对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。而非线性传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dx表示。25灵敏度表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度值越大，表示传感器越灵敏。263．重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。主要由传感器机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦以及辅助电路老化和漂移等原因产生。274．迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。100%maxmaxFSHEY最大滞环率maxH：最大滞环误差285．分辨率分辨率是指传感器能检测到的最小变化量。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。297.传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。30传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。最常用的方法为阶跃响应法和频率响应法。二动态特性31