傳感器概述資料

1、第,1,章,傳感器概述,1.1,自動測控系統(tǒng)與傳感器,1.2,傳感器分類,1.3,傳感器性能指標(biāo),1.4,實(shí)訓(xùn),1.1,自動測控系統(tǒng)與傳感器,世界是由物質(zhì)組成的，表征物質(zhì)特性或,其運(yùn)動形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性,可分為電量和非電量兩類,非電量不能直接使用一般電工儀表和電,子儀器測量，非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有,一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn),換技術(shù)的器件叫傳感器,自動檢測和自動控制系統(tǒng)處理的大,都是電量,需通過傳感器對通常是非電,量的原始信息進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn),換為電量,1.1.1,自動測控系統(tǒng),自動檢測和自動控制技術(shù)是人們對事,物的規(guī)律進(jìn)行定性了解和定量掌握以及預(yù),期效果控

2、制所從事的一系列的技術(shù)措施,自動測控系統(tǒng)是完成這一系列技術(shù),措施之一的裝置，它是檢測和控制器與,研究對象的總和,通常可分為開環(huán)與閉環(huán)兩種自動測,控系統(tǒng),測量電路,傳感器,電源,指示儀,記錄儀,伺服控制,圖,1-1,開環(huán)自動測控系統(tǒng)框圖,被測量,調(diào)節(jié)元件,給定元件,信息處理,檢測電路,執(zhí)行元件,傳感器,對象,輸出,顯示,記錄,圖,1-2,閉環(huán)自動測控系統(tǒng)框圖,一個(gè)完整的自動測控系統(tǒng)，一,般由傳感器、測量電路、顯示記錄,裝置或調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分,組成,1.1.2,傳感器,傳感器的定義是：能感受規(guī)定的,被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用,輸出信號的器件或裝置，通常由敏感,元件和轉(zhuǎn)換元件組成,敏感

3、元件是指傳感器中能直接感,受或響應(yīng)被測量的部分,轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感,元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于,傳輸或測量的電信號的部分,敏感元件,轉(zhuǎn)換元件,輔助電源,接口電路,圖,1-3,傳感器組成框圖,非電物,理量,電信號,壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光,電器件等是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩者合,二為一的傳感器,傳感器轉(zhuǎn)換能量的理論基礎(chǔ)都是利,用物理學(xué)、化學(xué)學(xué)、生物學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng),來進(jìn)行能量形式的變換,被測量和它們之間的能量的相互轉(zhuǎn),換是各種各樣的,機(jī)械能,光能,電,磁,能,化,學(xué),能,熱能,圖,1-4,傳感器的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,傳感器技術(shù)就是掌握和完善這些,轉(zhuǎn)換的方法和手段,是涉及,傳感器能量轉(zhuǎn)換原

4、理,傳感器材料選取與制造,傳感器器件設(shè)計(jì),傳感器開發(fā)和應(yīng)用等多項(xiàng)綜合技術(shù),1.2,傳感器分類,傳感器有許多分類方法，但常,用的分類方法有兩種,一種是按被測輸入量來分,另一種是按傳感器的工作原理來,分,1.2.1,按被測量分類,這一種方法是根據(jù)被測量的性質(zhì),進(jìn)行分類，如,溫度傳感器、濕度傳感器,壓力傳感器、位移傳感器,流量傳感器、液位傳感器,力傳感器、加速度傳感器,轉(zhuǎn)矩傳感器等,這種分類方法把種類繁多的被測量分為,基本被測量和派生被測量兩類,例如力可視為基本被測量，從力可派,生出壓力、重量、應(yīng)力、力矩等派生被測,量,當(dāng)需要測量這些被測量時(shí)，只要采用,力傳感器就可以了,基本被測量和派生被測量見表,

5、1-1,表,1-1,基本被測量和派生被測量,基本被測量,派生被測量,位,移,線位移,長度、厚度、應(yīng)變、振動、磨損、不平度,角位移,旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動,速,度,線速度,速度、振動、流量、動量,角速度,轉(zhuǎn)速、角振動,加速度,線加速度,振動、沖擊、質(zhì)量,角加速度,角振動、扭矩、轉(zhuǎn)動慣量,力,壓,力,重量、應(yīng)力、力矩,時(shí),間,頻,率,周期、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布,溫,度,熱容量、氣體速度、渦流,光,光通量與密度、光譜分布,濕,度,水氣、水分、露點(diǎn),這種分類方法,優(yōu)點(diǎn)：比較明確地表達(dá)了傳感器的,用途，便于使用者根據(jù)其用途選用,缺點(diǎn)：沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換,機(jī)理上有何共性和差異，不便使用者,掌握其基本原理及

6、分析方法,1.2.2,按傳感器工作原理分類,這一種分類方法是以工作原理劃,分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原,理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù),這種分類法,優(yōu)點(diǎn)：對傳感器的工作原理比較清,楚，類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者,對傳感器的深入研究分析,缺點(diǎn)：不便于使用者根據(jù)用途選用,具體劃分為,1,電學(xué)式傳感器,應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電,阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器,磁電式傳感器及電渦流式傳感器等,2,磁學(xué)式傳感器,利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成。主,要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量,3,光電式傳感器,利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理,而制成,主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度,等參數(shù)

7、的測量,4,電勢型傳感器,利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍耳效應(yīng),等原理而制成,主要用于溫度、磁通、電流、速度,光強(qiáng)、熱輻射等參數(shù)的測量,5,電荷傳感器,利用壓電效應(yīng)原理而制成,主要用于力及加速度的測量,6,半導(dǎo)體傳感器,利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng),磁電效應(yīng)、半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變,化等原理而制成,主要用于溫度、濕度、壓力、加速度,磁場和有害氣體的測量,7,諧振式傳感器,利用改變電或機(jī)械的固有參數(shù)來改變,諧振頻率的原理而制成,主要用來測量壓力,8,電化學(xué)式傳感器,以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成，可分為,電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳,感器、級譜式傳感器和電解式傳感器等,主要用于分析,氣體

8、成分、液體成分、溶于液體的固體成,分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位,等參數(shù)的測量,分類方法還有,按能量的關(guān)系分類，分為,有源傳感器和無源傳感器,按輸出信號的性質(zhì)分類，分為,模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器,數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，便于與,計(jì)算機(jī)聯(lián)用，且抗干擾性較強(qiáng)，例如,盤式角度數(shù)字傳感器，光柵傳感器等,1.3,傳感器的性能指標(biāo),傳感器測量靜態(tài)量表現(xiàn)為靜態(tài)特性,測量動態(tài)量表現(xiàn)為動態(tài)特性,1.3.1,靜態(tài)特性,傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種技,術(shù)指標(biāo)來描述,1,線性度,理想傳感器輸出量與輸入量之間的關(guān)系,應(yīng)是線性的，如圖,1-5,a,所示,圖,1-5,a,實(shí)際傳感器輸出量與輸入量之間的關(guān)系,大

9、多是非線性的，如圖,1-5,b,所示,圖,1-5,b,各種傳感器的非線性程度不相同,線性度是傳感器輸出量與輸入量之間,的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱非,線性誤差,線性度可用下式表示,式中,max,為實(shí)際曲線與擬合直線之間的最,大偏差,y,fs,為輸出滿量程值,傳感器輸出量與輸入量之間的非線性應(yīng),進(jìn)行線性補(bǔ)償處理，以提高測量準(zhǔn)確性,100,max,fs,y,E,1-1,2,靈敏度,靈敏度是傳感,器在穩(wěn)態(tài)下輸出增,量與輸入增量的比,值,對于線性傳感,器，其靈敏度,s,n,就,是它的靜態(tài)特性的,斜率,圖,1-6,a,非線性傳感器,的靈敏度,s,n,是一個(gè),隨工作點(diǎn)而變的變,量,s,n,dy/dx

10、=df(x)/dx,圖,1-6,b,圖,1-6,傳感器的靈敏度,3,重復(fù)性,重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方,向作全量程多次測試時(shí)，所得特性曲線,不一致性的程度,如圖,1-7,所示,圖,1-7,傳感器的重復(fù)性,傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要由,傳感器的機(jī)械部分的磨損、間隙、松動,部件的內(nèi)磨擦、積塵，電路元件老化,工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生,不重復(fù)性極限誤差由下式表示,E,Z,max,y,fs,100,4,遲滯現(xiàn)象,傳感器在正向行程（輸入量增大）和,反向行程（輸入量減?。┢陂g，輸出,輸,入特性曲線不一致的程度,如圖,1-8,所示,圖,1-8,傳感器的遲滯現(xiàn)象,在行程環(huán)中同一輸入量,x,i,對應(yīng)的不同,輸出

11、量,y,i,和,y,d,的差值叫滯環(huán)誤差,最大滯環(huán)誤差與滿量程輸出值的比值,稱最大滯環(huán)率,E,max,m,y,fs,100,5,分辨力,傳感器的分辨力是在規(guī)定測量范圍,內(nèi)所能檢測的輸入量的最小變化量,有時(shí)也用該值相對滿量程輸入值的,百分?jǐn)?shù)表示,6,穩(wěn)定性,穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性,之分,傳感器常用長期穩(wěn)定性，指在室溫,條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間間隔，如一,天、一月或一年，傳感器的輸出與起始,標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異,通常又用其不穩(wěn)定度來表征穩(wěn)定程,度,7,漂移,傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸,出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化,漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等,零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為

12、時(shí)間漂,移和溫度漂移,時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或,靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化,溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn),或靈敏度的變化,1.3.2,動態(tài)特性,在動態(tài)（快速變化）的輸入信號情況,下，要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn),被測信號的變化。也就是說，傳感器要有,良好的動態(tài)特性,從時(shí)域和頻域兩方面,采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析,1,階躍響應(yīng)特性,采用瞬態(tài)響應(yīng)法，給傳感器輸入一個(gè)單,位階躍函數(shù)信號,0,0,1,0,t,t,t,u,其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性，如圖,1-9,所示,圖,1-9,傳感器階躍響應(yīng)特性,1,最大超調(diào)量,2,延遲時(shí)間,3,上升時(shí)間,4,峰值時(shí)間,5,響應(yīng)時(shí)間,p,d,t

13、,r,t,p,t,s,t,由圖可衡量階躍響應(yīng)的幾項(xiàng)指標(biāo),2,頻率響應(yīng)特性,采用頻率響應(yīng)法，給傳感器輸入各種,頻率不同而幅值相同，初相位為零的正弦,信號,其輸出的正弦信號的幅值和相位與頻,率之間的關(guān)系，為頻率響應(yīng)曲線,例,圖,1-10,彈簧阻尼器組成的機(jī)械壓力,傳感器,圖,1-10,機(jī)械壓力傳感器,系統(tǒng)輸入量為作用力，令其與彈簧剛度成,正比,t,Kx,t,F,系統(tǒng)輸出量為彈簧形變產(chǎn)生的位移,t,y,根據(jù)牛頓第三定律，作用力與（阻,尼器磨擦力、彈簧彈性力）反作用力相,等，即,t,F,f,f,k,c,式中,為阻力器磨擦力,t,Ky,f,k,為彈簧彈性力,k,c,設(shè),為時(shí)間常數(shù),經(jīng)計(jì)算，彈簧形變位移和

14、輸入作用力,頻率的關(guān)系（頻率特性）如圖,1-11,所示,由圖可見，時(shí)間常數(shù),越小，頻率特,性越好,時(shí)間常數(shù),很小時(shí)，幅頻特性為常數(shù),相頻特性與頻率成線性關(guān)系。輸出位移能,真實(shí)地反應(yīng)輸入作用力的變化規(guī)律，與作,用力頻率無關(guān),圖,1-11,一階傳感器的頻率特性,1.4,實(shí)訓(xùn),1.4.1,電子秤靜態(tài)特性測試,用一個(gè)電子稱，按其最大稱重量，由,小到大取,10,個(gè)不同重量的砝碼（或組合,10,個(gè)砝碼重量,將砝碼從小到大，進(jìn)行稱重，記錄顯,示值。再將砝碼從大到小，進(jìn)行稱重，記,錄顯示值。重復(fù),3,次,以砝碼重量為橫坐標(biāo)，顯示值為縱坐,標(biāo)，畫稱重誤差曲線，重復(fù)性曲線和遲滯,曲線,1.4.2,來人自動閃燈電路

15、裝調(diào),圖,1,12,所示為利用紅外發(fā)光二極,管和紅外線接收頭組成的來人自動閃燈,電路,當(dāng)有人靠近時(shí)，發(fā)光二極管會自動,發(fā)出陣陣醒目的閃光,圖,1-12,來人自動閃燈電路,1,編制元器件表，備齊元器件,2,用多功能電路板（面包板）焊接裝配該,電路，用萬用表檢查電路裝配正確,3,用,5V,直流電源給電路供電，進(jìn)行來,人自動閃光試驗(yàn),4,在黑暗處、在室內(nèi)、在室外陰涼處、在,室外太陽底下，分別試驗(yàn)該電路是否起作,用，作用距離多少，做好記錄,5,考慮該電路其他用途,附,傳感器的材料與制造,一,傳感器的材料,1,半導(dǎo)體材料,1,單晶硅,2,多晶硅,3,非晶體硅,4,硅藍(lán)寶石,5,化合物半導(dǎo)體,2,陶瓷材料,3,石英材料,4,金屬氧化物及合金材料,1,ZnO,薄膜,2,非晶態(tài)磁性合金材料,3,形狀記憶合金材料,5,無機(jī)材料,6,有機(jī)材料,7,生化材料,8,高分子敏感材料,9,合成材料,10,智能材料,1,能夠檢測并且可以識別外界或內(nèi),部的刺激強(qiáng)度的感知功能,2,能夠響應(yīng)外界變化的驅(qū)動功能,3,能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制,響應(yīng),4,反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng),5,當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢,復(fù)到原始狀態(tài),二,傳感器制造技術(shù),1,部件及子系統(tǒng)加工,1,半導(dǎo)體加工技術(shù),2,硅微機(jī)械加工技術(shù),3,集成光學(xué)技術(shù),4,厚膜薄膜技術(shù),5,納米技術(shù),6,激光加工技術(shù),2,系統(tǒng)的集成,1,硅加