传感器原理及应用-第1章.

传感器原理及应用第1章第1章传感器概述1.1传感器的认知1.2传感器的基本特性传感器原理及应用第1章1.1传感器的认知♦1.11传感器的作用♦1.12传感器的定义♦1.13传感器的组成♦1.14传感器的分类♦1.15传感器的发展传感器原理及应用第1章传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一。传感器原理及应用第1章工业生产传感器原理及应用第1章智能建筑降低能耗提高操作者工作效率提高楼宇内部舒适程度提供高效的设备管理手段监控软件缩短投资回收周期降低培训成本传感器原理及应用第1章航空航天宇宙飞船飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器142个整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动显示、记录公路压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）未来世界传感器原理及应用第1章♦广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。♦狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。♦国家标准（GB7665-87）：对传感器（Transducer/Sensor）的定义：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。1.12传感器的定义传感器原理及应用第1章传感器定义有以下含义①它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。按使用场合不同又称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。传感器原理及应用第1章辅助电源敏感元件转换元件信号调理转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，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：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。物理、化学、生物信息1.13传感器的组成传感器原理及应用第1章①按被测物理量分类温度、压力、位移、加速度、位置、湿度、气体、力学量、流量和转速等传感。②按传感器的工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式和磁电式传感器。1.14传感器的分类传感器原理及应用第1章♦根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号♦根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器♦传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器♦按可变电参量：电阻型、电感型或电容型♦按传感器技术发展：聋哑传感器(DumbSensor)、智能传感器(SmartSensor)、网络化传感器(NetworkedSensor)③其他分类传感器原理及应用第1章1）半导体硅材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅蓝宝石等2）石英晶体材料包括压电石英晶体和熔凝石英晶体（又称石英玻璃），它具有极高的机械品质因数和非常好的温度稳定性3）功能陶瓷材料1.15传感器的发展1新材料、新功能开发应用传感器原理及应用第1章2微机械加工工艺的发展1）平面电子加工工艺技术，如光刻、扩散、沉积、氧化、溅射等。2）选择性的三维刻蚀工艺技术，如各种异型腐蚀技术、外延技术、牺牲层技术等3）固相键合工艺技术，如Si-Si键合，它是通过对两个需要对接基片的表面进行活化处理，在温室下把两个热氧化硅片面对面的接触，再经过一定温度退火即可使两硅片键合为一体。键合可以实现一体化结构，且强度、气密性好。传感器原理及应用第1章4）机械切割技术，制造硅微机械传感器时，是把多个芯片制作在一个基片上，因此，需要将每个芯片用分离切断技术分割开来，以避免损伤和产生残余应力。5）整体封装工艺技术用户，将传感器芯片封装于一个合适的腔体内，隔离外加干扰对传感器芯片的影响，使传感器工作在较理想的状态。传感器原理及应用第1章3传感器的多功能化发展单个参数测量传感器多参数同时测量的传感器传感器原理及应用第1章4传感器的智能化发展有点：对数据进行滤波、变换、矫正补偿、存储记忆、传输标准化等，同时实现必要的自我诊断、自检测以及通信与控制的功能。智能化传感器——将传感器获取信息的功能与微处理器的信息分析、处理的功能精密结合在一起的传感器。传感器原理及应用第1章5传感器模型及其仿真技术涉及敏感元件输入输出特性规律的参数越来越多，影响传感器输入输出特性的环节越来越多，因此在分析研究传感器的特性，设计、研制传感器的过程都要对传感器的工作机理建立有针对性的模型和进行深入细致的模拟计算。传感器原理及应用第1章1.2传感器的特性与主要性能指标♦1.2.1传感器的静态特性与主要性能指标♦1.2.2传感器的动态特性与动态指标传感器原理及应用第1章定义：传感器特性：指输入x（被测量）与输出y之间的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系1.2传感器的特性与主要性能指标1.2.1传感器的静态特性与主要性能指标23n0123ny=a+ax+ax+ax+…+ax式中：a0—输入量x为零时的输出量;a1,a2,…,an——非线性项系数。传感器原理及应用第1章1．测量范围和量程传感器所能测量到的最小被测量（输入）xmin与最大被测量（输入）xmax之间的范围称为传感器的测量范围（measuringrange）,表示为YFS或（xmin，xmax）。传感器测量范围的上限值与下限值之差xmax－xmin称为量程（span）。例如一温度传感器的测量范围是-30～+120℃,那么该传感器的量程为150℃。传感器原理及应用第1章静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。2．线性度(Linearity)传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y—输出量；x—输入量；a0—零点输出；a1—理论灵敏度；a2、a3、…、an—非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn传感器原理及应用第1章ΔLmax一最大非线性误差；yFS—满量程输出。在采用直线拟合线性化时，全量程范围实际曲线与其拟合曲线之间的最大偏差与满量程输出值之比，就称为非线性误差或线性度，用相对误差γL表示：一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。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maxLFSΔLγ=×100%Y传感器原理及应用第1章传感器原理及应用第1章3．灵敏度与灵敏度误差可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度s是一常数，与输入量大小无关。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(Sensitivity)，其表达式为线性：S=Δy/Δx非线性：S=dy/dx传感器原理及应用第1章传感器原理及应用第1章4．迟滞0yx⊿HmaxyFS迟滞特性maxHFSΔHγ=×100%Y式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。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称为迟滞。迟滞差值：正反行程的差值。迟滞误差：传感器在全量程范围内最大迟滞差值⊿Hmax与满量程输出值之比传感器原理及应用第1章5．重复性(Repeatability)yx0⊿Rmax2⊿Rmax1maxRFSΔRγ=±×100%Y重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。或用标准差σ计算，表示如下：△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。RFS(23)σγ=±×100%Y传感器原理及应用第1章♦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．分辨力与分辨率♦分辨力（resolution）:指传感器能检测到的最小的输入增量的△xmin的绝对值。♦有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。分辨率反映了传感器检测输入微小变化的能力。♦影响传感器分辨力的因素很多，如机械运动部件的摩擦、电路中的储能元件和A/D的位数。在传感器的测量范围内，由于其输入/输出之间呈非线性关系，所以在不同输入时分辨力不同，用max|△xmin|表示传感器的分辨力。用满量程的百分数表示时称为分辨率。传感器原理及应用第1章♦被测量可能以各种形式随时间变化，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。其间的关系用动态特性方程描述。1.2.2传感器的动态特性与动态指标♦动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。♦传感器动态特性方程就是指在动态测量时，传感器的输出量与输入被测量之间随时间变化的函数关系。♦它依赖于传感器本身的测量原理、结构，取决于系统内部机械的、电气的、磁性、光学的等各种参数，而且这个特性本身不因输入量、时间和环境条件的不同而变化。♦使用传感器时，根据动态特性及使用条件确定使用方法，同时估计给定条件下传感器动态误差、响应速度(延迟时间)和动态灵敏度。传感器原理及应用第1章1110111101()()()()()()()()nnnnnnmmmmmmdytdytdytaaaaytdtdtdtdxtdxtdxtbbbbxtdtdtdt传感器动态特性可用下列微分方程描述下面只研究零阶、一阶、二阶系统：01n-1n01m-1m式中：a,a,,a,a,b,b,,b,b是与传感器结构特性有关的常系数传感器原理及应用第1章1．零阶传感器动态特性指标零阶传感器的输出通过下列类型的方程与其输入相联系y(t)=kx(t)传感器的传输函数G(s)=k传感器的频率特性G(jω)=kk：静态灵敏度或放大系数。零阶传感器是比例传感系统，传函恒定不变。因此，传感器的动态误差和延迟两者皆为零。上式的输入—输出关系要求传感器不包含任何储能元件。例如，用来测量线性位移和旋转位移的电位器型传感器。传感器原理及应用第1章2．一阶传感器动态特性指标10dy(t)a+ay(t)=x(t)dt在一阶传感器中包含一个储能元件和另一些耗能元件。输入x(t)和输出y(t)由一阶微分方程描述：相应的传递函数为：Y(s)K=X(s)τs+1K——静态灵敏度(静态增益)，K=1/a0τ—时间常数，τ=a1/a0传感器原理及应用第1章对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号1由于x(t)=1(t)，X(s)=，传感器输出的拉氏变换为s11Y(s)=H(s)X(s)=1ss0t0x(t)=1t0传感器原理及应用第1章一阶传感器的单位阶跃响应信号为相应的响应曲线如图2-7所示。由图可见,传感器存在惯性,它的输出不能立即复现输入信号,而是从零开始,按指数规律上升,最终达到