传感器原理及应用-第2章

物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》传感器原理及应用PrinciplesandApplicationsofSensors主讲：王殿生教授物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第二章作业教材（第二版）39-40页：2-4，2-5教材（第三版）38-39页：2-4，2-5物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第二章传感器技术基础§2.1传感器的定义、组成和分类传感器的定义传感器的组成传感器的图形符号传感器的分类传感器的物理定律§2.2传感器的基本特性传感器的静态特性传感器的动态特性§2.3传感器的定标与校准定标与校准的概念定标的基本方法定标系统的组成§2.4传感器的选用原则与测量条件有关的因素与传感器有关的技术指标与使用环境有关的因素与购买和维修有关的因素物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》国家标准（GB7665-87）中传感器的定义：传感器：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，物理量、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、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出与输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、换能器、探测器传感器功用：一感二传，即感受被测信息，并传送出去。一、传感器的定义（Transducer/Sensor）§2.1传感器的定义、组成和分类非电量电测技术工业测量标准输出信号能量转换转换效率物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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：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，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。二、传感器的组成§2.1传感器的定义、组成和分类物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量二、传感器的组成§2.1传感器的定义、组成和分类测量压力的电位器式压力传感器的组成物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》（1）敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。二、传感器的组成§2.1传感器的定义、组成和分类弹性敏感元件物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》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。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，感受被测量时直接输出电量，如热电偶。二、传感器的组成（2）转换元件§2.1传感器的定义、组成和分类T’①②BAT热电偶物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。例如：压电式加速度传感器，质量块是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。二、传感器的组成——（2）转换元件§2.1传感器的定义、组成和分类压电式加速度传感器物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》敏感元件辅助电路转换元件被测非电量有用非电量有用电量基本转换电路电量二、传感器的组成——（2）转换元件§2.1传感器的定义、组成和分类弹性体极板支架绝缘材料定极板动极板被测非电量：外界压力敏感元件：弹性体有用非电量：极板间距变化传感元件：平行板电容器有用电量：电容量C大吨位电容式称重传感器物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》敏感元件辅助电路转换元件被测非电量有用非电量有用电量基本转换电路电量二、传感器的组成（3）转换电路§2.1传感器的定义、组成和分类转换电路是传感器的主要组成环节：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。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》国标GB/T14479-93规定传感器图用图形符号表示方法：三、传感器的图形符号§2.1传感器的定义、组成和分类YX正方形表示转换元件;三角形表示敏感元件；X—被测量符号，Y—转换原理。电容式压力传感器压电式加速度传感器电位器式压力传感器几个典型传感器的图用图形符号ＰaP物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》1、按工作机理：物理型、化学型、生物型等2、按构成原理：结构型与物性型两大类3、根据能量转换：能量控制型和能量转换型传感器4、按照物理原理分类：十种5、按照用途分类：位移、压力、振动、温度等传感器7、根据输出信号：模拟信号和数字信号6、根据转换过程可逆与否：单向和双向8、根据是否使用电源：有源传感器和无源传感器四、传感器的分类§2.1传感器的定义、组成和分类物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》结构型传感器利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点：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，而不是以材料特性变化为基础。四、传感器的分类§2.1传感器的定义、组成和分类各种弹性敏感元件传感器物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》物性型传感器利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。物性型传感器的性能随材料的不同而异。如光电管，利用了物质法则中的外光电效应，特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如所有半导体传感器、所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。四、传感器的分类§2.1传感器的定义、组成和分类半导体气体传感器物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》能量控制型传感器在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号。这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、外光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。四、传感器的分类§2.1传感器的定义、组成和分类霍尔传感器物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》能量转换型传感器能量转换型传感器，又称有源型或发生器型传感器。传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、内光电效应等的传感器都属于此类传感器。四、传感器的分类§2.1传感器的定义、组成和分类光电传感器物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》按照物理原理分类：★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；★光电式传感器：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；★气电式传感器：电位器式、应变式；四、传感器的分类§2.1传感器的定义、组成和分类★热电式传感器：热电偶、热电阻；★波式传感器：超声波式、微波式等；★射线式传感器：热辐射式、γ射线式；★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式，如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》五、传感器的物理定律§2.1传感器的定义、组成和分类1、守恒定律物理量随着空间和时间的移动，其总量保持不变。能量守恒、动量守恒、电荷守恒，等等。传感器与被测量之间能量转换时必须遵循守恒定律。2、统计法则运动的微观世界与宏观世界相结合的定律。如：热力学第二定律，奈奎斯特（Nyquist）定理，等。常和传感器的工作状态有关。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》五、传感器的物理定律§2.1传感器的定义、组成和分类3、场的定律描述电磁场、物质场、重力场等在空间和时间上的变换规律。物理方程变换为传感器工作的数学模型。静电场：电容式传感器；电磁感应：电感式传感器。结构型传感器：利用场的定律构成的传感器。4、物质定律关于各种物质内在客观性质的定律。虎克定律、欧姆定律，等等。半导体物质法则：压敏、热敏、光敏、湿敏。物性型传感器：基于物质定律构成的传感器。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第二章传感器技术基础§2.1传感器的定义、组成和分类传感器的定义传感器的组成传感器的图形符号传感器的分类传感器的物理定律§2.2传感器的基本特性传感器的静态特性传感器的动态特性§2.3传感器的定标与校准定标与校准的概念定标的基本方法定标系统的组成§2.4传感器的选用原则与测量条件有关的因素与传感器有关的技术指标与使用环境有关的因素与购买和维修有关的因素物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》传感器特性：主要是指输出与输入之间的关系。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。动态特性：当输入量随时间较快地变化时，输出与输入之间关系称为动态特性。静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入之间关系称为静态特性。§2.2传感器的基本特性快变信号考虑输出的动态特性,即随时间变化的特性；慢变信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程，将使问题复杂化。为讨论问题简便，一般分开考虑静态特性和动态特性。传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入互相作用大致如图所示。传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。§2.2传感器的基本特性物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》冲击与振动传感器输入与输出相互作用稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响输出取决于传感器本身，通过传感器本身的改善来加以抑制，也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标§2.2传感器的基本特性物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》静态特性曲线可实际测量。在测得特性曲线之后，可以说问题已经解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望是线性关系。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。一般来说，这些办法都比较复杂。一、传感器的静态特性1、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，静态特性数学模型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§2.2传感器的基本特性物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》一、传感器的静态特性1、线性度§2.2传感器的基本特性......55331xaxaxay......4422xaxayxay1nnxaxaxaay......2210特性曲线:一些特性曲线的具