第一章 传感器原理及应用

1传感器原理及检测技术课程组制作2008年8月传感器原理及检测技术SensorPrinciple&DetectingTechnology吉林大学仪器科学与电气工程学院联系方式：Tel:[phone]Email:[e-mail]主讲：凌振宝2成绩评定出勤成绩10分；作业成绩10分；测试成绩10分；期末考试70分。课程性质：专业基础课（必修）理论学时：483基础知识定义、分类发展趋势选用原则一般特性传感器原理检测技术电感传感器应变传感器电容传感器压电传感器温度传感器磁传感器光传感器其他传感器智能化传感器课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用4传感器课程仪表技术与传感器传感器世界中国传感器传感器技术21IC中国电子网传感技术学报网传感器资讯网电子设计应用、《传感器》（第4版），强锡富，机械工业出版社，2003，测控技术与仪器教学指导委员会推荐用书；2、《传感器原理及工程应用》，郁有文，主编，西安电子科技大学出版社，2003，教育部规划教材；3、《传感器与检测技术》，陈杰、黄鸿编著，高等教育出版社，2002，教育部规划教材；（少学时教材）4、《传感器原理及应用》，王化祥、张淑英编著，天津大学出版社，2003，教育部规划教材；5、《传感器与自动检测技术》，余成波、胡新宇、赵勇，高等教育出版，2004年6期刊杂志7传感器图片超声传感器电感传感器电容传感器红外温度传感器磁阻传感器热电偶气体成分传感器流量传感器8使用USB接口的测量硬件及IEEE1451.4TEDS智能传感器热敏电阻离子感烟器明火探测器传感器实验仪传感器实验装置9电子产品10第一章绪论主要内容重点难点重点：传感器定义、组成、分类和发展趋势；传感器的静态特性指标、相关计算；传感器的选用原则难点：改善传感器的性能的技术途径；最小二乘拟合和动态特性指标计算★传感器的基本概念★传感器的分类★传感器的特性与主要性能指标★应用传感器需遵循的原则与考虑的主要因素★传感器技术的发展11人体系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）感知外界信息大脑肌体第一节传感器的基本概念一、传感器的地位和作用12第一节传感器的基本概念13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。第一节传感器的基本概念14工业生产第一节传感器的基本概念15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第一节传感器的基本概念16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个专家说：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、记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）未来世界第一节传感器的基本概念17HumanwithSensors18传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。血压测定方法和输出的结果第一节传感器的基本概念19第一节传感器的基本概念■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。二、传感器的定义20■测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化的器件就是传感器。输入匹配放大变换被测信号输出检测器件信号处理广义传感器第一节传感器的基本概念21以上定义表明传感器有以下含义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。V、I、F、P22三、传感器的组成辅助电源敏感元件转换元件基本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23实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。由敏感元件和转换元件组成的传感器由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。由一个敏感元件组成的最简单的传感器质量快压电片24第二节传感器的分类物理型：化学型：利用电化学反应原理生物型：利用生物活性物质选择性结构型：取决于几何尺寸和形状物性型：取决于材料性质一、传感器的工作原理25第二节传感器的分类二、按被测量力学量、温度、磁学量、光学量、流量、湿度、浓度、气体成分等1、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号2、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器3、传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器4、按可变电参量：电阻型、电感型或电容型5、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)三、其他分类26定义：传感器特性：指输入x（被侧量）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第三节传感器的特性与主要性能指标一、传感器的静态特性与主要性能指标nnxaxaxaxaay33221027一、传感器的静态特性与主要性能指标1．测量范围和量程定义：传感器所能测量到的最小被侧量（输入）xmin与最大被侧量（输入）xmax之间的范围称为传感器的测量范围（measuringrange）,表示为（xmin，xmax）。传感器测量范围的上限值与下限值的代数和xmax－x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℃。282．灵敏度与灵敏度误差γs=(Δk/k)×100%由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即可见，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k是一常数，与输入量大小无关。K=Δy/Δx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29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。3．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和卡塞、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。30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。4．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+…+anxn31通常用相对误差γL表示：ΔLmax一最大非线性误差；yFS—量程输出。在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度一般来说，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。γL=±(ΔLmax/yFS)×100%①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合3233设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法min2112niiiniibkxy最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理：使为最小值，即Δi=yi-(kxi+b)对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式2i2i34即得到k和b的表达式022iiiixbkxyk0122bkxybiii22iiiiiixxnyxyxnk222iiiiiiixxnyxxyxb将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。355．迟滞0yx⊿HmaxyFS迟滞特性%100/2/1maxFSHHy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。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即366．稳定性稳定度指在规定时间内，测量条件不变的情况下，由传感器中随机性变动，周期性变动，漂移等引起输出值的变化。用精密度和观测时间长短表示。如，某传感器输出电压值每小时变化1.3mV，则其稳定度可表示为1.3mV／h。影响量指传感器由外界环境或工作条件变化引起输出值变化的量。它是由温度、湿度、气压、振动、电源电压及电源频率等一些外加环境影响所引起的。说明影响量时，必须将影响因素与输出值偏差同时表示。例如，某传感器由于电源变化10％而引起其输出值变化0.02mA，则应写成0.02mA／(U±10％U