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现代传感器技术概述

发布日期:2021-01-07 04:10

  传感器原理传感器原理 授课教师:彭杰纲授课教师:彭杰纲 课时:课时:64 64学时,课堂 学时,课堂56 56,实验 ,实验88 教材:教材: 传感器原理及应用,王雪文传感器原理及应用,王雪文张张 志勇,北京航空航天大学出版,北京航空航天大学出版 社社,,2004 2004年年03 03月月 传感器原理、设计与应用传感器原理、设计与应用,刘 迎春迎春, 叶湘滨,国防科技大学出叶湘滨,国防科技大学出 版社,20022002(第 (第44版) 一、传感器的定义二、传感器的分类 三、传感器基础知识 四、传感器的标定 五、现代传感器的发展 传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节 传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容 航空航空, ,航天 航天,,航海 航海 机器人技术机器人技术 生物医学和医疗器械生物医学和医疗器械 民用设施民用设施 汽车工业汽车工业 一、传感器的定义 11 传感器是换能器的一传感器是换能器的一 种种,,换能器 换能器 ((transducer) transducer)是将能 是将能 量从一种形式转换为 量从一种形式转换为 另一种形式的装臵。 另一种形式的装臵。 换能器包括传感器和 换能器包括传感器和 执行器两方面含义。 执行器两方面含义。 图图11--11表示的是 表示的是::传感 传感 器与执行器系统的基 器与执行器系统的基 本组成 本组成 传感器及 执行器结构 传感器及 执行器结构 控制和电路 集成处理 电源和管理 IO通道和协 图1-122 广义地可以把传感器归结为一种能感受外界信息广义地可以把传感器归结为一种能感受外界信息 (力,热、声、光、磁、气体、化学、生物、湿度 (力,热、声、光、磁、气体、化学、生物、湿度 等),贵州快3。并按一定的规律将其转换成易处理的电信号 等),并按一定的规律将其转换成易处理的电信号 根据中华人民共和国标准(根据中华人民共和国标准(GB7665 GB7665--87 87),传感器 ),传感器 ((Transducer/Sensor) Transducer/Sensor)的定义是:能感受规定的被 的定义是:能感受规定的被 测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或 测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装臵。通常传感器由敏感元件和转换元件组成,其 装臵。通常传感器由敏感元件和转换元件组成,其 中敏感元件( 中敏感元件(sensing clement) sensing clement)是指传感器中能直 是指传感器中能直 接感受被测量的部分,转换元件( 接感受被测量的部分,转换元件(Transduction Transduction element element)是指传感器中能将敏感元件输出量转换为 )是指传感器中能将敏感元件输出量转换为 适于传输和测量的电信号部分。 适于传输和测量的电信号部分。 二、传感器的分类 11 11、按工作机理分类、按工作机理分类 结构型传感器结构型传感器 是按物理学中场的定律定义的,这些定律包括是按物理学中场的定律定义的,这些定律包括 动力场的运动定律,电磁场的电磁定律等。这 动力场的运动定律,电磁场的电磁定律等。这 些定律一般是以方程式给出的,所以这些方程 些定律一般是以方程式给出的,所以这些方程 式也就是许多传感器工作时的数学模型。其特 式也就是许多传感器工作时的数学模型。其特 点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对 点是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 位置变化引起场的变化为基础,而不是以材料 特性的变化为基础。 特性的变化为基础。 物性型传感器物性型传感器 物性型传感器是按照物质物性型传感器是按照物质 定律定义的,如胡克定律、 定律定义的,如胡克定律、 欧姆定律等。由于物质定 欧姆定律等。由于物质定 律是表示物质某种客观性 律是表示物质某种客观性 质的法则,因此物性型传 质的法则,因此物性型传 感器的性能随着材料的性 感器的性能随着材料的性 质不同而异。例如:光电 质不同而异。例如:光电 管就是物性型传感器,它 管就是物性型传感器,它 按照物质法则中的外光电 按照物质法则中的外光电 效应,其特性与电极涂层 效应,其特性与电极涂层 材料的性质密切相关。 材料的性质密切相关。 复台型传感器复台型传感器 由结构型和物性型由结构型和物性型 组合而成、兼有两 组合而成、兼有两 者待征的传感器, 者待征的传感器, 称为复合型传感器。 称为复合型传感器。 22 22、从电路供电方式来分,、从电路供电方式来分, 可分为: 可分为: 无源传感器无源传感器 无源传感器也叫能量转换无源传感器也叫能量转换 型传感器,主要由能量变 型传感器,主要由能量变 换元件构成,它不需要外 换元件构成,它不需要外 部电源。如基于压电效应、 部电源。如基于压电效应、 热电效应、光电动势效应 热电效应、光电动势效应 构成的传感器都属于无源 构成的传感器都属于无源 传感器。 传感器。 •有源传感器 •有源传感器也叫能量控 制型传感器,在信息变 化过程中,其能量需要 外部电源供给。如电阻、 电容、电感等电路参量 传感器和基于应变电阻 效应、磁阻效应、热阻 效应、光电效应、霍尔 效应等的传感器均属于 有源传感器。 电参量式传感器:电阻式、电感式、电容式传感器。电参量式传感器:电阻式、电感式、电容式传感器。 磁电式传感器:磁电感应式、霍尔式、磁栅式传感器。磁电式传感器:磁电感应式、霍尔式、磁栅式传感器。 压电式传感器:压电式力传感器,压电式加速度传感器,压压电式传感器:压电式力传感器,压电式加速度传感器,压 电式压力传感器。 电式压力传感器。 光电式传感器:红外式、光电式传感器:红外式、CCD CCD摄像式、光纤式、激光式传感 摄像式、光纤式、激光式传感 气电式传感器:半导体气体传感器,集成复合型气体传感器。气电式传感器:半导体气体传感器,集成复合型气体传感器。 热电式传感器:热电偶等。热电式传感器:热电偶等。 波式传感器:超声波式、微波式传感器。波式传感器:超声波式、微波式传感器。 射线式传感器:核辐射物位计,厚度计,密度计等。射线式传感器:核辐射物位计,厚度计,密度计等。 半导体式传感器:半导体温度传感器,半导体湿度传感器等。半导体式传感器:半导体温度传感器,半导体湿度传感器等。 其他原理的传感器。其他原理的传感器。 温度传感器;光敏传感器;力敏传感器;温度传感器;光敏传感器;力敏传感器; 磁敏传感器;气体传感器;湿度传感器磁敏传感器;气体传感器;湿度传感器 声敏传感器;流量传感器;生物传感器声敏传感器;流量传感器;生物传感器 其它传感器等其它传感器等 33、按人类的感觉功能进行分类:、按人类的感觉功能进行分类: 视觉,听觉,嗅觉,味觉,触觉五类传感器 视觉,听觉,嗅觉,味觉,触觉五类传感器 44、按制备传感器材料进行分类:、按制备传感器材料进行分类: 半导体,金属,陶瓷,光纤,高分子,生物 半导体,金属,陶瓷,光纤,高分子,生物 三、传感器基础知识 11 传感器的基本特性传感器的基本特性 传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间关 传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间关 系的特性,即输出 系的特性,即输出——输入特性 输入特性,,分为静态特性和动态 分为静态特性和动态 特性。 特性。 如果把传感器看作二端口网络 如果把传感器看作二端口网络, 即有两个输入端和即有两个输入端和 两个输出端 两个输出端, 那么传感器的输出那么传感器的输出--输入特性是与其内 输入特性是与其内 部结构参数有关的外部特性。 部结构参数有关的外部特性。 3.1、传感器静态特性 静态特性:指对于静态的输入信号,传感器 静态特性:指对于静态的输入信号,传感器 的输入量与输出量之间所具有的相互关系。此 的输入量与输出量之间所具有的相互关系。此 时的输入信号与时间无关,输出量与时间无关, 时的输入信号与时间无关,输出量与时间无关, 输出与输入之间的关系可用一个不含时间的方 输出与输入之间的关系可用一个不含时间的方 程来表示: 程来表示: 线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近的一个性能指标,线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近的一个性能指标, 静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中 静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中, 为了标定和为了标定和 数据处理的方便 数据处理的方便, 希望得到线性关系希望得到线性关系, 因此引入各种非线性补因此引入各种非线性补 偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理 偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理, 从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。 但如果传 但如果传 感器非线性的方次不高 感器非线性的方次不高,,输入量变化范围较小时 输入量变化范围较小时, 可用一条直线可用一条直线 (切线或割线)近似地代表实际曲线的一段。所采用的直线称 (切线或割线)近似地代表实际曲线的一段。所采用的直线称 为拟合直线。 为拟合直线。 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器 的非线性误差(或线性度) 的非线性误差(或线性度), 通常用相对误差表示通常用相对误差表示, LLmax max—— 实际曲线和拟合直线间的最大偏差实际曲线和拟合直线间的最大偏差 YY FS FS—— 满量程输出满量程输出 100max 图11--22几种直线拟合方法 几种直线拟合方法 理论拟合;理论拟合; 过零旋转拟合;过零旋转拟合; 端点连线拟合;端点连线拟合; 端点平移拟合端点平移拟合 从图1-2中可见, 即使是同类传感 其线性度也是不同的。 取拟合直线的方法很多。不同拟 合方式得到的结 果不相同,在实 践中应选择使用。 图图aa中,中,理论拟合 理论拟合拟合直线为传感器的理论特性,与实 拟合直线为传感器的理论特性,与实 际测试值无关。该方法十分简单,但一般说 际测试值无关。该方法十分简单,但一般说Lmax Lmax较较 b为为过零旋转拟合过零旋转拟合,常用于曲线过零的传感器。拟合 ,常用于曲线过零的传感器。拟合 ,这种方法也比较简单,非,这种方法也比较简单,非 线性误差比前一种小很多。 线性误差比前一种小很多。 中,端点连线拟合端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟 把输出曲线两端点的连线作为拟 合直线。这种方法比较简便,但 合直线。这种方法比较简便,但Lmax Lmax也较大。 也较大。 图图dd端点平移拟合端点平移拟合中在图 中在图cc基础上使直线平移,移动距 基础上使直线平移,移动距 离为原先 离为原先Lmax Lmax的一半,这样输出曲线分布于拟合直 的一半,这样输出曲线分布于拟合直 线的两侧, 线的两侧, ,与图cc相比,非线性相比,非线性 误差减小一半,提高了精度。 误差减小一半,提高了精度。 每一个传感器都有一定的测量范围,如果 每一个传感器都有一定的测量范围,如果 在超过了这个范围进行测量时,会带来很大 在超过了这个范围进行测量时,会带来很大 的测量误差,甚至于将其损坏。一般测量范 的测量误差,甚至于将其损坏。一般测量范 围确定在一定的线性区域或者保证一定寿命 围确定在一定的线性区域或者保证一定寿命 的范围内。在实际应用时,所选择传感器的 的范围内。在实际应用时,所选择传感器的 测量范围应大于实际的测量范围,以保证测 测量范围应大于实际的测量范围,以保证测 量的准确性和延长传感器及其电路的寿命 量的准确性和延长传感器及其电路的寿命 迟滞 迟滞 将在相同工作条件下进行全测量范 将在相同工作条件下进行全测量范 围测量时正行程和反行程输出的不 围测量时正行程和反行程输出的不 重合程度称为迟滞或滞后。传感器 重合程度称为迟滞或滞后。传感器 的正反行程输出信号大小不相等。 的正反行程输出信号大小不相等。 产生这种现象的主要原因是由于传 产生这种现象的主要原因是由于传 感器敏感元件材料的物理性质和机 感器敏感元件材料的物理性质和机 械零部件的缺陷所造成的 械零部件的缺陷所造成的, 例如弹例如弹 性敏感元件的弹性滞后、运动部件 性敏感元件的弹性滞后、运动部件 摩擦、传动机构的间隙、紧固件松 摩擦、传动机构的间隙、紧固件松 动等。迟滞大小通常由实验确定。 动等。迟滞大小通常由实验确定。 YY FS FS—— 满量程输出满量程输出 HHMAX MAX—— 正反量程最大输出偏差正反量程最大输出偏差 100max 图1-3迟滞特性 重复性 重复性 用于描述在同一工作条件下输 用于描述在同一工作条件下输 入量按同一方向在全量程范围 入量按同一方向在全量程范围 内连续多次重复测量所得特性 内连续多次重复测量所得特性 曲线的不一致性(波动性) 曲线的不一致性(波动性) RR max max 是正反量程最大重复性偏 是正反量程最大重复性偏 或用同一输入量或用同一输入量NN次测量的标准 次测量的标准 偏差 偏差δδ与满量程的百分比表示。 与满量程的百分比表示。 100max 图1-4重复特性 灵敏度 灵敏度 用传感器在稳定工作时的输出量变化( 用传感器在稳定工作时的输出量变化(Y) Y)对输入量( 对输入量(X) 比值:对于线性传感器比值:对于线性传感器, 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率它的灵敏度就是它的静态特性的斜率, Δx为常数为常数, 而非线性传感器的灵敏度为一变量而非线性传感器的灵敏度为一变量, S=dydy//dx dx表示。传感器的灵敏度如图 表示。传感器的灵敏度如图 所示 所示 dX dY 图1-5灵敏度 描述传感器可以感受到的被测量最小变化的 描述传感器可以感受到的被测量最小变化的 能力。一般各个输入点能分辨的范围不同,人 能力。一般各个输入点能分辨的范围不同,人 们将用满量程中使输出阶跃变化的输入量中最 们将用满量程中使输出阶跃变化的输入量中最 大的可分辨范围作为衡量指标。 大的可分辨范围作为衡量指标。 在传感器零点附近的分辨力称为 在传感器零点附近的分辨力称为閾閾值值 图1-6 分辨力 温度稳定性温度稳定性 一般用温度系数来描述温度引起的这个误差,表示为: 一般用温度系数来描述温度引起的这个误差,表示为: 22分别为温度 分别为温度TT 11 22时的输出值, 22--TT 11 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输 入量的响应特性。当传感器的输入量随时间变化 入量的响应特性。当传感器的输入量随时间变化 时,其输出量的响应特性就是动态特性。当被测 时,其输出量的响应特性就是动态特性。当被测 量随时间变化 量随时间变化,,是时间的函数时 是时间的函数时, 则传感器的输出则传感器的输出 量也是时间的函数 量也是时间的函数,,其间的关系要用动特性来表示。 其间的关系要用动特性来表示。 一个动态特性好的传感器 一个动态特性好的传感器, 其输出将再现输入量其输出将再现输入量 的变化规律 的变化规律, 即具有相同的时间函数。实际上除即具有相同的时间函数。实际上除 了具有理想的比例特性外 了具有理想的比例特性外, 输出信号将不会与输输出信号将不会与输 入信号具有相同的时间函数 入信号具有相同的时间函数,,这种输出与输入间的 这种输出与输入间的 差异就是所谓的动态误差。 差异就是所谓的动态误差。 为了说明传感器的动态特性, 下面简要介绍动态 测温的问题。 在被测温度随时间变化或传感器 突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量 某温度场的温度分布等情况下, 都存在动态测温 问题。如把一支热电偶从温度为t 环境中迅速插入一个温度为t的恒温水槽中(插入时间忽 略不计), 这时热电偶测量的介质温度从t 突然上升到t, 而热电偶反映出来的温度从t 变化到t需要经历一段时间, 即有一段过渡过程, 如图 所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。 图1-7 动态测温 造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为温 度传感器有热惯性(由传感器的比热容和质量大小决定)和 传热热阻, 使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介 质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶 大得多。 这种热惯性是热电偶固有的, 这种热惯性决定了热 电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。影响动态特性的 “固有因素”任何传感器都有, 只不过它们的表现形式和作 用程度不同而已。 动态特性除了与传感器的固有因素有关之 还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动特性时, 通常是根据不同输入变化规律来考察传 感器的响应的。 传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传 感器的动态特性时,有时需要从时域中对 感器的动态特性时,有时需要从时域中对 传感器的响应和过渡过程进行分析。这种 传感器的响应和过渡过程进行分析。这种 分析方法是时域分析法,传感器对所加激 分析方法是时域分析法,传感器对所加激 励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号 励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号 有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下 有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下 面以传感器的单位阶跃响应来分析传感器 面以传感器的单位阶跃响应来分析传感器 的动态性能指标。 的动态性能指标。 阶跃响应 阶跃响应 当输入为阶跃函数时,则传 当输入为阶跃函数时,则传 感器的响应函数 感器的响应函数Y(t) Y(t)分为两 分为两 个响应过程,一个是从初始 个响应过程,一个是从初始 状态到接近终态之间的过程, 状态到接近终态之间的过程, 即动态过程(又称为过渡过 即动态过程(又称为过渡过 程),tt趋于无穷时,输出趋于无穷时,输出 基本稳定,称为稳态过程。 基本稳定,称为稳态过程。 如图所示。 如图所示。 图1-8 阶跃输入与响应 一阶传感器 瞬态响应特性 传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时, 有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这 种分析方法是时域分析法, 传感器对所加激励信号响应称瞬 态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。 下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。 一阶传感器的单位阶跃响应在工程上, 一般将下式: y(t)分别为传感器的输入量和输出量,均是时间的函数,表征传感器的时间常数, 具有时间“秒”的量纲。 对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号 相应的响应曲线所示。由图可见, 传感器存在惯性, 它的输出不能立即复现输入信号, 而是从零开始, 按指数规 律上升, 最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无 穷大时才达到稳态值, 但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值 的98.2%, 可以认为已达到稳态。τ越小, 响应曲线越接近于 输入阶跃曲线, 因此, τ值是一阶传感器重要的性能参数。 图1-9一阶传感器单位阶跃响应 二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应的通式为 ——传感器的固有频率;ξ——传感器的阻尼比。 从图1-10,二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比ξ和固有频率ωn。固有频率ωn由传感器主要结 构参数所决定, ωn越高, 传感器的响应越快。当ωn为常数 传感器的响应取决于阻尼比ξ。图1-10为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。 阻尼比ξ直接影响超调量和振荡次数。 100%,产生等幅振荡, 达不到 稳态。

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