传感器原理与应用绪论课件.ppt

传感器原理与应用,武汉理工大学物流工程学院吴青E-mail:wqTel第一章绪论,1.1本课程的内容与要求1.2传感器的地位和作用1.3传感器的定义与组成1.4传感器的分类1.5传感器的特性参数与选择注意事项1.6传感器的标定1.7传感器的发展趋势,1.1本课程的内容与要求,本课程的内容本课程的要求1.掌握各类传感器的工作原理、结构、主要性能及其参数、典型应用；2.能够合理地选择和使用传感器；3.了解常用传感器的工程设计方法并掌握常用传感器的试验研究方法；4.了解传感器的发展方向等。参考书籍1、传感器应用及其电路精选，张福学，电子工业出版社，1995.52、赵继文传感器与应用电路设计，北京：科学出版社，20023.强锡富传感器机械工业出版社，20014李科杰新编传感器技术手册国防工业出版社，20025刘迎春传感器原理设计与应用第四版，长沙：国防科技大学出版社，2002,传感器原理及应用,热电传感器,磁敏传感器,光电传感器,应变传感器,电感传感器,电容传感器,压电传感器,声、气、湿敏传感器,数字传感器,检测电路,课程主要内容,传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,文献资料,中国传感器专业网中国传感器在线中国传感网传感器资讯网传感器信息港中国传感器知识网国际标准传感器协会国家传感器质量监督检验中心中国测试技术研究院中国科技论文在线中国会议在线国际标准传感器协会,文献资料（国际链接）,ISASensorsguideTheMEMSandNanotechnologyClearinghouseTemperatureSensingTempSTemperatureWorldArticlesontemperaturesensors,abouttemperatureBiosensorsattheCranfieldBiotechnologyCentreAffinitySensorsS-SENCESwedishSensorCentreIEEESensorsSensorsWebPortalSNASASpaceInstrumentandSensingTechnologyBiosensorsatORNLSensorTechnologyattheLawrenceLivermoreNationalLabRemotesensingtechnologiesinviticultureUNE,Australia.SPIEshortvideocoursesonfiberopticsensorsFiberopticsensorsandtheirapplications,UnderstandingFiberOpticGyroscopesFISOTechnologies,Inc.FiberopticpressureandtemperaturesensorsformedicineFiberopticdisplacementtransducerSensiCathSystemDiametricsMedicalInc.FiberopticelectricfieldandvoltagesensorsElectronicnoseandolfactoryarticleinR&DMagazineGEMINIElectronicNosePositionsensingsystemsSmartsiliconsensors-examplesofHall-effectsensorsElectromagneticInstruments,Inc.Honeywellintegratedabsorptioncapacitiverelativehumidity/temperaturesensorsHightemperaturehumiditymeasurementSAW(SurfaceAcousticWave)SENSORS,研究机构,UniversityofTexasatAustinUniversityofHartfordCaliforniaInstituteofTechnologyCarnegieMellonUniversityTheRoboticsInstituteUniversityofCaliforniaBerkeleySensor&ActuatorCenterUniversityofSouthernCaliforniaUniversityofCincinnatiTheCenterforMicroelectronics&MEMSUniversityofMaineSensorsTechnologyLaboratoryMichiganStateUniversity,NSFCenterforSensorMaterialsOhioStateUniversityCenterforIndustrialSensorsandMeasurementsInternationalCenterforActuatorsandTransducers(ICAT)UniversityofPennsylvaniaCenterforSensorTechnologiesStanfordUniversityMicroStructures&SensorsLaboratoryStanfordTransducersLaboratoryMITYaleUniversityMicromechanicalTransducersGroupattheMesaInstituteSensorsresearch,学术期刊,传感技术学报传感器与微系统中国测试技术仪表技术与传感器测控技术SensorsandActuatorsBiosensors传感器世界仪器仪表学报,考核方式：期末采用闭卷考试方法，考试时间2小时。课程总成绩由期末考试成绩和平时考查成绩（作业+大作业+考勤）合成。其中考试成绩占70%，平时考查成绩占30%。出勤情况无故缺课1/3，期末取消考试资格。事、病假需提前请假。,传感器大作业,传感器相关文献检索：,1、主题2、内容3、参考文献4、检索方式,1、主题应变式传感器电容式传感器差动变压器式传感器压电式传感器光电式传感器光纤式传感器CCD霍尔式传感器电涡流式传感器超声波传感器光栅式传感器,2、内容该类传感器的工作原理该类传感器的测量的物理量及范围该类传感器对测量某一物理量的具体应用举出某一该类传感器的技术指标及参考价格、可能的生产厂家所介绍方法的优缺点针对缺点有何改进措施你对课程教学有何建议,3、参考文献文献号.作者.文献名，来源,4、检索方式教科书科技期刊网络注：三种方式必须都有涉及,1.2传感器的地位和作用,在今天瞬息万变的信息时代里，人们在从事工业生产和科学实验等活动中,主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。,人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。,人与机器的机能对应关系,传感器处于研究对象与测试系统的接口位置。是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学实验和生产过程,特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息,都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的信号。所以,上世纪80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，备受重视。,21世纪社会发展三大支柱:信息技术、生物技术、纳米技术。信息技术三大基础产业：传感器、通信、计算机传感器作为人类感观的延伸，是信息采集不可或缺的工具，如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”,成为制约信息技术等高新技术的瓶颈。世界各国特别是发达国家十分重视传感技术。,我国把传感器技术列为国家重点攻关项目及中长期科技发展重点技术之一。美国国防部将传感器技术视为20项关键技术之一。日本把传感器技术与计算机通信、激光半导体超导并列为六大核心技术。德国视军用传感器为优先发展技术。英、法等国对传感器的开发投资逐年升级。俄罗斯军事航天计划中的第五条列有传感器技术。,传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。,传感器的作用传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所检测的信号品种极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。,传感器的应用：传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。,Wii健身运动,游戏很好玩，工作原理是什么？,触摸屏是怎么感知的？,使用者翻动手机选择“响铃”或“震铃”；摇晃手机变换不同的铃声和游戏；音乐和壁纸随着人们的动作而变化。,摇晃你的手机,传感器,身边的传感器,CCD,热敏电阻,传声器,温控器,力传感器,温度开关,实验室的传感器,二、传感器的应用领域和需求量,全球传感器市场：全球传感器按原理分为物理量、化学量、生物量三大门类，2万多个品种。各国从事传感器研制生产单位已增至50000余家。全球需求量最大的十大传感器：温度传感器、压力传感器、流量传感器、二元位置传感器、位移传感器、液体测量化学传感器、水平传感器、速度传感器、气体测量化学传感器、燃烧检测传感器。全球需求量增长最快的十种传感器为：雨水传感器、浓度传感器、流质传感器、导航传感器、倾角传感器、光电检测传感器、玻璃破损检测传感器、生物传感器、磁场传感器以及动力检测传感器。,中国传感器市场：我国快速增长的电子信息产业对敏感元件和传感器有很大的需求量。目前我国已开发传感器产品仅有10大类、42小类、6000多个品种.从事敏感元件与传感器研制生产的企事业单位有1688家，但研制生产综合实力较强的骨干企业仅占总数的10%左右。其中，生产厂家占50.50%，公司占23.60%，研究所及高等院校分别占19.8%和6.1%。近年来全球传感器产业取得了飞速发展。2010年中国物联网产业市场规模达到2000亿元，至2015年，中国物联网整体市场规模将达到7500亿元，年复合增长率将超过30%。全球传感器产业将从中直接受益，全球3000多家传感器制造商的总销售额在2008年时为506亿美元，而2010年的总销售额超过600亿美元。,1.3传感器的定义与组成(DefinitionandComposingofSensors),1)传感器（Transducer或Sensor）定义：国家标准GB766587对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成”。传感器有时也叫换能器、变换器、变送器或探测器。从定义中可看出传感器有两个功能：既敏感和变换。,传感技术：是以研究传感器的材料、传感器的设计、传感器的制作、传感器的应用为主要内容的一门应用技术。它是以传感器敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理“效应”、“现象”、化学中的各种“反应”以及生物学中的各种“机理”作为理论基础；并综合了物理学、微电子学、光学、化学、生物工程、材料科学、精密机械、微细加工、试验测量等方面的知识和技术而形成的一门综合性学科。它是检测（传感原理）、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。,2、传感器的组成(Thecomposingofsensor)传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。敏感元件（Sensitiveelement）：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。转换元件（Transductionelement）：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。转换电路（Transductioncircuit）：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。辅助电源：信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源,因此,信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。,其组成如图所示。,传感器组成实例,下图是一种气体压力传感器示意图。膜盒2的下半部与壳体1固接,上半部通过连杆与磁心4相连,磁心4置于两个电感线圈3中,后者接入转化电路5。这里膜盒就是敏感元件,其外部与大气压pa相通,内部感受被测压力p,当p变化时,引起膜盒上半部移动,即输出相应的位移量。可变电感3是转化元件,它把输入的位移量转换成电感的变化。5即为转换电路。,有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量。如热电偶和热敏电阻。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,1.3传感器的分类及对它的一般要求(CategoryandRequestofSensors),1）传感器的分类（Thecategoryofsensor）传感器的品种繁多，原理各异，检测对象门类也很多，有的传感器可以用于测量多种参数,而有时对于一种物理量又可用多种不同类型的传感器测量。因此，对传感器分类就有很多方法，而且互相交叉，一般以被测量参数来分米和以测量原理两种分类为主。,表1按被测量来分类,表2按传感器的原理来分类,表3传感器的分类,2）传感器的性能要求,无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不尽相同，但有基本要求却是相同的。这就是：,1.4传感器的特性参数与选择注意事项,传感器在检测系统中是信息输入的窗口，为检测系统提供必需的原始信息。检测系统获取信息的质量也往往取决于传感器的性能。为了能使其输出在精度要求范围内反映被测量，传感器必须具备一定的基本特性；也就是从误差角度去分析其输出输入关系特性。只有这样，传感器的输出才能作为其输入（被测物理量）的量度。因此，了解和掌握传感器的基本特性，是正确选择和使用传感器的基本条件。,1.4传感器的特性参数与选择注意事项,传感器的输出输入关系特性就是传感器的基本特性。,传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。,当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。,当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；,实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。,1.4.1传感器的静态特性,传感器的静态特性是指传感器在被测量处于稳定状态时（静态的输入信号）的输出输入关系。传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。,取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。,衡量传感器特性的主要技术指标,描述传感器静态特性的数学模型为：equationofcharacteristicy=a0+a1x+a2x2+anxn式中：y输出量；x输入量；a0零位输出；a1传感器线性灵敏度；a2，a3，an-非线性待定常数。,静态特性曲线由厂家给定，在静态校准情况下由实测来确定输出输入关系，称为静态校准到静态校准线。静态校准条件：指没有加速度，没有冲击，振动，环境温度为205，相对湿度不大于85，大气压力为0.10.08MPa的情况。,理想情况下，静态特性是线性的，但在实际工作中，由于非线性（高次项的影响）和随机变化量的影响，不可能是线性关系，所以，衡量传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精确度、迟滞、重复性和分辨率等。一、线性误差(LinearityError)线性误差是指在规定条件下（利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试）得出输出-输入特性曲线与拟合直线(fittingstraightline)间最大偏差与满量程FSfullspan）输出值的百分比称为线性误差。用L=Ymax/YFS100%Ymax：校准曲线(calibrationcurve)与拟合直线间的最大偏差(discrepancy)；YFS：传感器满量程输出；YFS=Ymax-Y0。,静态参数,非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。,常用的拟合基准直线方法:,端基法将传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成直线，作为拟合直线.理论直线法通常取零点作为理论直线的零点，满量程输出作为终点，这两点的连线即为理论直线。它与实际测试点无关。最佳直线法是使实际输出特性相对于所选拟合直线的最大正偏差等于最大负偏差的一条直线。过零旋转拟合,直线拟合方法a)理论拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合,最小二乘法这种方法是按最小二乘原理来求取拟合直线。既找一条直线使各实际校准点（标定点）与该直线的垂直偏差的平方和最小。令拟合直线方程为：Y=a0+KX求出a0和K即可。设实际校准测试点有n个，在n个校准数据中，第i个校准数据Yi与拟合直线上相应的理想值之间的差为：i=Yi-(a0+KXi),x,按最小二乘法原理，应使为最小，故由分别对K和a0求一阶偏导数并令其等于零，即可求得K和a0：,即得到k和a0的表达式,将k和a0代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。,二、灵敏度（Sensitity）,灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量（增量）与输入变化量（增量）的比值，即K=输出变化量/输入变化量=Y/X对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。非线性传感器的灵敏度不是常数而为一变量，用dY/dX表示。灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。,三、最小检测量(分辨力)和分辨率(Resolution)分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，当输入量连续变化时,输出量只作阶跃变化,因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中最大变化值作为衡量分辨力的指标。对于数字测试系统，其输出显示系统的最后一位所代表的输入量即为该系统的分辨力；对于模拟测试系统，是用其输出指示标尺最小分度值的一半所代表的输入量来表示其分辨力。这个指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阈值；更多的情况下，阈值取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。,四、回程误差（迟滞）（HysteresisError）,迟滞特性表明传感器在输入量增大行程期间（正行程）和输入量减小行程期间（反行程）输出输入特性曲线不重合的程度。H=Hmax/YFS100%或H=Hmax/2YFS100%式中Hmax输出值在正反行程间的最大偏差；H表示传感器的迟滞。它一般是由实验方法测得。,五、漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移，即时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；温漂是指由环境温度变化引起的零点或灵敏度的变化。,六、精密度,说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。,式中：Yi测量值；-测量值的算术平均值；n测量次数,重复性是测量仪器的重要指标，反映了仪器工作的可信度和有效性。,七、准确度准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。测量仪器最主要的计量性能指标；仪器自身的原因造成；定性概念；定量指标用准确度等级、示值误差或引用误差表示：示值误差测量值真实值（真实值用约定真值代替）引用误差=示值误差/量程准确度等级就是根据示值误差或引用误差而划分的准确度级别。当某个测量仪器的引用误差不大于0.01时（1），往往按照有关该仪器的标准或检定规程，该仪器的准确度为1级。但只是准确度等级为1级而决非准确度为1。如：电工仪表的准确度等级可分为：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0七级。,八、信噪比混杂在输出信号中的无用成分称为噪声。信噪比的表达式：定义1：20lgAS/AN(输出信号峰值/噪声信号峰值)；定义2：10lgPS/PN(输出信号功率/噪声信号功率)；一般仪器的信噪比要在40分贝以上。,1.4.2传感器的动态特性（DynamicCharacteristics）,传感器的动态特性是指传感器在测量动态信号时，输出对输入的响应特性。一、动态特性的一般数学模型（Mathematicdescriptionmodelsofsensors）表达传感器动态特性实质上是将传感器这个物理系统抽象成数学模型，仅表示输入信号、输出信号和传感器动态特性三者之间的关系。常用的数学模型有：（1）微分方程，（2）传递函数，（3）频率响应函数。在建立数学模型时，一般都忽略了传感器的非线性和随机变化等因素，把传感器看成是线性的，定常的系统来考虑。常系数线性微分方程是最基本的数学模型，在它的基础上较易求出传递函数、频率响应函数等动态特性。,1.4.3传感器选择注意事项,1.与测量条件有关的事项（1）测量目的（2）被测量（3）测量范围（4）超标准过大输入信号的出现次数。（5）输入信号的带宽（6）测量的精度（7）测量所需的时间,2019/12/15,78,可编辑,2.与性能有关的事项（1）传感器精度（2）传感器稳定度（3）响应速度（4）模拟量或数字量（5）输出量及其数量级（6）对信号获取对象所产生的负载效应（7）校正周期（8）超标准过大输入信号的保护,3.与使用条件有关的事项（1）设置场所（2）环境条件（如温度、湿度、振动等）（3）测量全过程所需要的时间（4）传感器与其它设备的距离及连接方式（5）传感器所需的功率容量4.与购买和维修有关的事项（1）价格（2）交货日期（3）服务与维修制度（4）零配件的储备（5）保修期限,基本参数指标,环境参数指标,可靠性指标,其他指标,量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等,温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等,工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等,使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等,传感器的误差来源内部原因：感器内部产生的噪声包括敏感元件，转换元件和转换电路元件等产生的噪声以及电源产生的噪声。例如光电真空管放射不规则电子，半导体载流子扩散等产生的噪声。降低元件的温度可减小热噪声，对电源变压器采用静电屏蔽可减小交流脉动噪声等。,改善传感器性能的技术途径,外部原因从外部混入传感器的噪声，按其产生原因可分为机械噪声（如振动，冲击）、音响噪声、热噪声（如因热辐射使元件相对位移或性能变化）、电磁噪声和化学噪声等。对振动等机械噪声可采用防振台或将传感器固定在质量很大的基础台上加以抑制；消除音响噪声的有效办法是把传感器用隔音器材围上或放在真空容器里；消除电磁噪声的有效办法是屏蔽和接地或使传感器远离电源线，或使输出线屏蔽，输出线绞拧在一起等。,改善传感器的技术途径1.结构、材料与参数的合理选择2.差动技术差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。,3平均技术在传感器中普遍采用平均技术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为=/n式中n传感单元数。,可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。,4补偿与修正技术补偿与修正技术的运用大致针对两种情况：针对传感器本身特性针对传感器的工作条件或外界环境对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。,补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,5屏蔽、隔离与干扰抑制传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：,减小传感器对影响因素的灵敏度降低外界因素对传感器实际作用的程度,对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,7、零示法、微差法与闭环技术8、集成化、智能化与信息融合,6稳定性处理,在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。,提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。,造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。,传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。,任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以便确保传感器的各项性能指标达到要求。传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立其输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。根据系统的用途输入可以是静态的也可以是动态的。因此传感器的标定有静态和动态标定二种。,传感器的标定与校准,一、传感器的静态特性标定传感器的静态特性测定是一种特殊的测试，它必须选择经过校准的“标准”静态量作为传感器的输入。求出其输入、输出特性曲线实验操作。所采用的“标准”输入量误差应当是所要求测试结果误差的1/31/5或更小。,标定的主要作用是：确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度,1、静态标准条件传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。所谓静态标准是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（205C)、相对湿度不大于85，大气压力为1018kPa的情况。,2、标定仪器设备的精度等级的确定对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。所以在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。传感器的标定系统一般由以下几部分组成：(1)被测量的标准发生器，如衡温源、测力机等；(2)被测量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等（3）待标定传感器所接配的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是已知的。,为了各种量值的准确一致，标定应按计量部门规定的检定规程和管理办法进行。例如力值传递系统如图所示。按此系统只能用上一级标准装置检定下一级传感器及配套仪表；如果待标定传感器精度较高，可以跨级使用更高级的标准装置。工程测试用传感器的标定应在与其使用条件相似的环境下进行。有时为了获得较高的标定精度，可将传感器与配用的电缆、滤波器、放大器等测试系统起标定。有些传感器标定时还应十分注意规定的安装技术条件。,3、静态特性标定的方法具体的标定数据处理如下：作输入-输出特性曲线求重复性误差H1和H2求作正反行程的平均输入-输出曲线求回程误差求作定度曲线求作拟合直线，计算非线性误差和灵敏度,进行静态标定首先要建立静态标定系统。图116为应变式测力传感器静态标定系统。图中测力机产生标准力，高精度稳压电源经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的供桥电压，其值由数字电压表读取，传感器的输出电压由另一数字电压表指示。由上述系统可知，静态标定系统的关键在于被测非电量的标准发生器及标准测试系统，即上图中的测力机。它可以是由砝码产生标准力的基准测力机、杠杆式测力机或液压式测力机。图117是由液压缸产生测力并由测力计或标准力传感器读取力值的标定装置。测力计读取力值的方式可用百分表读数、光学显微镜读数与激光干涉仪读数等。,传感器的动态标定用于确定传感器的动态性能，如固有频率和频响范围等、动态灵敏度等。传感器进行动态标定时，需有一标准信号对它激励，常用的标准信号有二类：一是周期函数，如正弦波等；另一是瞬变函数，如阶跃波等。用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅频特性、阻尼和动态灵敏度等。,一阶系统时间常数测量：,阶跃响应,方法一：对系统施加一阶跃信号，然后求取系统达到最终稳定值的63.2%所需时间作为系统的时间常数。这一方法的缺点是不精确。,求方法：方法二：阶跃试验由一阶系统的阶跃响应函数：得,定义Z=ln1-y(t)则有进而有,图2.79一阶系统的阶跃试验,根据测得数据y(t)值，画出Z与t的关系图，则可得到一根斜率为-1/的直线。这种方法考虑了瞬态响应的全过程，从而可以得到更为精确的值。根据所测得的数据点是否落在一根直线上的情况，我们可判断该系统是否是一个一阶系统。,二阶系统参数测量,脉冲响应/阶跃响应函数法：,频率响应函数法,0.707,1.5传感器的发展趋势,传感器技术的主要发展动向：一是开展基础研究，发现和应用新现象，开发传感器的新材料、新工艺；二是实现传感器的集成化和智能化。,采用新原理、开发新型传感器；传感器的微型化(Micro)；传感器的多功能化(Multifunction)传感器的智能化(Smart)；无线网络化(wirelessnetworked),传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。,1）开发新型传感器,新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。,2）开发新材料,（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）高分子聚合物（4）磁性材料（5）智能材料,如半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。,麻省理工学院（MIT）的科学家们目前发现石墨烯（graphene）一种单原子结构碳材料具有光敏特性，在受光照时会产生电流。研究人员称这项发现将影响多个领域，包括摄影：石墨烯可以成为一种很好的光敏材料，因为其产生电流的方式不同于其他光敏材料。它可以感受很宽的光线范围，例如，它可以在红外线中工作得很好，而其他材料很难做到这一点。这一点会让石墨烯成为包括夜视仪和天文望远镜等设备的重要元件。也许在未来，我们会在数码相机上看到采用石墨烯制造的传感器。,在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。,3）新工艺的采用,例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。,4）集成化、多功能化,同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。,多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。,把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。,为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。,5）智能化,对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。,智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。,随着微机电系统、传感器、无线通信，以及集成电路等技术的发展和成熟，低成本、低功耗的微型传感器的大量生产成为可能。同时，传感器的信息获取技术，已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化和网络化的方向发展。,传感器的微型化、网络化,方法一：100元的多功能智能传感器1件,监测室内环境（温度、湿度、光照度、悬浮物、有害气体）,方法二：10元的单一功能简单传感器10件,由众多低成本、低功耗的微型传感器组成传感器网络，全方位地进行监测。,传感技术,MEMS,通信技术,无线传感器网络,“无线传感器网络”由此孕育而生,汶川地震,东南亚海啸,澳大利亚森林大火,土耳其水灾,泥石流,山体滑坡,冰冻,研究人员的方案：将大量的传感器布置在需要预警的区域内，随时监测目标的细微变化，经过分析和判断，及时传递有关信息，从而为人类提供足够的防御时间。这就是:,对于这些灾难，能否预先得到警示呢？,WirelessSensorNetwork（WSN）,无线传感器网络,将成千上万个微型传感器密集地分布在森林中，各传感器通过无线网络相互协作，共同执行分布式感知任务，并将准确的火源信息传送给信息中心。,例如：森林火警系统,微型传感器,什么是无线传感器网络,无线传感器网络是利用大量的微型传感器（结点），通过无线通信形成网络，用来感知现场的信息。结点中的微处理器对原始数据进行初步处理后，经网络层层转发，最终发送给基站，再由基站传送给用户，从而实现对现场的监控。,这些结点采用MEMS技术，在一个微小的芯片上集成了信息采集、数据处理和无线电通信等多种功能。,传感器,微型处理器,无线通信,最小的芯片只有1501507.5微米,无线传感器网络由成千上万个微型传感器组成，每个微型传感器称为网络的一个“结点”。,结点的构成,传感器,应用程序,无线通信,内存,CPU,电源,网络中的网关（基站）（较强的处理、通信能力）,网络中的结点（简单处理、短距离通信）,通过飞机、火箭、人工等形式，将大量传感器结点分布在需要监测的区域内。,结点处于睡眠状态,结点间的通信,1、传感器结点激活；2、通过无线通信，确定自身的位置；3、自动组织成网络；,唤醒、联络、确定自身位置,网关,结点,各传感器分别探测外部信息,温度,湿度,土壤成分,图象,压强,压力,光照,声音,加速度,？,因环境影响、能量耗尽等原因，结点容易发生故障。,磁场,位移,核辐射,各结点将信息汇聚到基站,结点出故障，其它结点会自动寻找别的“同伴”完成任务。,网关,（路由器）既要输出本身的信息，还要传递其它结点的信息。,结点能量不足时，只能输出本身的信息，而无法传递其它结点的信息。,卫星、互联网,信息经卫星、互联网到达用户,网关,网关对各路信息进行过滤，把重要的信息发送给用户。,例如：为防范敌军坦克，飞机在某区域撒落数千个传感器结点，形成无线传感器监测网络。每个结点都配备磁传感器和振动传感器。,以无线传感器监测网，替代地雷布阵,卫星、互联网,网关,大量结点随机分布,联络、自身定位、自动组织成网络,传感器探测磁场和震动信息,1、是不是坦克？2、根据多点信息，进行目标定位,报告时间、方位、速度、方向,无线传感器网络起源于军事研究。现代战争被喻为“感知者的胜利”。只有拥有全天候、抗干扰、高灵敏度的传感器，才会有“透明的战场”。自阿富汗和伊拉克战争以来，各军事强国都非常重视网络和传感器的重要作用，以提高“战场感知”能力。,无线传感器网络的应用,例如：美军研制的“战场感知与数据分发”系统，利用地面传感器对目标进行探测、识别和跟踪，并将目标信息通过网络系统直接传送给武器装备。,传感器,网络系统,“传感器到射手”作战模式：,这一技术的雏形，始于60年代越南战争。,越南胡志明小道,上世纪60年代越战期间，越南北方通过老挝和柬埔寨境内的秘密通道胡志明小道向南方输送军用物资和人员。胡志明小道处于密林中，美军很难发现。为了切断这