现代传感器技术概述

传感器原理授课教师：彭杰纲基本情况课时：64学时，课堂56，实验8教材：传感器原理及应用，王雪文张志勇，北京航空航天大学出版社，2004年03月传感器原理、设计与应用，刘迎春,叶湘滨，国防科技大学出版社，2002（第4版）传感器概述一、传感器的定义二、传感器的分类三、传感器基础知识四、传感器的标定五、现代传感器的发展传感器应用领域传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容航空,航天,航海机器人技术生物医学和医疗器械民用设施汽车工业一、传感器的定义传感器的基本组成传感器定义（1）传感器是换能器的一种,换能器（transducer)是将能量从一种形式转换为另一种形式的装置。换能器包括传感器和执行器两方面含义。图1-1表示的是:传感器与执行器系统的基本组成传感器及执行器结构传感器及执行器结构控制和电路集成处理电源和管理IO通道和协议图1-1传感器定义（2）广义地可以把传感器归结为一种能感受外界信息（力，热、声、光、磁、气体、化学、生物、湿度等），并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置根据中华人民共和国标准（GB7665-87），传感器（Transducer/Sensor)的定义是：能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。通常传感器由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件（sensingclement)是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件（Transductionelement）是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。二、传感器的分类传感器的分类（1）1、按工作机理分类结构型传感器是按物理学中场的定律定义的，这些定律包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这些定律一般是以方程式给出的，所以这些方程式也就是许多传感器工作时的数学模型。其特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性的变化为基础。按工作机理分类物性型传感器物性型传感器是按照物质定律定义的，如胡克定律、欧姆定律等。由于物质定律是表示物质某种客观性质的法则，因此物性型传感器的性能随着材料的性质不同而异。例如：光电管就是物性型传感器，它按照物质法则中的外光电效应，其特性与电极涂层材料的性质密切相关。复台型传感器由结构型和物性型组合而成、兼有两者待征的传感器，称为复合型传感器。传感器的分类（2）2、从电路供电方式来分，可分为：无源传感器无源传感器也叫能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外部电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应构成的传感器都属于无源传感器。•有源传感器•有源传感器也叫能量控制型传感器，在信息变化过程中，其能量需要外部电源供给。如电阻、电容、电感等电路参量传感器和基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器均属于有源传感器。按原理分类的传感器电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式传感器。磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式传感器。压电式传感器：压电式力传感器，压电式加速度传感器，压电式压力传感器。光电式传感器：红外式、CCD摄像式、光纤式、激光式传感器等。气电式传感器：半导体气体传感器，集成复合型气体传感器。热电式传感器：热电偶等。波式传感器：超声波式、微波式传感器。射线式传感器：核辐射物位计，厚度计，密度计等。半导体式传感器：半导体温度传感器，半导体湿度传感器等。其他原理的传感器。按用途分类的传感器温度传感器；光敏传感器；力敏传感器；磁敏传感器；气体传感器；湿度传感器声敏传感器；流量传感器；生物传感器其它传感器等传感器的分类（3）3、按人类的感觉功能进行分类：视觉，听觉，嗅觉，味觉，触觉五类传感器4、按制备传感器材料进行分类：半导体，金属，陶瓷，光纤，高分子，生物三、传感器基础知识传感器基础知识（1）传感器的基本特性传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间关系的特性，即输出—输入特性,分为静态特性和动态特性。如果把传感器看作二端口网络,即有两个输入端和两个输出端,那么传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。3.1、传感器静态特性传感器静态特性（1）静态特性：指对于静态的输入信号，传感器的输入量与输出量之间所具有的相互关系。此时的输入信号与时间无关，输出量与时间无关，输出与输入之间的关系可用一个不含时间的方程来表示：nnxaxaxaxaay332210线性度线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近的一个性能指标，静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中,为了标定和数据处理的方便,希望得到线性关系,因此引入各种非线性补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理,从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高,输入量变化范围较小时,可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段。所采用的直线称为拟合直线。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（或线性度）,通常用相对误差表示,即△Lmax——实际曲线和拟合直线间的最大偏差YFS——满量程输出%100maxFSfYL图1-2几种直线拟合方法(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合从图1-2中可见,即使是同类传感器,拟合直线不同,其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法很多。不同拟合方式得到的结果不相同,在实践中应选择使用。不同的拟合方式图a中，理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。该方法十分简单，但一般说△Lmax较大。图b为过零旋转拟合，常用于曲线过零的传感器。拟合时，使，这种方法也比较简单，非线性误差比前一种小很多。图c中，端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟合直线。这种方法比较简便，但△Lmax也较大。图d端点平移拟合中在图c基础上使直线平移，移动距离为原先△Lmax的一半，这样输出曲线分布于拟合直线的两侧，，与图c相比，非线性误差减小一半，提高了精度。测量范围每一个传感器都有一定的测量范围，如果在超过了这个范围进行测量时，会带来很大的测量误差，甚至于将其损坏。一般测量范围确定在一定的线性区域或者保证一定寿命的范围内。在实际应用时，所选择传感器的测量范围应大于实际的测量范围，以保证测量的准确性和延长传感器及其电路的寿命传感器静态特性（2）迟滞将在相同工作条件下进行全测量范围测量时正行程和反行程输出的不重合程度称为迟滞或滞后。传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的,例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞大小通常由实验确定。YFS——满量程输出△HMAX——正反量程最大输出偏差%100maxFSHYH图1-3迟滞特性传感器静态特性（3）重复性用于描述在同一工作条件下输入量按同一方向在全量程范围内连续多次重复测量所得特性曲线的不一致性（波动性）△Rmax是正反量程最大重复性偏差或用同一输入量N次测量的标准偏差δ与满量程的百分比表示。1)(12NYYNii%100maxFSKYR图1-4重复特性传感器静态特性（4）灵敏度用传感器在稳定工作时的输出量变化（△Y)对输入量（△X)的比值：对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率,即S=Δy/Δx为常数,而非线性传感器的灵敏度为一变量,用S=dy/dx表示。传感器的灵敏度如图所示dXdYXYS图1-5灵敏度分辨力描述传感器可以感受到的被测量最小变化的能力。一般各个输入点能分辨的范围不同，人们将用满量程中使输出阶跃变化的输入量中最大的可分辨范围作为衡量指标。在传感器零点附近的分辨力称为閾值图1-6分辨力传感器静态特性（5）温度稳定性一般用温度系数来描述温度引起的这个误差，表示为：Y1,Y2分别为温度T1、T2时的输出值，△T=T2-T1。%10012TYYYFST3.2、传感器动态特性传感器的动态特性（1）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。当传感器的输入量随时间变化时，其输出量的响应特性就是动态特性。当被测量随时间变化,是时间的函数时,则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。一个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。动态输入信号为了说明传感器的动态特性,下面简要介绍动态测温的问题。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下,都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计）,这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t,而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t℃需要经历一段时间,即有一段过渡过程,如图1-9所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。图1-7动态测温造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因,是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻,使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的,这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有,只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外,还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动特性时,通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。时域分析法传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来分析传感器的动态性能指标。传感器的动态特性（2）阶跃响应当输入为阶跃函数时，则传感器的响应函数Y(t)分为两个响应过程，一个是从初始状态到接近终态之间的过程，即动态过程（又称为过渡过程），t趋于无穷时，输出基本稳定，称为稳态过程。如图所示。图1-8阶跃输入与响应一阶传感器传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时,有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法,传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。1)一阶传感器的单位阶跃响应在工程上,一般将下式:)()()(txtydttdy视为一阶传感器单位阶跃响应的通式。式中x(t)、y(t)分别为传感器的输入量和输出量,均是时间的函数,表征传感器的时间常数,具有时间“秒”的量纲。一阶传感器的传递函数：11)()()(sSXSYsH对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号0t≤01t0时,由于x(t)=1(t),x(s)=,传感器输出的拉氏变换为Y(s)=H(s)X(s)=x(t)=s111ss1一阶传感器的单位阶跃响应信号为y(t)=1-e-相应的响应曲线如图1-9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,最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值,但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%,可以认为已达到稳态。τ越小,响应曲线越接近于输入阶跃曲线,因此,τ值是一阶传感器重要的性能参数。t图1-9一阶传感器单位阶跃响应2)二阶传感器的单位阶跃响应的通式为)()()(2)(2222txwtywdttdywdttydnnn