传感器及检测技术基本概念

第一章•概论•第一节传感与检测技术的基本概念•第二节传感器的基本性能•第三节测量误差分析基础概论•20世纪，随着科学技术的发展和人类社会的进步，人类探知工程信息的领域和空间不断拓展，要求信息传递的速度加快和信息处理的能力增强，因而就形成信息科学四大核心技术：信息采集技术—传感与检测技术，信息传递技术—通信技术，信息处理技术—计算机技术，信息控制技术—自动控制技术。下一页返回概论•从科学技术的“拟人律”角度来说，信息科学四大核心技术对应着人类四大信息器官：感觉器官—包括视觉器官、听觉器官、嗅觉器官、味觉器官、触觉器官和平衡觉器官等；传导神经网络—包括导人神经网络，导出神经网络和中间传导神经网络等；思维器官—包括记忆系统、联想系统、分析系统、推理系统和决策系统；执行器官—包括操作器官(手)、行走器官(脚)和语言器官(口)等显然信息科学技术极大地扩展和延仲了人类信息器官的功能。下一页返回概论•21世纪是人类社会全面进入信息电子化的时代，传感与检测技术是信息科学技术的最前端技术，它将成为21世纪人们在信息科学技术领域争夺的一个制高点。传感与检测技术即传感器在工程信息检测领域中的应用技术，它主要研究力、压力、应变、位移、液位、容量、温度、湿度、加速度、厚度、角度、转速、荷重、流量等各种非电量的电测技术，故亦称为非电量的电测技术。上一页下一页返回概论•在微电子技术和计算机技术高度发达的今天，这种非电量的电测技术呈现出许多明显的优势，是现代检测技术的主要技术。目前人类社会已经拥有一个互联网(Internet)，不久的未来人类社会将拥有一个物联网(TheInternetofThings)，传感与检测技术是物联网中的核心技术。上一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•非电量的电测方法是把待测的非电量，通过特定的敏感器件或装置变换成相应的电信号，这些电信号再经过一定的测量或调理电路进行放大、整形及转换后送入终端装置记录、指示或处理，即用电工或电子测量的方法实现非电量的检测。•一、非电量电测系统的组成及特点•非电量电测系统结构如图1-1所示，它由传感器、测量电路和终端装置三大部分组成。下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•传感器是用来感受被测的非电量，并按一定的规律变换成电信号的装置，不同性质的非电信号需要不同类型的传感器，它是实现非电信号获取的关键。•测量电路是对传感器输出的电信号进行必要的加工，如信号的放大、整形与滤波、调制与解调、阻抗变换、温度补偿、线性化及稳定性等，使得被测信号满足终端输出的要求终端装置通常为指示表、记录仪或计算机，用于被测信号的数据输出，或记录被测信号的相关波形和数据，或进入计算机系统再处理。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•这种用专用传感器实现非电信号获取的电测技术又简称为感测技术。•感测技术的成熟和发展，是现代检测技术水平的标志。感测技术具有下列主要优点。•(1)测量灵敏度高，应用范围广•(2)感测系统结构紧凑，安装调试方便。•(3)测量惯性小，反应速度快，频率特性好。•(4)可进行无接触测量和远程监测，并有较高的测量精度。•(5)在计算机技术的支持下，具有很高的自动测试程度，并向智能化测试方向发展。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•二、传感器概述•传感器是人类探知自然界各类信息的触角，信息时代若将计算机比喻为人的大脑，传感器则可喻为人的感觉器官。显然，没有功能正常的感觉器官，就不能迅速而准确地采集并转换所需的外界信息，一切科学研究与自动化生产过程都需要通过传感器获取准确的工程信息，因而传感器技术是现代高科技发展的关键。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•1.传感器定义•按照国家标准GB7666-1987，传感器(Transducer/Sensor)被定义为“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(SensingElement)指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分；转换元件(TransductionElement)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)和测量的电信号部分”•实际上大多数传感器都难以严格分为敏感元件和转换元件两部分，它们都是将感受的被测量直接转换为电信号。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•在很多书籍或资料中，也把传感器称为换能器、变换器、变送器(Transitter)，而在非电量电测技术中，通常把传感器称为能将非电信号转换为电信号的装置。•2.传感器的分类•传感器品种繁多，目前各类传感器已有近6000种。传感器具有原理多样性、技术综合性的特点，因而分类的方法很多，常用的有下述3种•1)按被测物理量分类•如温度传感器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器、流量传感器。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•2)按转换原理分类•如应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器等3)按敏感元件的物理现象分类•可分为结构型传感器和物性型传感器。其中结构型传感器是指依赖敏感元件结构参数变化实现信号转换的传感器，如通用的应变电阻传感器、电容传感器和电感传感器。物性型传感器是指依赖敏感元件物理性质变化实现信号转换的传感器，如热电传感器、霍尔传感器、压电传感器等。•3.传感器技术的发展•传感器技术是当今世界令人瞩目的高新技术之一，是众多新技术革命的基础，是信息科1学技术发展的一个重要标志。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•传感器技术作为现代信息科学技术四大核心技术之一，早在20世纪80年代初各发达国家就将其列为优先发展的新技术，使得传感器技术在近30年来获得了前所未有的高速发展。目前世界上规模化从事传感器研究和生产的单位已有5000多家，其中美国、欧洲、俄罗斯各有1000余家，口本有800余家。近10年来，世界传感器市场需求及产量均在以持续稳定的增长之势向前发展，每年的增长率达10%以上。全球传感器2008年的总销售额超过500亿美元，预计2010年将增长到600亿美元以上。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•我国在20世纪80年代末就将传感器列入国家高新技术发展的重点，近20年来，经过技术攻关和产业化建设，目前全国从事传感器研制和生产单位有近2000家，敏感元件及传感器产品的品种已有近6000种，传感器产量年增长率超过15%，2009年销售总额达430亿元。但与几个发达国家相比，我国传感器行业总体技术水平还是相对落后的，产业规模和应用领域都比较小。而且从各学科技术平衡发展的角度看，我国的传感器技术仍落后于通信技术和计算机技术的发展速度，在很多学科领域尚不能满足要求。为了我国信息科学技术的高速发展，为了在未来世界的物联网中有话语权，我国传感器技术的发展至关重要。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•因此，我国传感器行业必须树立创新意识，加速科研成果的转换，加快新型传感器产品的产业化，不断壮大自己的科技实力，缩小与发达国家的差距；同时，要考虑走联合之路，加大产业规模化建设，提高产品的性价比，迅速提高国产传感器的市场占有率。•当前，根据我国的现实国情及信息科学技术的发展趋势，传感器技术发展趋势及重点研究开发的有以下几个方面：•1)新型敏感材料•敏感元件材料是传感器技术的重要基础，重点开发的新型敏感材料主要有以硅材料为主的半导体材料、石英晶体和精密陶瓷、氧化锌、铁电聚合物及复合材料。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•2)微细加工技术•微细加工技术即微米加工技术，是开发微型传感器的工艺技术，目前大体上分为3类，其一是硅微机械加工技术；其二是以激光精密加工为主体的超精密机械加工技术；其三是X射线深层光刻电铸成型技术。•3)新型传感器•新型传感器主要是用于汽车电喷、空调和自动驾驶系统的车载传感器，用于水质、大气污染的测控传感器，用于检测食品卫生和诊断各种疾病的生物、化学传感器，用于航天系统的小型化、低功耗、高精度、高可靠性航天传感器，用于机器人具有视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉功能的仿生传感器。上一页下一页返回第一节传感与检测技术的基本概念•4)智能化传感器•智能传感器是当代高科技研究的热点，是一种带微处理器的传感器，它兼有信息检测、存储和处理功能，并能通过软件对传感器内部行为进行调理，使传感器工作在最佳状态。未来的智能传感器，将利用信息融合技术、模糊理沦等更高级的信息处理技术。•传感器是一个二端口装置，传感器的基本特性指的是其端口输入信号与输出信号对应关系的特性。不同传感器输入一输出特性不同，同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同，尤其当被测信号为静态信号和动态信号两种状态下，传感器的输入一输出特性完全不同。上一页返回第二节传感器的基本性能•一、传感器的静态特性•传感器的静态特征(Staticcharacteristic)是指在稳态信号作用下，传感器输出量与输入量之间的关系特征。•衡量传感器静态特征的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、精度。•1.线性度•传感器的线性度(Linearity)是指传感器输出量与输入量之间关系的线性程度。理想的传感器输出量与输入量之间应具有线性关系，而各种实际的传感器输出量与输入量之间都是非线性的。下一页返回第二节传感器的基本性能•按照解析法，传感器的输出与输入关系一般可用多项式(1-1)来表示。•（1–1）•式中y—输出量；•x—输入物理量；•a0—零位输出；•a1，a2，…，an—待定常数•在有些情况下不能用上述解析法表达时，可用实验数据曲线表示，然后用回归分析法求出经验公式。上一页下一页返回第二节传感器的基本性能•在研究传感器线性特性时，多项式(1-1)中的零位输出可以不予考虑，此时传感器输出与输入特性曲线(CharacteristicCurve)如图1-2(a)～(c)所示。•(1)理想的线性特性。此时传感器输出与输入特性曲线如图1-2(a)所示，多项式(1-1)中•a0=a2=a3=...=an=0•因此得到y=a1x（1–2）•显然，式(1-2)是一个理想的线性表达式上一页下一页返回第二节传感器的基本性能•(2)仅有偶次非线性项。此时传感器输出与输入特性曲线如图1-2(b)所示，多项式(1-1)可改写为•y=a2x2+a2x4+...（1–3）•在这种情况下，特性曲线没有对称性，可取的线性范围很小，传感器设计应尽量避免出现这种特性。•(3)仅有奇次非线性项。此时传感器输出和输入特性曲线如图1-2(c)所示，多项式(1-1)可改写为•y=a1x+a3x3+a5x5+...（1–4）•在这种情况下，特性曲线以坐标原点为对称点，可获得较大的线性范围。上一页下一页返回第二节传感器的基本性能•各种差动传感器具有图1-2(c)所示的线性特性，因为当其一边输出为y1=a1x+a2x2+...+anxn•另一边输出为•y2=-a1x+a2x2–a3x3...+(-1)nanxn•差动传感器输出为•y=y1–y2=2(a1x+a3x3+a5x5+...)•可见差动传感器可以使线性得到改善，同时使输出量放大一倍。为了标定和数据处理(DataProcessing)的方便，在使用传感器时，对于非线性程度不大的传感器，通常用割线或切线等直线来近似地代表实际曲线的一段。上一页下一页返回第二节传感器的基本性能•如图1-3所示，这种方法称之为传感器非线性的“线性化”。在图1-3中的“线性化”直线称之为拟合直线(FitedStraight)，图中非线性曲线称为校准曲线(AdjustedCurve)。•校准曲线是利用一定等级的标准设备，对传感器进行反复测试所得各种输出和输入数据画成的曲线；拟合直线是能反映校准曲线的变化趋势且使误差的绝对值为最小的直线。拟合直线可以用多种方法获得，其中用最小二乘法计算复杂，只适用于非线性特性方次不高的时候，切线法只适用于输入变量变化范围很小的场合，大多数情况下采用图1-3的端点连线法，此时传感器的线性度可用下式表示•（1–5）