传感器教案

教案201年月日第周累计第个教案课时课题第一章课型目的要求知识目标1．掌握传感器的定义2．掌握传感器的典型分类方法3．了解传感器的基本特性4．掌握传感器的静态和动态特性能力目标培养学生的理解与记忆能力思想教育严谨的学习态度和习惯重点难点分析重点：1、传感器的静态特性2、传感器的动态特性难点：传感器的动态特性分析教学方法讲授教具学具与实验准备组织教学时间系班级缺课学生名单教学内容及步骤第一章概述—传感器技术基础知识1.1传感器的定义及组成1.1.1定义国家标准（GB/T7665-1987）规定：传感器是一种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。也叫发送器；传送器；变送器；Transducer/Sensor等。对定义的理解：它是测量装置；输入量是某一被测量（物理、化学、生物等）；输出量是某种物理量（气、光、电等），主要是电物理量；输出输入有对应关系，并应有一定的精度1.1.2传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，组成框图如图示。1.2传感器的分类1.2.1按工作机理分（1）物理型按构成原理：结构型；物性型电信号非电物理量敏感元件转换元件接口电路辅助电源教学内容及步骤结构型：是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用物理学中场的定律构成的，动力场的运动定律、电磁场的电磁定律等。必须依靠精密设计的结构予以保证。如：磁隙型电感传感器、电动式传感器等。物性型：是利用物质定律构成的，利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量。虎克定律、欧姆定律等。主要依靠材料本身的效应来感应信息。如：光电管（外光电效应）、压电晶体（正压电效应）、光敏电阻、所有半导体传感器、以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金的性能变化的传感器。按能量转换情况：能量控制型、能量转换型能量控制型：在信息变化过程中，其能量需要外电源供给。如：电阻、电感、电容、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。能量转换型：主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如：压电效应、热电效应、光电动势效应等。按物理原理电参量式（包括电阻式、电感式、电容式等三个基本形式）、磁电式（包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式、光电式（包括一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等）、气电式、热电式、波式（包括超声波式微波式等）、射线式、半导体式、其它原理等。可以是两种以上原理的复合形式。（2）化学型利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子选择性电极。核心部分是离子选择性敏感膜。广泛应用于化学分析、化学工业的在线检测及环保中。（3）生物型利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。由两大部教学内容及步骤分组成：功能识别物质，酶、抗体、抗原、微生物、细胞等；电、光信号转换装置，最常用的是电极。最大的特点是能在分子水平上识别物质，应用于化学工业检测和医学诊断。1.2.2按用途（输入信号）分几何量：长度、角度、位移、厚度、几何位置、几何形状、表面波度和粗糙度力学：力、力矩、振动、转速、加速度、质量、流量、硬度、真空度等温度：温度、热量、比容、热分布湿度：湿度、水分时间：频率、时间电量：电流、电压、电阻、电容、电感、电磁波磁性：磁通、磁场光学：照度、光度、颜色、图像、透明度声学：声压、噪声射线：射线剂量、剂量率化学：浓度、成分、pH值、浊度1.2.3按输出信号模拟式传感器输出量为模拟量，数字式传感器输出量为数字量，便于与计算机连接，而且抗干扰能力强，例如盘式角度传感器和光栅传感器等。1.3传感器的静特性传感器的静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。教学内容及步骤衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、测量范围和量程、重复性、迟滞、灵敏度等。（1）测量范围和量程传感器所能测量的最大被测量(即输入量)的数值称为测量上限，最小的被测量则称为测量下限，而用测量下限和测量上限表示的测量区间，则称为测量范围，简称范围。测量上限和测量下限的代数差为量程。即：量程=测量上限-测量下限。（2）线性度在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度，通常用相对误差来表示，即ΓL=±（ΔLmax/YFS）100%ΔLmax：最大非线性误差YFS：满量程输出由此可见，非线性误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。（3）迟滞传感器在正(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。教学内容及步骤迟滞特性一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以正反行程中输出的最大偏差量满量程输出之比的百分数表示，即迟滞的影响因素包括传感器机械结构中的摩擦、游隙和结构材料受力变形的滞后现象等。（4）重复性重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。图示为实际输出的校正曲线的重复特性，正行程的最大重复性偏差为ΔRmax1，反行程的最大重复性偏差为ΔRmax2。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者为ΔRmax，与满量程输出yFS之比的百分数表示，即重复性误差也常用绝对误差表示。（5）灵敏度与灵敏度误差传感器输出的变化量Δy与引起此变化量的输入变化量Δx之比即为其静态灵敏度，其表达式为：教学内容及步骤（6）分辨力分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。（7）稳定性有长期稳定性和短期稳定性之分，通常用长期稳定性，它是指在室温条件下，经相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。（8）漂移传感器在长时间工作时、外界温度改变时或外界出现干扰（冲击、振动、潮湿、电磁等）时等情况下输出量发生的变化，包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可以分为时间漂移和温度漂移，时间漂移是指在规定的条件下，零点和灵敏度随着时间的缓慢的变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。（9）静态误差传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值（拟合曲线）的偏离程度。是一项综合性指标，它基本上包括了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等。σ=（Σ（Δyi）2/（n-1））1/2γ=±(3σ/yFS)100%或γ=±（γL2+γH2+γR2+γS2）1/21.4传感器的动态特性动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。教学内容及步骤动态特性的一般描述：(1)阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号u(t)=01tt，其输出为阶跃响应特性。与阶跃响应特性有关的指标：最大超调量P：输出超过稳定值的最大值，常用百分数来表示。上升时间tr：输出由某一值（10%或5%）到达稳定值的90%（或95%）所需的时间。响应时间ts：输出达到稳定值的95%或98%（由允许误差范围所决定）时所需的时间，也称建立时间或过渡过程时间。延迟时间td:阶跃响应达到稳态值50%所需要的时间。峰值时间tp：响应曲线到达第一个峰值所需要的时间。时间常数τ：τ越小，响应速度越快。衰减度：瞬态过程中振荡幅值衰减的速度。教学内容及步骤(2)频率响应特性给传感器输入各种频率不同而幅值相同初相位为0的正弦信号，其输出的正弦信号的幅值和相位与频率之间的关系。与频率响应特性有关的指标：频带：传感器增益保持载一定值内的频率范围，对应有上、下截止频率时间常数τ：一阶传感器（测温传感器等）用τ表征其动态性能，τ越小，频带越宽。固有频率：表征二阶传感器（加速度传感器等）的动态特性。1.5传感器的数学模型1.5.1静态数学模型传感器的静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入之间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示。y=a0+a1x+a2x2+…+anxn式中，x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性系数，也叫线性灵敏度；a2、a3…+an为非线性系数。几种特例：理想的线性特性：y=a1x其线性度最好，通常是所希望的传感器应具有的特性。仅有偶次非线性项：y=a0+a2x2+a4x4+…+a2nx2n,n=0,1,…其线性范围较窄，线性度差。仅有奇次非线性项：y=a1x+a3x3+a5x5+…+a2n+1x2n+1,n=1,2,…线性范围较宽，线性度好。教学内容及步骤1.5.2动态数学模型传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间变化的输入量作用时，输出输入之间的关系，通常称为响应特性。（1）微分方程将传感器作为线性定常系统来考虑，其动态数学模型可以用线性常系数微分方程来表示，这种方程式的通式为：所谓线性系统就是在此方程式中不包含变量及其各阶微分的非一次幂项(包括交叉相乘项)；如果线性系统方程中各系数an、bm在工作过程中不随时间和输入量的变化而变化，那么该系统就称为线性定常系统。（2）传递函数对上式取拉氏变换，并令当t=0时，输入量x(t)和输出量y(t)及它们的各阶时间导数的初始值均为零，则得等号右边是一个与输入量x(t)和输出量y(t)无关的表达式，它只与系统结构参数有关，因而等号右边又是传感器特性的一种表达式，它表征了输出与输入的关系，是一种描述传感器特性的函数。初始条件为零时(传感器被激励之前所有储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均没有积存能量)，输出量y(t)的拉氏教学内容及步骤变换Y(s)与输入x(t)的拉氏变换X(s)之比，称为传递函数，并记为H(s)1.6传感器的标定与校准标定：是指在明确传感器的输出与输入关系的前提下，利用某种标准器具对传感器进行标度。标定与校准的本质不同：对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定，称为标定；将传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。（1）静特性的标定方法：静态标准条件：没有加速度、震动、冲击、环境温度20±5。C、相对湿度不大于85%、气压为101±7kPa。（2）动态特性的实验确定方法：阶跃信号响应法、正弦信号响应法。（3）常用标定设备：静态标定设备、动态标定设备、现场标定设备。1.7传感器技术发展1.7.1改善传感器性能的技术途径差动技术：显著地减少温度变化、电源波动、外界干扰的影响，抵消共模误差，减小非线性误差。平均技术：误差δΣ=±δ0/n补偿修正技术：本身特性修正、工作条件或外界环境修正，可以通过硬件或软件实现。屏蔽、隔离与干扰抑制：稳定性处理：时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化温度老化、机械老化、交流稳磁处理、电气元件的老化筛选。教学内容及步骤1.7.2发展趋势（1）开发新型传感器：（新原理新现象、新效应）采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器。他们之间是互相联系的。（2）开发新材料半导体敏感材料：硅材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅）；金属和非金属合成的化合物半导体材料；陶瓷材料：绝缘陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、热电陶瓷、光电陶瓷、半导体陶瓷。磁性材料：非晶化、薄膜化。智能材料：生物体材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。（3）采用新工艺集成技术、微细加工技术、离子注入技术、薄膜技术微细加工技术，又称为微机械加工技术。是离子束、电子束、分子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术。平面电子工艺技术：传统的氧化、光刻、扩散、沉积等还有薄膜制作选择性的化学刻蚀技术：如：各向异性刻蚀技术固相键合工艺技术：将两个硅片直接键合为一体而不用中间粘接剂，也不需外加电场。机械切断技术：在一个基片上的多个超小型传感器用分离切断技术分割开