传感技术-第一章-传感技术概述

1Chapter1传感技术概述§1－1传感器的定义•传感器是第1次产业革命以后发展起来的，是人体五官的延伸。•传感器是人体五官(sensory)的工程模拟，传感器的英文为sensor[东南大学，贾伯年]•何为传感器？21、传感器的定义sensornonelectricelectric三层含义：1)是一个测量装置；2)在规定的条件下能感受外界信息；3)按一定的规律转换成易于传输和处理的可用信号。传感器也称为变换器(tranducer)定义：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。②①③敏感元件sensingelement转换元件transducingelement包括：3传感器一般构成框图敏感元件nonelectricelectric传感元件信号处理电路辅助电源sensor42、传感技术涉及传感器原理、传感器设计和传感器开发应用的综合技术。传感技术以传感器为核心，与测量学、微电子学、材料学、信息处理技术和计算机技术相互结合而形成的一门新的综合、密集型技术。本课程以传感器原理及其应用为主5§1－2传感器的分类•Sensor是据某种规律或效应设计而成的测量装置，同一量有不同的测量方法（eg：T），而同一原理的sensor可测不同的量（eg：R），因此，有各种不同的分类方法。主要有：sensornonelectricelectric61、按输入量分物理量：力、热、磁、光、声化学量：浓度、化学反应速度、pH值生物量：活度、抗体、抗原72、按工作原理分：（1）物理原理电学式：R、L、C、电涡流、磁电式磁学式：磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管光电式：光敏管、亮度计、CCD电势型：热电偶、光电管、Hallsensor电荷式：压电、热释电半导体式：压阻、内光电、气敏、湿敏谐振式：f(张力)8（2）按电化学原理chemicalcomponent/concentration→electricsignal电位式极普式电解式93）按生物原理利用生物活性物质选择性的识别原理来测定生物物质的种类和含量enzymesensor(酶)microbial(微生物)cellsensor(细胞)bioelctrodesensor(生物电极)tissuesensor(组织）immunolsensor(免疫)10AnalogDigital3、其他方式直接转换型：热电偶、光电管间接转换型：应变片物性型：压电结构型：双金属片Energytransform(source)：Energycontrol(nosource)：转换方式工作方式能量传递输出信号1st11§1－3传感技术与新型敏感材料•用作sensor的敏感材料应具备的基本特性敏感性灵敏响应快检测范围宽精度高选择性好可靠性耐热耐腐蚀耐磨耐振动过载好加工性易成形尺寸稳定互换性好经济性成本低成品率高性价比高12•半导体材料（semiconductormaterials）electronenergylevel/structure•功能陶瓷材料（functionceramicmaterials）E/Mcharacteristics•有机功能材料（organicfunctionmaterials）E/Mcharacteristics•用作sensor的敏感材料主要有：13§1－4传感技术与自然规律•守恒定律•场的定律•物质定律•统计法则EnergyMomentumchargeF=ma=－d/dtF=-kxU=IR1st14§1－5传感技术的发展方向•高精度•高可靠性、长寿命新功能材料、材料的新功能（材料是基础）semiconductor，ceramic，organicfunctionmaterial，superconductor，etal•微型化、集成化•数字化•智能化•仿生15§1－6传感器的一般性能指标•传感器的特性静态特性动态特性•问题1：被测信号通常有哪2种形式？静态：强度不随时间变化或变化非常缓慢动态：强度随时间变化sensorxy1121001212.........nnmnnmnnmdydydxdxdxbbbccccdtdtdtdtdt2012...nnyaaxaxax16一、静态特性被测量处于稳态时的out－in关系y＝a0+a1x+a2X2+a3X3+••••是确定的关系•linearityisthebest.y＝a1x•否则要补偿（hardware，software）衡量sensors静态特性的指标有哪些？171、线性度y＝a0+a1x+a2X2+a3X3+••••••y－out，x－in，a0－constant（zero），a1－sensitivity（theory），a2，a3…..－nonlinearcoefficienta2，a3…..不大时，线性化处理(端点连线法、平均斜率法、过零旋转法、端点连线平移法、最小二乘法等)Nonlinearerror：L=±(Lmax/yFS)*100%LmaxyFSyLmaxyFSyxx182、灵敏度输入量发生一个单位变化时，输出量的变化。它反映输入量的敏感程度。k=y/x线性关系中，k就是直线的斜率（处处相等）。某种原因引起k变化k，将产生灵敏度误差：s=±(k/k)*100%193、迟滞/回差正反向行程的out－incurvesarenotoverlaped.由它带来的误差为迟滞误差或回差。L=±(Hmax/yFS)*100%产生的原因：1）机械部分的缺陷2）材料本身的特点HmaxyFSyx反程正程204、重复性输入量按同一方向作全量程多次测量时，所得曲线不重合的程度为r=±(Rmax/yFS)*100%r为随机误差用标准误差计算更合理r=±(3/yFS)*100%RmaxyFSyxQuestion：算标准差时，最少重复次数n＝？BasselFormula:21()1niiyyn215、分辨力分辨力是在规定的测量范围内所能检测到的被测量输入的最小变化量xmin。该值相对满量程输入值的百分数为分辨率分辨率=xmin/xFS6、阈值使传感器输出端产生可测变化量的输入量大小，即零位分辨力7、稳定性在室温下经长时间间隔后，其输出与起始标定时out－in特性之差异。可用相对或绝对误差表示。228、漂移在外界干扰（温度、湿度、电磁场、重力场）下，输出量与输入量不相关的变化。有：零点漂移时间漂移灵敏度漂移温度漂移9、精度传感器在全量程内任一点的输出值与理论值（～真值）之间的偏离程度。它是静态误差的综合指标，由线性、迟滞、重复性、灵敏度误差决定。2L2H2R2S2它一般由精度更高的仪表给出真值也可用标准差来表示：=±(3/yFS)*100%23二、动态特性静态特性反映输出－输入信号数量关系，误差分析很重要。动态特性用什么描述？1、表征方法数学处理－微分方程传递函数H(S)=Y(S)/X(S)作Laplace变换实验方法动态特性是传感器对随时间变化的输入信号的响应，是以输出信号去评估输入信号，以信号波形的不失真复现作为基础。1121001212.........nnmnnmnnmdydydxdxdxbbbccccdtdtdtdtdt242、频率响应输出信号与输入信号的比随频率的变化用传递函数H(j)表述：H(j)=Y(j)/X(j)＝|H(j)|ejH(j)12低通高通0.707宜作静态测试宜作动态测试幅频特性：|H(j)|－相频特性：－2nd253、时间响应•当输入信号为阶跃信号（或脉冲、斜坡）时，输出信号也是时间的函数，但输出与输入信号在形状上有差异。几个概念:1)响应时间—稳定值的某一百分比时所需时间2)时间常数－输出量达到63.2％所需时间，由sensor内部参数决定，愈小，响应曲线愈接近输入曲线，即响应快。3)上升时间t上—输出量由10％－90％所需时间。Xtt0t上100Y％9063.310tsensors26•在时域响应中，常常出现振荡现象•我们希望输出曲线再现输入曲线随时间的变化，实际上由于频率响应、时间响应导致两者的差异——失真过冲量欠阻尼过阻尼临界阻尼27传感器选择事项1、与测量条件有关的事项•测量目的•被测量•测量范围•过载频次•测量信号的带宽•测量精度•测量所需的时间282、与性能相关的事项•传感器精度•传感器稳定度•响应速度•模拟量还是数字量•输出量的数量级•负载能力•过载信号的保护293、与使用条件有关的事项•设置场所•环境条件（温度、湿度、振动等）•测量全过程所需的时间•传感器与其他设备的距离及其连接方式•传感器所需的功率容量4、与价格和维护有相关的事项•价格•交货日期•服务与维护制度•配件•包修期限30作业•何为传感器？何为传感技术？•传感器通常由哪几部分组成？•传感器的特性参数主要有哪些？静态特性包括哪些？•选用传感器时要注意哪些问题？2nd31Chapter2.Resistorsensorsandtheirapplication•R-sensors包括：电位器、电阻应变片、热电阻、热敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻、气湿敏电阻R-sensorsnonelectricelectric32补充：电位器传感器•1、结构：电阻体＋电刷•2、作用（在电路中的作用？）UiUo•3、种类：1）分压器：2）变阻器：000iiRxUUURl00xRRl线绕式非连续可变合成膜金属膜导电塑料导电玻璃xR/UoxR/Uoxlo连续可变334、负载特性•1）空载特性000iiRxUUURlUiUoRLRR0(RL＝？)•2）负载特性加负载RL后，输出电压U0如何变化？0LLRRUIRRL0r0KKLRRRR令——负载系数令——电位器的相对变化0iLLUIRRRRRR00200001iLLRURURRRRRRRR02K1rirrLLUUKKKK3402K1rirrLLUUKKKK02K1rrriLLUKKUKKKL0.1110Ef％5014.81.480KrU0/Ui355、应用•1）机械行程•2）液位36§2-1电阻应变片一、工作原理lrl+lr+rR+R=(+)(l+l)/(r+r)2R=l/r2R=(+)(l+l)/(r+r)－l/r2237R/R＝(1＋2)＋/1.Formetal:(1＋2)/R/R＝(1＋2)k0=1＋2(~2)=R/R＝k几何尺寸变化电阻率变化2.Forsemiconductor:(1＋2)/R/R＝/38二、金属应变片的结构1、基本结构（组成）敏感栅基底面胶（保护片）粘合剂引出导线敏感栅引出导线392、金属电阻应变片的种类1）金属丝电阻应变片用金属电阻丝（0.025mm，多为合金，eg:康铜Cu-40Ni、镍铬Ni-24Fe-16Cr）制成的敏感栅，本身的稳定性好，但有横向应变、粘贴面积小。2）合金箔式电阻应变片用厚为0.003～0.01mm金属箔(合金，同上)制成的敏感栅，栅形状多样、尺寸准确、横向应变小、粘贴面积大。3）金属薄膜式电阻应变片厚度极薄（～nm），灵敏，可在较宽的温度范围工作。材料多为灵敏系数更高的半金属，不易成丝或箔，可用真空镀膜。40三、金属电阻应变片的静态特性1、灵敏系数R/R＝kk＝(R/R)/2、横向效应和纵向效应R/R＝kxx+kyy＝kx(1+aH)xa=y/x＝-0双向应变比H=ky/kx横向效应系数R/R＝kx(1-0H)x＝kxKkx即：灵敏度下降413、机械滞后敏感栅与弹性体间滑移（热、过载）引起加载和卸载曲线不重合。4、零点漂移和蠕变零点漂移：恒温、不承载下，R－t变化蠕变：恒温、恒载下，指示应变量随时间单向变化的特性，制作时内应力和使用时剪切力，一般与测量变化相反5、标称电阻R0（300、500）绝