第一章 传感器技术基础

传感器与检测技术周乐挺主编高等教育出版社人可以通过五官感受外界的信息，那么各种仪器装置是怎样感受外界信息的呢？电子秤-力传感器光电池火灾烟雾报警器指纹识别器电阻式远传压力表感应式流量表称重传感器CCD传感器压阻式液位传感器光敏传感器温度传感器温度传感器风力参数传感器地震检波器超声传感器反射式光敏传感器车速传感器•学习目标掌握传感器的定义组成和作用；了解传感器的分类；了解传感器的发展趋势；了解检测技术的含义；了解传感器的动态特性和静态特性；掌握传感器的技术指标。第一章传感器技术基础第一节传感器简介传感器来自“感觉”一词。传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。它模拟人“五官”的作用，将外界刺激信号转化为能传递的信号。传感器是获取信息的主要途径与手段。可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、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。Vi=5V输出测什么转速感受部件开关如何获取被测量轴转一圈，开关闭合一次如何得到电信号开关状态—电压状态结论转速—电压2、通过电路图分析传感器的工作原理？测什么液位感受部件小球如何获取被测量液位高低—小球高低如何转换小球高低—指针滑动—电阻变化结论液位—电阻—电压如何得到电信号电阻变化—电压变化输出Vi=5V传感器是一种能够以一定的精度感受规定的被测量并按照一定规律转换成便于输出信号的测量装置。根据定义，分析并判断一个装置是否是传感器，必须符合哪些条件？①传感器是测量装置，能完成检测任务；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输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。定义：一、传感器的定义生活中还有哪些装置属于传感器？理由？讨论：二、传感器的作用通过对以上传感器检测信号过程的分析，再结合大家所列举的那些传感器，它们有两个相同的作用，大家能说出来吗？（1）信息的采集即：一感二传（2）信息数据的转换人的五官的作用？测量液位小球的作用？电阻的作用？三、传感器的组成敏感元件转换元件转换电路辅助电源被测量电量Vi=5V输出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。辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量一、按工作原理：电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式、光电式、热电偶式等传感器。二、按被测量（用途）：位移、力、速度、温度、气体等传感器。三、按输出信号：开关型、模拟式、数字式传感器。四、按使用电源与否：有源传感器和无源传感器。第二节传感器的分类第三节传感器的发展趋势•传感技术的主要发展动向：•（1）基础研究：寻找新原理、新材料、新工艺及新功能；•（2）实现传感器的集成化和智能化。发现新现象开发新材料新工艺的采用研究多功能集成传感器智能化传感器新一代航天传感器仿生传感器1、发现新现象•利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基础，所以发现新现象与新效应是发展传感器的重要工作，是研制新型传感器的重要基础。例如：日本夏普公司利用超导技术研制的高温超导磁传感器，可用于磁成像技术。传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。2．开发新材料（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。3．新工艺的采用例如：利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器；日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。4．研究多功能集成化传感器同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功；日本丰田研发出同时检测Na+、K+、H+等多离子传感器。5．智能化是一种带有微处理器的传感器。对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。如美国霍尼尔公司的ST-3000型智能传感器，其芯片尺寸为3*4*2mm，在同一芯片上制作CPU,EPROM和静压、压差、温度三种敏感元件。6、新一代航天传感器•在航天器的各大系统中，传感器对各种信息参数的检测，保证了航天器按预定程序正常工作，起着极为重要的作用。随着航天技术的发展，需要的传感器越来越多。如：航天飞机上安装3500个左右，对其性能指标都有严格的要求，如：小型化，低功耗，高精度，高可靠性等具体指标。•由于一个燃料传感器被查出故障，美国宇航局紧急推迟了“发现”号航天飞机的发射，传感器专家张开逊这样说：“设置于‘发现’号上的传感器是航天飞机的‘感觉器官’。据知，安装在‘发现’号两侧机翼上的传感器就有88个，66个是压力传感器，22个是温度传感器”。7、仿生传感器•在机器人技术向智能化高级机器人发展的今天，仿生传感器的研究应该给予高度重视。仿生传感器就是模仿人的感觉器官的传感器，即视觉，听觉，嗅觉，味觉，触觉传感器等。目前只有视觉和触觉传感器解决的比较好。仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术。在仿生传感器中，比较常用的是生体模拟的传感器。作业•查找关于传感器的一些实例资料。比如：生活中传感器的应用；新型传感器的研发情况；关于传感器新的应用领域；传感器新的发展趋势等等。第四节检测技术一、什么是检测技术人们为了了解实验进展，生产过程中的情况，即为了对自然现象能够进行定性了解或定量掌握的一系列技术措施。定性了解：例如生产设备外壳是否带电？定量掌握：例如工业熔炉内的深度是多少？技术措施：例如现场信号获取，信号的转换、放大、处理、传输以及显示等各项技术措施。二、检测技术的应用检测技术在科学实验、生产活动以及各社会活动中得到广泛应用。例：1）产品检验，是产品质量控制的重要手段。2）大型机器设备的安全运行检测。3）自动控制、自动检测系统、自动化装置中不可缺少的组成部分。4）完善检测技术，推动现代科学技术的不断进步。检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。三、检测技术的重要性四、检测系统的组成被测量（非电量）传感器测量电路传感信号显示电路电量电源五、电量测量方法的特点前面我们了解到一般被测量（非电量）最终通过各种电子技术式电子测量手段将其转换成易于接受、显示、传输、利用的电量，其优点在于以下几个方面：（1）能连续自动对被测量进行测量、记录；（2）电子装置精度好、响应快、能测量各种静态、动态、瞬态信号；（3）电信号便于远传，便于集中检查或控制；（4）能方便地改变电子装置的量程范围，零点值；（5）能方便与计算机连接，形成完善的计算机系统。•传感器的基本特性即输出——输入特性，通常用传感器的静态特性和动态特性来描述。•一、静态特性•定义：被测量的数值处于稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。•技术指标：灵敏度、线性度、迟滞、重复性。第五节传感器的特性及主要技术指标1．灵敏度可见，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是个常数，与输入量大小无关。传感器在稳态标准条件下，输出的变化量y与引起该变化量的输入变化量x之比即为灵敏度，其表达式为dyKdx输出量的变化量输入量的变化量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；各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn通常用γL表示：γL=±(ΔLmax/YFS)×100%γL：线性度（非线性误差）；ΔLmax：最大非线性绝对误差；YFS：输出满度值。在采用直线拟合线性化时，输出输入的实际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。对传感器的输出-输入特性曲线线性化的方法称为直线拟合法。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。其中，用最小二乘法求取的拟合直线的精度最高。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3．迟滞0yx⊿HmaxyFS迟滞特性△Hmax—正反行程间输出的最大差值。产生迟滞现象的原因主要是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如：摩擦，间隙，紧固件的松动。在相同工作条件下，传感器正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出-输入曲线不重合程度称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。4．重复性yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重复性是指传感器在输入量按同一方向（增加或减少）变化时，在全量程内连续进行重复测量所得到的输出-输入特性曲线不一致的程度。产生不一致的原因与产生迟滞现象的原因相同。曲线越重合，说明该传感器的重复性越好，使用误差越小。△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。•二、动态特性•定义：传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。•静态与动态区别：•静态：被测量不随时间变化，测量和记录不受时间的限制。•动态：输出随时间的变化规律，是时间的函数。•研究方法：阶跃响应法（