第1章傳感器原理

傳感器原理及應用光電工程學院2012年緒論一、傳感器的作用在工業(yè)生產(chǎn)自動化、能源、交通、安全防衛(wèi)、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事等，傳感器幾乎應用到各個領域中。在蓬勃發(fā)展的我國電子信息產(chǎn)業(yè)市場的推動下，傳感器已形成了一定的產(chǎn)業(yè)基礎，并在技術創(chuàng)新、自主研發(fā)、成果轉化和競爭能力等方面有了長足進展，為促進國民經(jīng)濟的發(fā)展作出了重要貢獻。緒論傳感器的發(fā)展動態(tài)我國在傳感器技術研究方面，正在逐漸縮小與國外的差距，一批基于MEMS技術的新型傳感器正在進入市場，在各領域中不斷拓寬應用范圍，設計技術、材料控制技術、生產(chǎn)技術、可靠性技術和測試技術不斷發(fā)展成熟，量產(chǎn)能力逐步提高。在市場競爭日趨激烈的條件下，我國生產(chǎn)的傳統(tǒng)傳感器，如力學量傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器、光學傳感器、電壓敏傳感器，產(chǎn)銷形勢穩(wěn)中有升，不僅在國內(nèi)市場的份額逐步增長，還同時滿足了部分國外市場的需求。國外著名咨詢公司的傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，2010年全球傳感器市場達600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，通訊市場也有良好的發(fā)展前景。據(jù)“中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院微電子研究所”預測，2010年我國傳感器市場銷售額將達到632億元。緒論緒論當前，我國傳感器產(chǎn)業(yè)正處于由傳統(tǒng)型向新型傳感器發(fā)展的關鍵階段，它體現(xiàn)了新型傳感器向微型化、多功能化、數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡化發(fā)展的總趨勢。傳感器產(chǎn)業(yè)和市場發(fā)展前景歸納起來，主要特點是：加速形成從傳感器研究開發(fā)到大生產(chǎn)一條龍產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式；量大面廣的通用傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)億只計，一些中檔傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)1000萬只計;而一些高檔傳感器和專用傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)幾十至幾百萬只計。MEMS傳感器市場MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)MOEMS（Micro－Optic－Electro－Mechanical－System）

隨著國際MEMS傳感器市場從高端產(chǎn)品向消費類產(chǎn)品市場轉移，中國的MEMS傳感器市場將加速繁榮。MEMS傳感器除了用于工業(yè)交通等部門外，新興應用市場是汽車、通信、辦公設備、移動電話等。對于在全球消費電子市場中占據(jù)重要地位的中國市場，2009年國內(nèi)MEMS傳感器市場有3500萬～4500萬顆的需求量。汽車傳感器市場

一輛普通家用轎車上大約安裝幾十只傳感器，豪華轎車上的傳感器數(shù)量可多達200余只。而目前，中國已經(jīng)躍居世界第二大汽車市場，成為僅次于美國的第二大汽車消費國。所以說，中國市場更是車用傳感器發(fā)展的沃土。近幾年來，中國傳感器的市場一直持續(xù)增長。2010年汽車MEMS增長28%，2011年增長16%。從2010年開始算起，五年復合年度增長率約為10%。壓力傳感器，加速計，陀螺儀和流量傳感器，幾乎占了整個汽車MEMS市場銷售額的99%。ESC-電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)

二、傳感器及傳感技術傳感器的作用:人-機對應關系圖外界對象感官傳感器人腦微機肢體執(zhí)行器“電五官”傳感器定義（Sensor）

傳感器：能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律和精度轉換成可用輸出信號的器件或裝置.（GB7665-87）書-是將各種非電量(包括物理量、化學量、生物量等）按一定規(guī)律轉換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。輸入量是物理量、化學量和生物量——信息量。輸出量主要是電量。（電量最便于傳輸、轉換、處理及顯示）輸入輸出的轉換規(guī)律（關系）已知，轉換精度要滿足測控系統(tǒng)的應用要求。傳感器也稱為：變換器、換能器或探測器三、傳感器的組成敏感元件轉換元件測量電路輔助電源輸出量（電量）輸入量非電量敏感元件：非電量——易變換成電量的非電量；轉換元件：將感受的非電量直接轉換為電量的器件；測量電路：經(jīng)轉換元件輸出的電量變換成便于顯示、記錄、控制和處理的電信號。四、傳感器的分類1.按輸入量分類傳感器種類繁多，原理各異，幾乎涉及各種參數(shù)，分類未統(tǒng)一輸入量：溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等傳感器，分別稱：溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度傳感器2.按測量原理分類

物理型傳感器、化學型傳感器、生物型傳感器物理型傳感器：利用某些變換元件的物理性能或某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器。物理型傳感器又分為：結構型傳感器（幾何尺寸）物性型傳感器（物理性質(zhì)）3.按輸出信號的性質(zhì)分類模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。五、傳感器的發(fā)展趨勢目前，傳感器的主要發(fā)展趨勢：一是開展基礎研究，探索新理論，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實現(xiàn)傳感器的集成化、多功能化和智能化。傳感器的固態(tài)化傳感器的集成化和多功能化——采用微細加工技術傳感器的圖像化——CMOS、CCD傳感器的智能化——傳感器+計算機本課程的任務和目的掌握常用傳感器的工作原理、結構、測量電路及典型應用。目的：合理選擇和使用傳感器。對傳感器技術問題有一定的分析和處理能力。知曉傳感器的工程設計方法和實驗研究方法。了解傳感器的發(fā)展動向。第一章傳感器的一般特性一個高精度的傳感器必須有好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。1.1傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性：傳感器在測量的各個值處于穩(wěn)定的狀態(tài)時，輸入-輸出之間的關系；方程：1.1傳感器的靜態(tài)特性一、線性度ΔYmax非線性誤差（線性度）理想：Y=aX傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關系的線性程度。線性度：傳感器校準曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出值的百分比。xyxmaxymax0ymin1、端基法（端點連線）端基法：將傳感器的輸出兩個端點連接起來作為傳感器特性的擬合直線。簡單、精度低使用在曲線非線性小2、最小二乘法最小二乘法：擬合精度最高目前最常用的方法二、靈敏度傳感器的靈敏度：只達到穩(wěn)定工作狀態(tài)時輸出變化量與輸入變化量之比。線性傳感器校準曲線的斜率就是靜態(tài)靈敏度K“非線性傳感器的靈敏度用dY/dX表示，其數(shù)值等于所對應的最小二乘法擬合直線的斜率”（書）三、精確度（精度）反映傳感器測量量的可靠程度稱為精度對應在指標有精密度、正確度、精確度精密度：在同一時間多次測量，其結果的分散程度?！獙S機誤差正確度：說明測量結果偏離真值大小的程度?！獙到y(tǒng)誤差精確度：測量的綜合優(yōu)良程度。

——對應精密度+正確度傳感器精度等級以系列標準百分值進行分檔（0.001，0.005，………1,……5,10……)（a）精密度低（b）正確度低而精密度高（c）精確度高在測量中我們希望得到精確度高的結果精確度：是精密度與正確度兩者的總和，精確度高表示精密度和正確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。四、最小檢測量和分辨力最小檢測量：指傳感器能確切反映被測量。分辨率：（無量綱）分辨力：最小量程的單位值表示（有量綱）五、遲滯遲滯：在相同工作條件下作全測量范圍校準時，同一次校準中對應同一輸入量的正行程和反行程其輸出值的最大偏差。用輸出值的最大偏差或一半與滿量程輸出值的百分比表示。六、重復性重復性：在同一條件下，輸入量按同一方向在全量程范圍內(nèi)連續(xù)變動多次(3次以上）所得特性曲線的不一致性。K=2~3七、零點漂移零點漂移：傳感器無輸入時，其輸出值相對于0的波動。零漂=最大波動/量程X100%八、溫漂（溫度漂移）溫漂：表示溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以單位溫度變化的最大偏差與滿量程的百分比表示。穩(wěn)定性(零漂)沖擊與振動傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性蠕變溫漂分辨力電磁場線性滯后重復性靈敏度輸入誤差因素外界影響輸出1.2傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性：指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性?！禽敵鲋的軌蛘鎸嵉卦佻F(xiàn)隨時間變化的輸入量能力的反應。動態(tài)特性用數(shù)學模型來描述，通常對于連續(xù)時間系統(tǒng)主要有三種形式：時域中的微分方程復域中的頻率特性F(S)頻率域中的頻率特性F(jw)

一、動態(tài)特性的一般數(shù)學模型線性系統(tǒng)可以用常系數(shù)線性微分方程表示：對微分方程求解，可以得到動態(tài)響應及動態(tài)指標Y(t)——輸出量；X(t)——輸入量t,——時間；a,b——常數(shù)通常傳感器輸入輸出的關系1~2階利用拉普拉斯變換可以得到：1、零階傳感器的數(shù)學模型零階微分方程：式中：K——靜態(tài)靈敏度零階傳感器對任何頻率的信號都沒有相位改變和增益改變。一階傳感器的微分方程2、一階傳感器的數(shù)學模型上式兩邊都除以a0，得

式中：τ——時間常數(shù)，τ＝a1／a0；

k——靜態(tài)靈敏度，k

＝b0／a0。在動態(tài)特性分析中，k只起著輸出量增加k倍的作用。因此為了方便起見，在討論任意階傳感器時可采用

k＝1，這種處理方法稱為靈敏度歸一化。一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

線性非時變連續(xù)系統(tǒng)的常系數(shù)線性微分方程：其系統(tǒng)函數(shù)：頻率特性為：幅頻特性為：相頻特性為：時間常數(shù)τ越小，頻率響應特性越好。當ωτ?1時，A(ω)≈1，它表明傳感器輸出與輸入為線性關系φ(ω)很小，tanφ≈φ，φ(ω)≈ωτ，表