傳感器應用技術(shù)第1章課件

第1章傳感器基礎(chǔ)1.1傳感器的作用和地位1.2傳感器的組成與分類1.3傳感器的物理基礎(chǔ)1.4傳感器的基本特性與標定1.5傳感器中的彈性敏感元件1.1傳感器的作用和地位

1.傳感器的作用現(xiàn)代科學技術(shù)使人類社會進入了信息時代，

來自自然界的物質(zhì)信息都需要通過傳感器進行采集才能獲取。

如圖1-1所示，

人們把電子計算機比作人的大腦，

把傳感器比作人的五種感覺器官，

執(zhí)行器比作人的四肢。

盡管傳感器與人的感覺器官相比還有許多不完善的地方，

但傳感器在諸如高溫、

高濕、

深井、

高空等環(huán)境及高精度、

高可靠性、

遠距離、

超細微等方面所表現(xiàn)出來的能力是人的感官所不能代替的。

傳感器的作用包括信息的收集、

信息數(shù)據(jù)的交換及控制信息的采集三大內(nèi)容。

圖1-1人體和機器的對應關(guān)系

圖1-2微機化檢測與控制系統(tǒng)的基本組成2)傳感器在汽車中的應用目前，

傳感器在汽車上不只限于測量行駛速度、

行駛距離、

發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度以及燃料剩余量等有關(guān)參數(shù)，

而且在一些新設(shè)施中，

如汽車安全氣囊、

防滑控制等系統(tǒng)，

防盜、

防抱死、

排氣循環(huán)、

電子變速控制、

電子燃料噴射等裝置以及汽車“黑匣子”等都安裝了相應的傳感器。

美國為實現(xiàn)汽車自動化，

曾在一輛汽車上安裝了90多只傳感器去檢測不同的信息。

3)傳感器在家用電器中的應用現(xiàn)代家庭中，用電廚具、空調(diào)器、電冰箱、洗衣機、電子熱水器、安全報警器、吸塵器、電熨斗、照相機、音像設(shè)備等都用到了傳感器。4)傳感器在機器人中的應用在生產(chǎn)用的單能機器人中，

傳感器用來檢測臂的位置和角度；

在智能機器人中，

傳感器用作視覺和觸覺感知器。

在日本，

機器人成本的二分之一是耗費在高性能傳感器上的。

7)傳感器在航空航天中的應用飛機、火箭等飛行器上，要使用傳感器對飛行速度、加速度、飛行距離及飛行方向、飛行姿態(tài)進行檢測。8)傳感器在遙感技術(shù)中的應用在飛機及衛(wèi)星等飛行器上，

利用紫外、

紅外光電傳感器及微波傳感器來探測氣象、

地質(zhì)等信息。

在船舶上，

利用超聲波傳感器進行水下探測。

9)傳感器在軍事方面的應用利用紅外探測可以發(fā)現(xiàn)地形、

地物及敵方各種軍事目標。

紅外雷達具有搜索、

跟蹤、

測距等功能，

可以搜索幾十到上千千米的目標。

紅外探測器在紅外制導、

紅外通信、

紅外夜視、

紅外對抗等方面也有廣泛的應用。

3.傳感器在國民經(jīng)濟中的地位傳感器技術(shù)不僅對現(xiàn)代化科學技術(shù)、

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及工業(yè)自動化的發(fā)展起到基礎(chǔ)和支柱的作用，

同時也被世界各國列為關(guān)鍵技術(shù)之一。

可以說“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代化的科學技術(shù)，

沒有傳感器也就沒有人類現(xiàn)代化的生活環(huán)境和條件”，

傳感器技術(shù)已成為科學技術(shù)和國民經(jīng)濟發(fā)展水平的標志之一。

圖1-3傳感器的組成

1.2.2傳感器的分類1)按輸入量(被測對象)分類輸入量即為被測對象。

按輸入量分類，

傳感器可分為物理量傳感器、

化學量傳感器和生物量傳感器三大類。

其中，

物理量傳感器又可分為溫度傳感器、

壓力傳感器、

位移傳感器等等。

這種分類方法給使用者提供了方便，

容易根據(jù)被測對象選擇所需要的傳感器。

2)按轉(zhuǎn)換原理分類從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來說，

通常分為結(jié)構(gòu)型、

物性型和復合型三大類。

結(jié)構(gòu)型傳感器利用機械構(gòu)件(如金屬膜片等)在動力場或電磁場的作用下產(chǎn)生變形或位移，

將外界被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應的電阻、

電感、

電容等物理量，

它是利用物理學運動定律或電磁定律實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。

物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、

化學效應(即物質(zhì)定律，

如虎克定律、

歐姆定律等)來實現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的。

它是以半導體、

電介質(zhì)、

鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。

復合型傳感器是由結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器組合而成的，

兼有兩者的特征。

例如，

電阻式、

電感式、

電容式、

壓電式、

光電式、

熱敏、

氣敏、

濕敏、

磁敏傳感器等等。

這種分類方法清楚地指明了傳感器的原理，

便于學習和研究。

5)按能量轉(zhuǎn)換的方式分類按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式，

傳感器可分為有源型和無源型兩類。

有源型也稱能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型，

它把非電量直接變成電壓量、

電流量、

電荷量等，

如磁電式、

壓電式、

光電池、

熱電偶等。

無源型也稱能量控制型或參數(shù)型，

它把非電量變成電阻、

電容、

電感等。

1.3傳感器的物理基礎(chǔ)

1.3.1物理定律(1)守恒定律：它包括能量、動量、電荷量等守恒定律。這些定律是我們在探索、研制新型傳感器或分析、綜合現(xiàn)有傳感器時必須嚴格遵守的基本法則。(2)場的定律：

它包括動力場的運動定律、

電磁場的感應定律等，

其作用與物體在空間的位置及分布狀態(tài)有關(guān)。

一般可由物理方程給出，

這些方程可作為許多傳感器工作的數(shù)學模型。

例如，

利用靜電場制成的電容式傳感器，

利用電磁感應定律制成的電感(自感或互感)式傳感器等等。

利用場的定律制成的傳感器，

可統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)型傳感器。

(3)物質(zhì)定律：它是表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律(如虎克定律、歐姆定律)，通常以這種物質(zhì)所固有的物理常數(shù)加以描述。因此，這些常數(shù)的大小決定著傳感器的主要性能。如利用半導體物質(zhì)法則——壓阻、熱阻、光阻、濕阻等效應，可分別制成壓敏、熱敏、光敏、濕敏等傳感器件；利用壓電晶體物質(zhì)法則——壓電效應，可制成壓電式傳感器等等。這種基于物質(zhì)定律的傳感器，可統(tǒng)稱為物性型傳感器。這是當代傳感器技術(shù)領(lǐng)域中具有廣闊發(fā)展前景的傳感器。(4)統(tǒng)計法則：

它是把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則，

這些法則常常與傳感器的工作狀態(tài)有關(guān)。

它是分析某些傳感器的理論基礎(chǔ)，

這些方面的研究尚待進一步深入。

湯姆遜效應：

該效應說明同一種導體兩端溫度不同時，

自由電子在動能差作用下發(fā)生擴散，

使導體兩端產(chǎn)生電勢差，

稱為溫差電勢。

它的逆效應是當電流流過不同溫度的同種導體結(jié)合部時，

也會引起發(fā)熱或吸熱的現(xiàn)象，

實現(xiàn)溫差→電及電→溫差的轉(zhuǎn)換。

(2)熱電子發(fā)射效應：

金屬板在真空中加熱時發(fā)射電子的現(xiàn)象可實現(xiàn)熱→電子的轉(zhuǎn)換。紅外成像就是利用這種原理制成紅外攝像管。

2.光磁電效應(1)光電子發(fā)射效應：它是指在光的作用下電子可逸出物體表面的現(xiàn)象，又稱外光電效應。利用這一效應可制成光電二極管、光電倍增管及紫外線傳感器等。(2)光電導效應：它是指半導體材料在光照射時其電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象，可實現(xiàn)光→電阻的轉(zhuǎn)換。利用這一效應可制造出光敏電阻。(3)光伏特效應：

它與光電導效應同屬于內(nèi)光電效應，

不同的是利用光照射PN結(jié)，

使載流子濃度發(fā)生變化，

從而產(chǎn)生電勢差，

實現(xiàn)光→電的轉(zhuǎn)換。

光電池、

光敏二極管、

光敏三極管和光敏晶閘管等都是利用這一現(xiàn)象工作的。

(4)光的熱電效應：利用人體輻射的紅外線的熱效應制成熱釋電(人體)傳感器及其他紅外探測器等。(5)塞曼效應：它是指光通過磁場時光譜離散的現(xiàn)象，可實現(xiàn)光磁→光譜的轉(zhuǎn)換。(6)拉曼效應：它是指單色光照射物質(zhì)時發(fā)出與入射光譜不同的光的現(xiàn)象，可實現(xiàn)光→光的轉(zhuǎn)換。(7)泡克爾斯效應：

它是指光通過壓電晶體并在垂直方向加電壓時，光分成正常光線和異常光線的現(xiàn)象，可實現(xiàn)光和電→光的轉(zhuǎn)換。

3.磁效應(1)霍爾效應：它是指電流流過導體或半導體并在與電流同向或垂直的方向加磁場時，在各個垂直方向產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象，可實現(xiàn)磁和電→電的轉(zhuǎn)換。目前，霍爾元件應用非常廣泛。利用磁場使載流子運動方向偏移的現(xiàn)象，可以制成磁敏二極管、磁敏三極管等器件。(2)磁阻效應：它是指電流流過導體或半導體并在與電流相同或垂直的方向加磁場時電阻增加的現(xiàn)象，可實現(xiàn)磁和電→電阻的轉(zhuǎn)換，從而制成磁敏電阻。

(3)磁致伸縮效應：

它是指強磁體加磁場時產(chǎn)生變形的現(xiàn)象，可實現(xiàn)磁→變形的轉(zhuǎn)換，用于制成超聲波的發(fā)射器。

4.壓電效應壓電效應是指強介質(zhì)加壓力時的極化現(xiàn)象，

可產(chǎn)生電位差以實現(xiàn)壓力→電的轉(zhuǎn)換，

制成各種壓電式傳感器。

壓電效應又是可逆的，不僅可制成超聲波的發(fā)射頭，

而且還可制成超聲波的接收頭。

5.多普勒效應當聲源、光源及微波等波源與觀測者之間有相對運動時，

觀測到的頻率與靜止情況下不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。

大家可能都有這種體會，

當一輛鳴著汽笛的汽車從我們身邊通過時，我們聽到鳴笛的音調(diào)是隨著汽車的接近而升高，

隨著汽車的遠離而降低，

這就是一個最常見的多普勒效應實例。

利用多普勒效應可實現(xiàn)聲、

光(電磁波)→頻率的轉(zhuǎn)換，

廣泛用于速度檢測、

人體探測，

甚至天體結(jié)構(gòu)的研究等。

6.物理現(xiàn)象(1)熱傳導現(xiàn)象：它是指物質(zhì)不移動，熱量從高溫部分向低溫部分移動的現(xiàn)象，即熱力學第一定律，可實現(xiàn)熱→物性變化的轉(zhuǎn)換。例如，熱敏電阻氣體傳感器、干濕球濕度傳感器就是利用了這一原理。(2)熱輻射現(xiàn)象：

它是指物體溫度升高時產(chǎn)生光(電磁波)輻射的現(xiàn)象，

可將溫度信號轉(zhuǎn)換為光信號，

其光譜可覆蓋可見光到紅外光范圍。

它是輻射高溫計、紅外探測技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

1.4傳感器的基本特性與標定

1.4.1傳感器的基本特性1.靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測各量值處于穩(wěn)定狀態(tài)時輸入與輸出的關(guān)系。

它主要包括靈敏度、

分辨力(或分辨率)、

測量范圍及誤差特性。

1)靈敏度靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時傳感器輸出量y和輸入量x之比，或輸出量y的增量和相應輸入量x的增量之比。用k表示為(1-2)線性傳感器的靈敏度k為一常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度k是隨輸入量變化的量。

2)分辨力傳感器在規(guī)定的測量范圍內(nèi)能夠檢測出的被測量的最小變化量稱為分辨力。

它往往受噪聲的限制，所以一般用相當于噪聲電平(N)的若干倍(C)的被測量表示，即

(C取1~5)式中，M為最小檢測量。實際中，分辨力可用傳感器的輸出值來表示。模擬式傳感器以最小刻度的一半所代表的輸入量來表示，數(shù)字式傳感器則以末位顯示一個字所代表的輸入量來表示。3)測量范圍和量程在允許的誤差范圍內(nèi)，

傳感器能夠測量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之間的范圍稱為測量范圍，表示為ymin～ymax。上限值與下限值的差稱為量程，表示為yF.S＝y(tǒng)max－ymin。如某溫度計的測量范圍是-20~100℃，量程則為120℃。

4)誤差特性(1)線性度：即非線性誤差。為了便于對傳感器進行標定和數(shù)據(jù)處理，要求傳感器的特性為線性關(guān)系，而實際的傳感器特性常呈非線性，這就需要對傳感器進行線性化。傳感器的靜態(tài)特性是在標準條件下校準(標定)的，即在沒有加速度、振動、沖擊，且溫度為(20±5)℃、濕度不大于85%RH、大氣壓力為(101327±7800)Pa（(760±60)mmHg)的條件下，用一定等級的設(shè)備，對傳感器進行反復循環(huán)測試，得到的輸入和輸出數(shù)據(jù)用表格列出或畫出曲線，這條曲線稱為校準曲線。傳感器的校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差(ΔLmax)與滿量程值(yF.S)的百分比稱為線性度，用γL表示，即(1-4)

由此可知非線性誤差是以一定的擬合直線為基準算出來的，基準直線不同，

所得線性度也不同。

根據(jù)求得擬合直線的方法，可分為端基線性度、

平均選點線性度和獨立線性度，

如圖1-4所示。

圖1-4傳感器的線性度示意圖(a)端基線性度；(b)平均選點線性度；(c)獨立線性度

①端基擬合直線是由傳感器校準數(shù)據(jù)的零點輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的一條直線。這種擬合方法簡單直觀，應用較廣，但擬合精度很低，尤其對非線性比較明顯的傳感器，擬合精度更差。②

平均選點擬合直線的求法是將若干點的測量數(shù)據(jù)分成前后數(shù)目相等的兩組，分別求出兩組數(shù)據(jù)相應的輸入和輸出數(shù)據(jù)的平均值，

即

(1-5a)(1-5b)③

獨立線性度也稱最小二乘法線性度，

它的擬合直線方程是用最小二乘法求得的，

在全量程范圍內(nèi)各處誤差都最小。

這種方法擬合精度最高，

但計算很復雜。

(2)遲滯：

指在相同工作條件下，

傳感器正行程特性與反行程特性不一致的程度，

如圖1-5所示。

其數(shù)值為對應同一輸入量的正行程和反行程輸出值間的最大偏差ΔHmax(或最大偏差的一半)與滿量程輸出值的百分比。

用γH表示為

或

(1-6a)(1-6b)圖1-5傳感器的遲滯特性

(3)重復性：

指在同一工作條件下，

輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性，

如圖1-6所示。

在數(shù)值上用各測量值正、

反行程標準偏差最大值σ的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示，記作γK，

即

(1-7)圖1-6傳感器的重復性

從誤差的性質(zhì)上講，重復性誤差屬于隨機誤差?？蓞⒖嫉?章按照隨機誤差的分析方法，由各次校準測量數(shù)據(jù)間的最大誤差Δim求出標準誤差σ，即(1-8)式(1-7)中，σ前的系數(shù)為置信因數(shù)。若誤差完全按正態(tài)分布，置信因數(shù)取2時，置信概率為95%；若置信因數(shù)取3時，置信概率為99.73%。(4)零漂和溫漂：

傳感器無輸入(或某一輸入值不變)時，

每隔一定時間，

其輸出值偏離原始值的最大偏差與滿量程的百分比，

即為零漂。

溫度每升高1℃，

傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比，

稱為溫漂。

2.動態(tài)特性動態(tài)特性是描述傳感器在被測量隨時間變化時的輸出和輸入的關(guān)系。

對于加速度等動態(tài)測量的傳感器必須進行動態(tài)特性的研究，

通常是用輸入正弦或階躍信號時傳感器的響應來描述的，

即傳遞函數(shù)和頻率響應。

有關(guān)知識可參考《自動控制原理》或《信號與系統(tǒng)》等教材。

1.4.2傳感器的標定1.傳感器標定的意義傳感器的標定也稱校準，

就是通過試驗的方法找出傳感器輸出量與輸入量之間的相互關(guān)系，

同時確定在不同使用條件下所呈現(xiàn)的誤差特性。

標定后，

在傳感器的使用說明書中給出有關(guān)性能參數(shù)。

在說明書規(guī)定的使用范圍、

條件和期限內(nèi)，

使用者可直接選用這些參數(shù)。

2.傳感器標定工作的內(nèi)容(1)對新研發(fā)的傳感器進行全面的技術(shù)性能鑒定，并將鑒定的數(shù)據(jù)進行量值傳遞。(2)對經(jīng)過一段時間儲存或使用后的傳感器進行復測，通過再次鑒定來判定被復測的傳感器是否可以繼續(xù)使用。對可以繼續(xù)使用但某些指標發(fā)生了變化的傳感器，則需要重新標定并修正相應的原始數(shù)據(jù)。(3)傳感器的標定工作分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩種。

傳感器的靜態(tài)標定主要是檢驗、

測試傳感器或整個系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標，

如靜態(tài)靈敏度、

線性度、

遲滯、

重復性等。

傳感器的動態(tài)標定主要是檢驗、

測試傳感器或整個系統(tǒng)的動態(tài)特性指標，

如動態(tài)靈敏度、

頻率響應等。

3.傳感器標定裝置(或系統(tǒng))的組成傳感器標定裝置的組成具體如下：(1)被測非電量的標準發(fā)生器，如活塞式壓力計、測力機、恒溫源、杠桿式和彈簧測力計式壓力標定機、激波管標定裝置等。(2)被測非電量的標準測試系統(tǒng)，如標準壓力傳感器、標準力傳感器、標準溫度計等。(3)待標定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器及顯示、記錄儀器等。

4.傳感器的標定規(guī)程為了保證各種量值的準確性和一致性，

標定時應按計量部門所規(guī)定的測定規(guī)程、

要求、

管理方法進行。

例如，

關(guān)于力傳感器(或力檢測系統(tǒng))標定時的標準裝置的有關(guān)規(guī)定如圖1-7所示。

圖1-7標準裝置有關(guān)規(guī)定框圖

1.5傳感器中的彈性敏感元件

1.5.1應力與應變的概念1.應力截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時，物體在單位面積上引起的內(nèi)力稱為應力，記作σ，其值為(1-9)圖1-8應變種類示意圖(a)拉、

壓應力；(b)剪切應力

2.應變應變是物體受外力作用時產(chǎn)生的相對變形，它是一個無量綱的物理量。設(shè)物體原長度為l，受力后產(chǎn)生Δl的變形。若Δl＞0，則表示物體被拉伸；Δl＜0，則表示物體被壓縮。其應變ε定義為式中，ε稱為縱向應變。由于應變的量值非常小，常用微應變(με)作為單位，1με＝10-6ε。當物體縱向發(fā)生變形時，其橫向發(fā)生相反變形，稱為橫向應變。為了區(qū)別，將前者記作εl，后者記作εr，有(1-11)式中，μ為泊松比。由切應力所產(chǎn)生的變形稱為切應變。如圖1-8(b)所示,力F使角點產(chǎn)生位移x，切應變γ可通過近似直角三角形求出，即式中，L為固定端至力作用點之間的距離。

(1-12)

3.虎克定律與彈性模量虎克定律：當應力未超過某一限值時，應力與應變成正比，

其數(shù)學表達式為

σ=Eε

(1-13)τ=Gγ

(1-14)式中，E為彈性模量或稱楊氏模量，單位為N/m2；G為剪切模量或稱剛性模量；τ為切應力。1.5.2彈性敏感元件的特性1.剛度剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度，一般用K來表示。設(shè)F為作用在彈性元件上的外力，x為彈性