传感器教案

绪论一、传感器的概念１、传感器：把特定的被测信息（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。这里“可用信号”是指便于处理、传输的信号。当今电信号最易于处理和便于传输，因此，可以把传感器狭义地定义为：传感器（狭义定义）：能将外界非电信号转换成电信号输出的器件。当人类进入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念也可以变为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。２、传感器技术：是涉及传感（检测）原理、传感器设计、传感器开发和应用的综合技术。传感技术的含义则更为广泛，它是传感器技术、敏感功能材料科学、细微加工技术等多学科技术相互交叉渗透而形成的一门新技术学科——传感器工程学。３、传感（检测）原理：是指传感器工作所依据的物理、化学和生物效应，并受相应的定律和法则所支配。如：物理基础的基本定律包括：守恒定律（能量、动量、电荷等），场的定律（包括动力场运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布有关。），物质定律（如虎克定律、欧姆定律、半导体材料的各种效应等，表示本身内在性质的定律），统计法则（它把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，它们常与传感器的工作状态有关）。敏感材料：是传感技术发展的物质基础；此外，传感器的加工技术也是传感技术必不可少的组成部分，现代的微细加工技术、光学刻划技术、光学镀磨技术、扩散及各向异性腐蚀技术等新型加工方法的引入，使传感器的加工上了一个大台阶。二、传感器的组成传感器一般由三部分组成：敏感元件、转换元件、测量电路组成。敏感元件非电量转换元件测量电路辅助电源电量图0-1传感器的组成其中，能把非电信息转换成电信号的转换元件，是传感器的核心。敏感元件是传感器预先将被测非电量变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量，如弹性元件。因此，并非所有传感器都包含这两部分，对于物性型传感器，一般就只有转换元件；而结构型传感器就包括敏感和转换元件两部分。测量电路，将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。传感器的测量电路，经常采用电桥电路、高阻抗输入电路、脉冲调宽电路、振荡电路等特殊电路。三、传感器的分类按基本效应分：物理型、化学型、生物型等。按构成原理分：结构型、物性型。按测量原理分：应变式、电容式、压电式、热电式等。按能量关系分：能量转换型（自源型）、能量控制型（外源型）。按输入量分：位移、温度、压力、流量、加速度等。按输出量分：模拟式、数字式。传感器，作为测量与控制系统的首要环节，必须具有快速、准确、可靠、经济实现信息转换的基本要求：１、足够的容量――工作范围或量程足够大、有一定的过载能力。２、与测量或控制系统匹配性好，转换灵敏度高。３、精度适当，且稳定性高。４、反应速度快、工作可靠性好。５、适用性和适应性强。对被测对象的状态影响小，不易受外界干扰的影响，使用安全。６、使用经济，成本低，寿命长，且易于使用、维修和校准。四、传感器的发展趋势1、开发新型传感器进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，物性型传感器亦称固态传感器，它包括半导体、电解质和强磁性体三类。其中利用量子力学诸效应研制的高灵敏阈传感器，用来检测微弱信号，是传感器技术发展的新趋势，例如，利用核磁共振吸收效应的磁敏传感器，可将检测限扩展到地磁强度的10的7次方，利用约瑟夫逊效应的热噪声温度传感器，可测量10的负6次方的超低温；以及由于光子滞后效应的利用，出现了响应速度极快的红外传感器。目前最先进的固态传感器，在一块芯片上可同时集成差压、静压、温度三个传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿功能。2、传感器的集成化和多功能化所谓集成化，就是将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制做在同一芯片上；多功能化则意味着传感器具有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器、多功能气体传感器等。借助于半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密加工及组装技术等，使得传感器的这种发展趋势得以实现。3、传感器的智能化传感器与微型计算机相结合就形成了智能传感器，它兼有检测和信息处理功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能和远距离通讯。将传感器和计算机的这些功能集成于同一芯片，就形成智能传感器。4、研究生物传感器和开发仿生传感器大自然是生物传感器的优秀设计师。如狗的嗅觉（灵敏阈是人的一百万倍）、鸟的视觉（视力是人的8~50倍）、蝙蝠、飞蛾、海豚的听觉（主动型生物雷达——超声波传感器）、蛇的接近觉（分辨力达0.001度的红外测温传感器）等。所以，这也是传感器的一个发展方向。5、传感器的图像化现代的传感器已不再仅限于对于一点的测量，而开始研究一维、二维甚至三维空间的测量问题。现已研制成功的二维图像传感器，有MOS型、CCD型、CID型全固体式摄像器件等。第一章传感器的一般特性传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。无论对静态量或动态量，传感器的输出量都应不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。1.1传感器的静态特性一、静态数学模型静态模型是指在静态条件下（即输入量对时间t的各阶导数为零）得到的数学模型。不考虑滞后及蠕变，传感器的静态模型可用一代数方程表示：nnXaXaXaaY2210式中：Y—输出量；X—输入量；0a—零位输出；1a—传感器的灵敏度，常用K或S表示；2a，3a，…，na—非线性项待定常数。这种多项式方程可分为四种典型情况，见书。表示输出量与输入量之间的关系曲线称为特性曲线，图1-1表示了这四种典型曲线。其中，理想的模型为：XaY1后三种情况表示的是非线性情况，必须采取线性补偿措施。二、静态特性指标：1．线性度：表征传感器曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F·S）输出值的百分比。δL=±Δmax/YF·S×100%Δmax—校准曲线与拟合直线间最大偏差；YF·S—传感器满量称输出；YF·S=Ymax–Y0拟合直线的方法不同，线性度的大小也不同。拟合直线的方法有：1）端基法（简单直观，未考虑数据分布、拟合精度低）；2）理论直线法（与测试值无关，简单、方便）；3）最小二乘法（拟合精度高，可得最佳拟合直线）；4）端点平移法（最佳直线法）：正、负偏差最小且相等，拟合精度最高；5）平均斜率法：精度比端基法高；6）平均选点法：我国专家提出，等等。2．灵敏度：在稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入量之比。3．精度：在规定条件的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百分比。表征测量结果的可靠程度，A=ΔA/YF·S×100%工程中，经常使用精度等级表征传感器的精度：0.05,0.1,0.5,1.0,1.5,2.0,5.0etc。4．分辨率：在规定的测量范围内，所能检测出被测输入量的最小变化量。也可用该值相对满量程输入值之百分数表示。也称为最小检测量。5．迟滞：在相同工作条件下，传感器在正、反行程中输入-输出曲线的不重合程度。正、反行程的最大偏差与满量程之比。原因：传感器机械结构、制造工艺上的缺陷；摩擦、轴承间隙、螺钉松动、元件损坏、积尘等。6．重复性：在相同的工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续多次所特性曲线的不一致性。数值上，是各测量值标准偏差最大值两倍或三倍与满量程的百分比表示。它反映测量结果偶然误差的大小。而不表示与真值的误差。7．零点漂移：在无输入时，传感器输出偏离零值的大小与满量程只比。8．温漂：温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度每变化1度，输出最大偏差与满量程的百分数。9．阈值：使传感器输出产生可测变化量的最小输入量值。也称为死区。1.2传感器的动态特性动态特性：是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。它是反映传感器的输出值真实再现变化的输入量的能力；因为传感器所检测的信号大多是时间的函数。一、动态数学模型：动态模型一般是由常系数微分方程、传递函数的形式来表述的。传递函数：输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。常微分方程形式（anDn+an-1Dn-1+···+a1D+a0）Y(t)=(bmDm+bm-1Dm-1+···+b1D+b0)X(t)传递函数的形式01110111)()()(aSaSaSabSbSbSbSXSYSWnnnnmmmm绝大多数传感器动态模型，一般均可用零阶传感器、一阶传感器、二阶传感器三种形式来描述，习惯用传递函数的形式来表示。1．零阶传感器微分方程形式：y=b0/a0=Kx传递函数形式：KSXSYSW)()()(；K：静态灵敏度。2．一阶传感器：微分方程形式：a1dy/dt+a0y=b0x传递函数形式：1)()()(sKSXSYSW其中，K=b0/a0—静态灵敏度；τ=a1/a0—时间常数。2．二阶传感器：微分方程形式：a2d2y/dt2+a1dy/dt+a0y=b0x传递函数形式：12)()()(0202SSKSXSYSW其中，K=b0/a0—静态灵敏度；ω0=（a0/a2）0.5—固有频率；ξ=a1/2(a0a2)0.5—阻尼比。二、动态特性：传感器的动态特性包括两部分：1）输出量达到稳定状态后与理想输出量的差别；2）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差。工程上，常用输入“标准”信号函数的方法进行分析：正弦函数和阶跃函数。原因：任何周期函数都可以用傅立叶级数分解为各次谐波分量，并把它近似表示为这些正弦量之和。（一）零阶传感器1．频率响应特性：与频率无关，没有幅值和相位失真问题。故可称为比例环节或无惯性环节。2．阶跃响应特性：阶跃响应与输入成正比。它具有理想的动态特性。（二）一阶传感器1．频率响应特性：频率传递函数为：1)(jKjW设输入量为：x=Xsinωt输出量为：y=Ysin(ωt+ψ)幅频特性：221)(KjW相频特性：)(arctg由频率特性可知：时间常数愈小，频率响应特性愈好。2．阶跃响应特性：阶跃响应指标：（1）时间常数τ：输出值上升到稳态值63.2%所需的时间。（2）上升时间Tr：由10%到90%所需的时间。（3）响应时间Ts：输出值达到误差范围±Δ%所经历的时间。（4）超调量σ%：过渡过程中超过稳态值的最大值ΔA（过冲）与稳态值之比的百分数表示。（5）衰减率ψ：相邻两个波峰高度下降的百分数。（6）稳态误差ess:稳态输出值与目标值之差。阶跃响应：Y（t）=1-e-t/τ由上式可知：一阶传感器的动态特性取绝于时间常数τ。τ越小，响应越迅速。无超调量σ%和衰减率ψ；当t5τ时，输出已接近稳态值。（三）二阶传感器1．频率响应特性：频率传递函数为：12)()(020jjKjW幅频特性：20222041)(KjW相频特性：20012arctg由幅频特性和相频特性可知：1）ω/ω01时，近似零阶环节；A（ω）≈1，0。2）ω/ω01时，A（ω）≈0，180；即传感器无响应，被测参数的频率远高于其固有频率。3）ω/ω0=1时，且ξ→0，传感器出现谐振；A（ω）≈∞；输出信号的幅值和相位严重失真。4）阻尼比ξ对频率特性有很大影响：ξ增大，幅频特性的最大值减小。ξ0.707，谐振不会发生；ξ=0.707，幅频特性的平直段最宽。称为最佳阻尼。2．阶跃响应特性：1）欠阻尼ξ1；2）过阻尼ξ1；3）临界阻尼ξ=1；三钟情况。固有频率越高，响应曲线上升越快；反之，则越慢。欠阻尼时，发生衰减振荡；ξ≥1，不产生振荡，无过冲；ξ=0，固有频率时，形成等幅振荡。第二章应变式传感器电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度