半导体传感器2014-1

1、半导体传感器半导体传感器 讲授人：刘晓宁讲授人：刘晓宁 办公室：办公室：H621 email：wh_绪绪 论论n一、课程意义一、课程意义 专业培养的要求专业培养的要求 传感技术的重要性传感技术的重要性 现代信息技术的三大支柱之一；现代信息技术的三大支柱之一； 传感器在人类生活中的传感器在人类生活中的广泛应用广泛应用； 国内传感器现状及国内传感器现状及发展趋势发展趋势 信息技术是管理和处理信息所用的各种技术的信息技术是管理和处理信息所用的各种技术的总称，现代信息技术的基础有三个主要方面：总称，现代信息技术的基础有三个主要方面： 信息采集信息采集 传感器技术传感器技术 信息传输信息传输 通信技术通

2、信技术 信息处理信息处理 计算机技术（包括软件和硬件）计算机技术（包括软件和硬件） 目前提到的传感器，大多是指能输出电信号的目前提到的传感器，大多是指能输出电信号的装置。它在信息系统中处于常处于前端，它的性能装置。它在信息系统中处于常处于前端，它的性能如何将直接影响整个系统的工作状态与质量。因此如何将直接影响整个系统的工作状态与质量。因此人们对传感器在信息社会中的重要性具有相当高的人们对传感器在信息社会中的重要性具有相当高的评价。评价。n传感器的重传感器的重要性体现在要性体现在它分布于人它分布于人类的众多生类的众多生活领域，并活领域，并与各个学科与各个学科的发展紧密的发展紧密联系。联系。应用领

3、域应用领域所占比例所占比例%应用领域应用领域所占比例所占比例%信息处理与通信息处理与通讯讯8环保气象安全环保气象安全10科学仪器仪表科学仪器仪表11.7资源与海洋开资源与海洋开发发1.4电力与能源电力与能源5.3医疗卫生医疗卫生11机械制造设备机械制造设备18.1农业渔业农业渔业0.7家用电器家用电器13.9土木建筑与工土木建筑与工程程0.7汽车汽车7.3商业金融商业金融0.2运输运输1.6其他其他7.3空间开发空间开发2.7表表1.1 传感器的市场结构传感器的市场结构传感器的应用实例传感器的应用实例火灾报警器火灾报警器火灾报警器外形示意图火灾报警器外形示意图火灾报警器结构和原理示意图火灾报警

4、器结构和原理示意图传感器的应用实例传感器的应用实例利用光脉冲测量车速和行程利用光脉冲测量车速和行程测量原理示意图测量原理示意图光源光源光电接收装置光电接收装置电阻式远传压力表感应式流量表称重传感器CCD传感器质子旋进式磁敏传感器压阻式液位传感器光敏传感器温度传感器风力参数传感器地震检波器反射式光敏传感器磁、气、力敏传感器超声传感器 1.成就：成就： 我国早在我国早在20世纪世纪60年代就开始涉足传感器制年代就开始涉足传感器制造业，造业，1972年组建成中国第一批压阻传感器研制年组建成中国第一批压阻传感器研制生产单位。从改革开放以来，我国传感器技术及其生产单位。从改革开放以来，我国传感器技术及其

5、产业取得了长足进步，主要表现在：建立了传感技产业取得了长足进步，主要表现在：建立了传感技术国家重点实验室、微米术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室、纳米国家重点实验室、国家传感技术工程中心等研究开发基地；国家传感技术工程中心等研究开发基地；MEMS、MOEMS等研究项目列入了国家高新技术发展重点；等研究项目列入了国家高新技术发展重点；经过多年的产业化建设，全国已有经过多年的产业化建设，全国已有2000多家企事多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用。目前中国业单位从事传感器的研制、生产和应用。目前中国市场进入市场进入“百家争鸣百家争鸣”时期，传感器行业将迎接新时期，传感器行业将迎接新的

6、机遇和挑战。的机遇和挑战。我国传感器的发展现状我国传感器的发展现状2.不足不足 活跃在国际传感器市场上的仍然是美国、日活跃在国际传感器市场上的仍然是美国、日本、德国等老牌工业国家的企业，而我国传感器本、德国等老牌工业国家的企业，而我国传感器行业总体技术水平落后于世界水平行业总体技术水平落后于世界水平510年，某年，某些核心制造工业技术严重滞后于国外，使我国传些核心制造工业技术严重滞后于国外，使我国传感器企业在国内与国际市场上缺少竞争力。感器企业在国内与国际市场上缺少竞争力。 由于批产工艺的稳定性、可靠性问题没有得由于批产工艺的稳定性、可靠性问题没有得到根本解决，有些高性能产品，不是靠工艺保证，

7、到根本解决，有些高性能产品，不是靠工艺保证，而是靠筛选分档，主要性能指标和国外差而是靠筛选分档，主要性能指标和国外差1-2个数个数量级，寿命差量级，寿命差2-3级。级。 对传统传感器的革新改进不足，微小型化步对传统传感器的革新改进不足，微小型化步子慢，集成化、智能化和纳米技术与国外差距大，子慢，集成化、智能化和纳米技术与国外差距大，科技创新差，拥有自主知识产权的产品少。科技创新差，拥有自主知识产权的产品少。 从总体发展看，传统硅技术将一直延续到从总体发展看，传统硅技术将一直延续到2047年才趋达到芯片特征尺寸的极限和衰退。而当前微年才趋达到芯片特征尺寸的极限和衰退。而当前微电子技术仍将依循电子

8、技术仍将依循“等缩比原理等缩比原理”和和“摩尔定律摩尔定律”两条基本规律，在尽力逼近传统硅技术极限中，不两条基本规律，在尽力逼近传统硅技术极限中，不断扩展硅的跨学科横向应用（如断扩展硅的跨学科横向应用（如MEMS等）和突破等）和突破“非稳态物理器件非稳态物理器件”（量子、分子器件），这也是（量子、分子器件），这也是当前乃至未来当前乃至未来20年传感器技术的主要发展方向。年传感器技术的主要发展方向。 结合我国的实际情况，国内传感器的发展趋势结合我国的实际情况，国内传感器的发展趋势将集中在以下几个方向：将集中在以下几个方向：我国传感器的发展趋势我国传感器的发展趋势（1）传感器的微型化、集成化和多功

9、能化）传感器的微型化、集成化和多功能化 将传感器、信号处理器、控制系统、电源系统将传感器、信号处理器、控制系统、电源系统等产品一体化，作为投入市场的初始产品，才能获等产品一体化，作为投入市场的初始产品，才能获取行业的重视，满足市场需求。利用集成电路工艺取行业的重视，满足市场需求。利用集成电路工艺及及MEMS工艺，可以实现微小尺寸传感器的生产，工艺，可以实现微小尺寸传感器的生产，在兼容的生产工艺条件下，传感器的集成化和多功在兼容的生产工艺条件下，传感器的集成化和多功能化不在是梦想。能化不在是梦想。 已经获得广泛应用的多功能硅压力已经获得广泛应用的多功能硅压力/差压传感器差压传感器是小型集成化的典

10、型。它是在是小型集成化的典型。它是在4mm4mm的硅片的硅片上，采用微电子平面工艺和微机械加工工艺，采用上，采用微电子平面工艺和微机械加工工艺，采用三坯双岛的复合敏感结构，实现了差压、静压和温三坯双岛的复合敏感结构，实现了差压、静压和温度三参数的同时测量。度三参数的同时测量。 （2）新材料的研发）新材料的研发 随着材料行业对传感器敏感材料进一步的开发，随着材料行业对传感器敏感材料进一步的开发，传感器新敏感材料不断推出，高新材料已广泛用于传感器新敏感材料不断推出，高新材料已广泛用于新型传感器制造研发中，如光纤传感器，光纤传感新型传感器制造研发中，如光纤传感器，光纤传感器可分为传感型和传光型两大类

11、。利用外界因素改器可分为传感型和传光型两大类。利用外界因素改变光纤中光波的特征参数，从而对外界因素进行计变光纤中光波的特征参数，从而对外界因素进行计量和数据传输的传感器，称为传感型光纤传感器。量和数据传输的传感器，称为传感型光纤传感器。传光型光纤传感器是指利用其他敏感原件测得的特传光型光纤传感器是指利用其他敏感原件测得的特征量，由光纤进行数据传输的传感器。与传统传传征量，由光纤进行数据传输的传感器。与传统传传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、体积小、测量对象广泛和使用寿命长等特耐腐蚀、体积小、测量对象广泛和使用寿命长等特性，因此

12、已成为最优潜力的传感器之一。性，因此已成为最优潜力的传感器之一。（3 3）传感器的智能化）传感器的智能化 传感器的数字化和智能化的出现是传感器产业传感器的数字化和智能化的出现是传感器产业又一次突破，也成为当今传感器行业发展的重要发又一次突破，也成为当今传感器行业发展的重要发展方向之一。智能传感器将微处理、通信总线接口、展方向之一。智能传感器将微处理、通信总线接口、信息检测、信息处理和信息传输等功能一体化，并信息检测、信息处理和信息传输等功能一体化，并自行进行补偿、校正、故障排除，将只能进行单一自行进行补偿、校正、故障排除，将只能进行单一检测、单一功能的传统传感器与智能化技术相结合，检测、单一功

13、能的传统传感器与智能化技术相结合，实现传感器的多种测量、多种变量的特性。另外数实现传感器的多种测量、多种变量的特性。另外数字传感器内部结构简单，利用纯数字电路进行测量，字传感器内部结构简单，利用纯数字电路进行测量，抗干扰性强。随着计算机技术的发展，传感器的数抗干扰性强。随着计算机技术的发展，传感器的数字化和智能化得到了最大意义的体现，具有更大的字化和智能化得到了最大意义的体现，具有更大的发展潜力和空间。发展潜力和空间。（4 4）网络化智能传感器）网络化智能传感器 传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组有无线通

14、信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短，式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短，一般采用多跳（一般采用多跳（multi-hop）的无线通信方式进行）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到以通过网关连接到Internet，使用户可以远程访问。，使用户可以远程访问。传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监

15、测对象的信地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳方式将所感知信息传送自组织无线通信网络以多跳方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算无处不在的计算”理理念。念。n课程的研究对象和主要内容课程的研究对象和主要内容n学习重点及学习方法学习重点及学习方法二、课程内容及学习重点：二、课程内容及学习重点：课程的研究对象及主要内容课程的研究对象及主要内容n研究对象：主要研究利用半导体材料或器件的某些研究对象：主要研究利用半导体材料或器件的某些物理

16、性质或效应制成的对某种物理量敏感的器件。物理性质或效应制成的对某种物理量敏感的器件。n主要内容：三大部分主要内容：三大部分 第一章：传感器的基本概念：如定义，组成，分类等；第一章：传感器的基本概念：如定义，组成，分类等； 第二章第六章：半导体光传感器、温度传感器、磁第二章第六章：半导体光传感器、温度传感器、磁 传感器、压力传感器、气体传感器；传感器、压力传感器、气体传感器； 第七章第十章：介绍离子传感器、生物传感器、第七章第十章：介绍离子传感器、生物传感器、 智能传感器和智能传感器和MEMS传感器的基本情传感器的基本情 况。况。学习重点及方法：学习重点及方法：n一、掌握基本概念；一、掌握基本概

17、念；n二、掌握各类典型半导体传感器元件的工作原理、二、掌握各类典型半导体传感器元件的工作原理、结构及特性；结构及特性；n三、掌握典型传感器的工作电路及分析方法三、掌握典型传感器的工作电路及分析方法三、参考书籍三、参考书籍n1.半导体传感器原理及其应用半导体传感器原理及其应用 牛德芳主编牛德芳主编 大连理工大学出版社。大连理工大学出版社。n2.传感器原理与检测技术传感器原理与检测技术 童敏明童敏明 唐守锋唐守锋 董海波董海波 编著编著 机械工业出版社。机械工业出版社。第一章第一章 传感器的基本概念传感器的基本概念n1.1 传感器的定义、组成和分类传感器的定义、组成和分类n1.2 传感器的特性传感

18、器的特性参数参数1.1 传感器的定义、组成和分类传感器的定义、组成和分类一、传感器的定义一、传感器的定义 根据国家标准根据国家标准(GB7665-87)传感器通用术传感器通用术语语，传感器，传感器(Transducer/Sensor)的定义是：的定义是：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置出信号的器件或装置。 有些国家和有些学科领域，将传感器称为换有些国家和有些学科领域，将传感器称为换能器、变换器、探测器或检测器等。能器、变换器、探测器或检测器等。 理解传感器的定义，请注意以下三个方面：理解传感器的定义，请注意以下三个方面： 输

19、入量即是被测量，可能是物理量也可能是输入量即是被测量，可能是物理量也可能是化学量、生物量等；化学量、生物量等； 由于电信号易于保存、放大、计算和传输，由于电信号易于保存、放大、计算和传输，且是计算机唯一能够直接处理的信号，所以传感器且是计算机唯一能够直接处理的信号，所以传感器的输出一般是电信号；的输出一般是电信号； 输出输入有对应关系，即其工作原理，应有输出输入有对应关系，即其工作原理，应有一定的精确程度。一定的精确程度。二、传感器的组成二、传感器的组成压力传感器示例压力传感器示例 通常传感器主体部分由通常传感器主体部分由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件两两部分组成。其中敏感元件部分组成。

20、其中敏感元件(Sensing element)是指传感是指传感器中能直接感受被测量并转换成某种量的变化；转器中能直接感受被测量并转换成某种量的变化；转换元件换元件(Transition element)是指传感器中能将敏感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学量变化。元件输出量转换为适于传输和测量的电学量变化。下面是传感器的组成方框图下面是传感器的组成方框图1.1。被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源测量电路测量电路电信号电信号图图 1.1 1.1 传感器组成方框图传感器组成方框图 压 力 作 用 膜片形变（应变） 应变片电阻改变 图图1.2 压力

21、传感器压力传感器敏感元件敏感元件转换元件转换元件n应说明的是，并不是所有的传感器都能明显分清敏应说明的是，并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件和转换元件两个部分。有的传感器二者合二感元件和转换元件两个部分。有的传感器二者合二为一，例如硅光电池是将感受的被测量为一，例如硅光电池是将感受的被测量光能直光能直接转换为电信号输出，没有中间转换电路的部分。接转换为电信号输出，没有中间转换电路的部分。而有的传感器，转换元件则不止一个，要经过若干而有的传感器，转换元件则不止一个，要经过若干次转换。次转换。n测量电路：常常作为转换元件的辅助部分，对转换测量电路：常常作为转换元件的辅助部分，对转换元件的输出量

22、起放大、模元件的输出量起放大、模/数转换、修正、补偿等数转换、修正、补偿等作用。作用。三、传感器的分类三、传感器的分类n1. 按外界输入的信号变换为电信号采用的效应分按外界输入的信号变换为电信号采用的效应分类类 物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器 物理型传感器物理型传感器 利用利用物理效应物理效应进行信号变换的传感器称为物理进行信号变换的传感器称为物理型传感器，它利用某些敏感元件的物理性质或某些型传感器，它利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能进行被测非电量的变换。功能材料的特殊物理性能进行被测非电量的变换。如：利用半导体材料在被测

23、量作用下引起电阻值变如：利用半导体材料在被测量作用下引起电阻值变换的压阻效应制成的压阻式传感器。换的压阻效应制成的压阻式传感器。 n物理型传感器又可以分为物理型传感器又可以分为结构型传感器结构型传感器和和物性型物性型传感器传感器两种。两种。结构型传感器以结构（形状、尺寸等）为基础，结构型传感器以结构（形状、尺寸等）为基础，利用物理规律来转换被测量。如电容式压力传感利用物理规律来转换被测量。如电容式压力传感器（工作时两极间距发生变化）。结构型传感器器（工作时两极间距发生变化）。结构型传感器强调要依靠精密设计制作的结构强调要依靠精密设计制作的结构才能正常工作。才能正常工作。物性型传感器利用某些功能

24、材料本身所具有的内物性型传感器利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应来转换被测量。所以物性型传感器在特性及效应来转换被测量。所以物性型传感器主要主要依靠材料本身的物理特性、物理效应依靠材料本身的物理特性、物理效应来实现。来实现。化学型传感器化学型传感器 利用利用电化学反应原理电化学反应原理，把无机或有机化学的，把无机或有机化学的物质成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常物质成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子敏传感器，如离子选择电极，核心部用的是离子敏传感器，如离子选择电极，核心部分是离子选择性敏感膜。分是离子选择性敏感膜。生物型传感器生物型传感器 这是利用这是利用生物活性物质

25、生物活性物质的选择性来识别和测的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。如免疫传感器。定生物化学物质的传感器。如免疫传感器。n2.按工作原理分类按工作原理分类 这种分类方法是以这种分类方法是以传感器的工作原理传感器的工作原理（即输（即输入与输出之间的转换关系）作为分类的依据，如入与输出之间的转换关系）作为分类的依据，如应变式、压阻式、压电式、电容式、霍尔传感器应变式、压阻式、压电式、电容式、霍尔传感器等等，通常能从其名称揣测该类传感器的工作原等等，通常能从其名称揣测该类传感器的工作原理，有利于传感器专业工作者从原理与设计上作理，有利于传感器专业工作者从原理与设计上作归纳性的分析研究。归纳性的分

26、析研究。n3. 按被测量对象分类按被测量对象分类 按传感器的被测量对象按传感器的被测量对象输入信号分类，输入信号分类，能够很方便地表示传感器的功能，便于用户选择。能够很方便地表示传感器的功能，便于用户选择。如温度传感器、压力传感器、气体传感器等等名如温度传感器、压力传感器、气体传感器等等名称。这种分类方法还涉及基本量和派生量的概念，称。这种分类方法还涉及基本量和派生量的概念，例如力派生出重力、应力、力矩等；位移派生出例如力派生出重力、应力、力矩等；位移派生出长度、厚度、旋转角等；速度派生出振动、流量、长度、厚度、旋转角等；速度派生出振动、流量、转速、角振动等；加速度派生出冲击、扭矩、转转速、角

27、振动等；加速度派生出冲击、扭矩、转动惯量等；时间派生出周期、计数、统计分布；动惯量等；时间派生出周期、计数、统计分布；温度派生热容量、涡流；光派生出光谱分布等。温度派生热容量、涡流；光派生出光谱分布等。n4. 按外加电源分类按外加电源分类有源和无源有源和无源 有源传感器（能量转换型传感器）有源传感器（能量转换型传感器） 能将能将非电量直接转换成电信号，所以有时被成为非电量直接转换成电信号，所以有时被成为“换换能器能器”。例如压电式（超声波换能器）、热电式。例如压电式（超声波换能器）、热电式（热电偶）、光电式（光电池）等。（热电偶）、光电式（光电池）等。 无源传感器（能量控制型传感器）无源传感器

28、（能量控制型传感器） 不能不能将被测量直接转换成电学量，由辅助电源供给电将被测量直接转换成电学量，由辅助电源供给电能，被测量对该电能起能量控制作用，如电容式能，被测量对该电能起能量控制作用，如电容式传感器、压阻式传感器等。传感器、压阻式传感器等。 5.按构成传感器的功能材料分类按构成传感器的功能材料分类 按构成传感器的功能材料不同，可将传感器按构成传感器的功能材料不同，可将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、高分子薄膜传感器等等。高分子薄膜传感器等等。 6.按某种高新技术命名的传感器分类按某种高新技术命名的传感器分类 根据某种高新技术命名，

29、如集成传感器、智根据某种高新技术命名，如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等。能传感器、机器人传感器、仿生传感器等。1.2 传感器的特性参数传感器的特性参数n传感器输出与输入关系通常是以数学模型来体现，传感器输出与输入关系通常是以数学模型来体现，理论上当输入信号为静态量、准静态量或动态量时，理论上当输入信号为静态量、准静态量或动态量时，可以用带随机变量的非线性微分方程作为模型。由可以用带随机变量的非线性微分方程作为模型。由于输入信号状态不同，传感器所表现的输出特性也于输入信号状态不同，传感器所表现的输出特性也不同，所以实际上，传感器的静、动态特性可以分不同，所以实际上，传感器的静

30、、动态特性可以分开来研究。开来研究。n传感器的特性可分为传感器的特性可分为静态特性静态特性和和动态特性动态特性两大类。两大类。当输入量为常量，或变化极慢时（即输入量为静态当输入量为常量，或变化极慢时（即输入量为静态或准静态信号），这一关系称为静态特性；当输入或准静态信号），这一关系称为静态特性；当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。n 由于不同性质的传感器有不同的内在参数关由于不同性质的传感器有不同的内在参数关系（即有不同的数学模型），它们的静、动态两系（即有不同的数学模型），它们的静、动态两个数学模型也表现出不同的特点。为了研究各种个数

31、学模型也表现出不同的特点。为了研究各种传感器的共性，这里我们提出传感器的静、动态传感器的共性，这里我们提出传感器的静、动态数学模型的一般形式，然后根据各种传感器的不数学模型的一般形式，然后根据各种传感器的不同特性，再作以具体条件的简化后给予讨论。同特性，再作以具体条件的简化后给予讨论。n 应该指出的是，一个高性能的传感器必须具应该指出的是，一个高性能的传感器必须具备良好的静态和动态特性，这样才能完成无失真备良好的静态和动态特性，这样才能完成无失真的信息转换。的信息转换。n一、传感器静态特性的方程表示方法一、传感器静态特性的方程表示方法 若不考虑滞后、蠕变的条件下，传感器静态模若不考虑滞后、蠕变

32、的条件下，传感器静态模型的一般形式在数学理论上可以用型的一般形式在数学理论上可以用n次方代数方程次方代数方程来表示，即：来表示，即： 式中：式中：y输出量；输出量；x输入量；输入量；a0零位输出；零位输出； a1线性灵敏度；线性灵敏度； a2、a3、 、 an非线非线性项的待定常数，可正可负。各项系数不同，决定性项的待定常数，可正可负。各项系数不同，决定了不同传感器特性曲线的具体形式。了不同传感器特性曲线的具体形式。 1.2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn理想和非理想的线性特性差异理想和非理想的线性特性差异校准试验校准试验1.2.1 传感器的

33、静态特性传感器的静态特性n二二、传感器的主要静态性能指标、传感器的主要静态性能指标1线性度线性度 为了标定和数据处理的方便，总希望输出和输为了标定和数据处理的方便，总希望输出和输入之间是线性关系，于是采用硬软件补偿来进行线入之间是线性关系，于是采用硬软件补偿来进行线性化处理，这样就使得输出不可能丝毫不差的反映性化处理，这样就使得输出不可能丝毫不差的反映被测量的变化，总是存在一定的误差，即使实际是被测量的变化，总是存在一定的误差，即使实际是线性关系的特性，测量的线性关系也并不完全与其线性关系的特性，测量的线性关系也并不完全与其重合，而重合，而常用一条拟合直线近似代表实际的特性曲常用一条拟合直线近

34、似代表实际的特性曲线。线。 线性度的定义线性度的定义：传感器的实测输入输出特性曲：传感器的实测输入输出特性曲线与理论拟合直线（理想输入输出特性曲线）的最线与理论拟合直线（理想输入输出特性曲线）的最大偏差对传感器满量程输出之比的百分数表示。线大偏差对传感器满量程输出之比的百分数表示。线性度也成为性度也成为“非线性误差非线性误差”或或“非线性度非线性度”。=max A100%最大偏差最大偏差满量程输出平均值满量程输出平均值图图1.3 线性度的表示方法线性度的表示方法maxFSymxyxmaxFSymxyxmaxFSymxyx图图 1.1.4 4 不同拟合直线下传感器的线性度不同拟合直线下传感器的线

35、性度 线性度的大小是以一定的拟合直线为基准直线性度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。方便，计算是否简便。 按拟合直线不同，线性度有以下几类：按拟合直线不同，线性度有以下几类： 理论线性度；理论线性度； 端基线性度；端基线性度； 独立线性度；独立线性度； 最小二乘法线性度。最小二乘法线性度。设拟合直线方程：设拟合直线方程：0yyi

36、xy=kx+bxi图图1.5 最小二乘拟合法最小二乘拟合法最小二乘法线性拟合法简介：最小二乘法线性拟合法简介：y=kx+b若实际校准测试点有若实际校准测试点有n个，则第个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：之间的残差为：最小二乘法拟合直线的原理就是使最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即为最小值，即i=yi-(kxi+b)对对k k和和b b一阶偏导数等于零，求出一阶偏导数等于零，求出a a和和k k的表达式。的表达式。min2112niiiniibkxy2i022iiiixbkxyk0122bkxybiii 222iiiiiiixxnyxxyx

37、b将将k和和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出非线性误差。后求出非线性误差。即即得到得到k和和b的表达式的表达式22iiiiiixxnyxyxnk2迟滞（滞环）迟滞（滞环）0yxmA图图1.6 传感器的迟滞特性传感器的迟滞特性 如图所示，在相同的工作条件下进行全范围测如图所示，在相同的工作条件下进行全范围测量时，量时，传感器在正传感器在正( (输入量增大输入量增大) )反（输入量减小）反（输入量减小）行程中输出输入特性曲线不重合称为迟滞行程中输出输入特性曲线不重合称为迟滞。100%100mAEm式中式中m正反向特性曲线间的最大偏差。正反向特性曲

38、线间的最大偏差。 A 传感器满量程输出平均值。传感器满量程输出平均值。 最大滞环误差率表示为：最大滞环误差率表示为：一般来说，输入增加到某值时的输出要比输入下降一般来说，输入增加到某值时的输出要比输入下降到该值时的输出值小，如果存在迟滞差，则输入和到该值时的输出值小，如果存在迟滞差，则输入和输出的关系就不是一一对应了，因此必须尽量减少输出的关系就不是一一对应了，因此必须尽量减少这个差值。这个差值。 3重复性重复性yx0m2m1%100mAm 重复性误差可表示为：重复性误差可表示为： 重复性是指在相同的工重复性是指在相同的工作条件下，传感器在输入按作条件下，传感器在输入按同一方向作全量程连续多次

39、同一方向作全量程连续多次测量时所得特性曲线不一致测量时所得特性曲线不一致的程度。的程度。各条曲线越靠近，各条曲线越靠近，重复性就越好。重复性就越好。Rmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。A100%图图1.7 传感器的重复性传感器的重复性4灵敏度灵敏度 如果输入输出特性为线性的传感器或仪表，则：如果输入输出特性为线性的传感器或仪表，则：K=y/x 传感器输出的变化量传感器输出的变化量y y与引起该变化量的输入与引起该变化量的输入变化量变化量x x之比即为其静态灵敏度，其表达式为之比即为其静态灵敏度，其表达式为K= y

40、 / x 如果传感器系统的输入输出特性为非线性，则灵如果传感器系统的输入输出特性为非线性，则灵敏度不是常数，应以敏度不是常数，应以dy/dxdy/dx表示传感器在某一工作点表示传感器在某一工作点的灵敏度。对于需要外加辅助电源的传感器，其输出的灵敏度。对于需要外加辅助电源的传感器，其输出与供给的电源电压有关，所以其灵敏度的表达式往往与供给的电源电压有关，所以其灵敏度的表达式往往需要包括电源电压的因素。需要包括电源电压的因素。 对数字显示的测试系统，分辨率是数字显示的对数字显示的测试系统，分辨率是数字显示的最后一位所代表的的值。对指针式测试仪表，分辨最后一位所代表的的值。对指针式测试仪表，分辨率与

41、人们的观察能力和仪表的灵敏度有关。率与人们的观察能力和仪表的灵敏度有关。 5分辨率分辨率 分辨率也称灵敏度阈值，即引起输出量产生可观分辨率也称灵敏度阈值，即引起输出量产生可观测的微小变化所需的最小输入量的变化量测的微小变化所需的最小输入量的变化量。从微观来。从微观来看，传感器的特性曲线并不是十分平滑的，而是由许看，传感器的特性曲线并不是十分平滑的，而是由许多微小的起伏。当输入量改变多微小的起伏。当输入量改变xx时，输出量变化时，输出量变化yy，xx变小，变小，yy也变小。但是一般来说，也变小。但是一般来说，xx小到某种小到某种程度，输出量就不再变化了，这时的程度，输出量就不再变化了，这时的xx

42、就是分辨率就是分辨率或灵敏度阈值。或灵敏度阈值。 6精度精度 传感器的检测装置的精度包括精密度、准确度传感器的检测装置的精度包括精密度、准确度和精确度三项。和精确度三项。 精密度：在相同条件下，对同一个量进行重精密度：在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度。复测量时，这些测量值之间的相互接近程度。 准确度：表示测量仪器指示值对真值的偏离准确度：表示测量仪器指示值对真值的偏离程度。程度。 精确度：是精密度和准确度的综合反映。精确度：是精密度和准确度的综合反映。图图1.8 精密度、准确度和精确度的差异精密度、准确度和精确度的差异 7稳定性稳定性 传感器的稳定性好坏，可

43、以观察输出值的漂移传感器的稳定性好坏，可以观察输出值的漂移情况。情况。零点漂移零点漂移：在一定条件下，保持输入信号不：在一定条件下，保持输入信号不变，输出信号随时间而变化。产生漂移的原因很多，变，输出信号随时间而变化。产生漂移的原因很多，如环境温度、湿度的影响，检测电路元器件的影响如环境温度、湿度的影响，检测电路元器件的影响等。等。 稳定性是指测量值随时间的变化程度稳定性是指测量值随时间的变化程度。理想的。理想的情况是，无论何时传感器的灵敏度等特性参数都不情况是，无论何时传感器的灵敏度等特性参数都不随时间变化，但实际上大多数传感器的特性都会随随时间变化，但实际上大多数传感器的特性都会随时间改变

44、，因此传感器必须定期进行校准。时间改变，因此传感器必须定期进行校准。1.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性n 所谓动态特性指标，主要是指传感器输入信所谓动态特性指标，主要是指传感器输入信号随时间变化时输出信号随之响应的情况号随时间变化时输出信号随之响应的情况，比如，比如说传感器在测量动态压力、振动、上升温度时，说传感器在测量动态压力、振动、上升温度时，都离不开动态指标。都离不开动态指标。n 被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据间的

45、函数。通常研究动态特性是根据标准输入标准输入特特性来考虑传感器的响应特性。性来考虑传感器的响应特性。n对动态特性的研究，我们从以下几个方面进行：对动态特性的研究，我们从以下几个方面进行： 一、数学模型与传递函数一、数学模型与传递函数 二、动态特性的研究示例二、动态特性的研究示例一数学模型与传递函数一数学模型与传递函数 数学模型数学模型 分析传感器动态特性，也要对输出和输入之分析传感器动态特性，也要对输出和输入之间建立数学模型（方程）。比如常见的传感器系间建立数学模型（方程）。比如常见的传感器系统，在不考虑迟滞、蠕变的情况下，其数学模型统，在不考虑迟滞、蠕变的情况下，其数学模型可表示成一个可表示

46、成一个常微分方程形式，常微分方程形式，即：即：xbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101/ y输出量输出量y(t)； x输入量输入量x(t)； t时间时间a0， a1， ，an 常数；常数； b0， b1， ，bm 常数常数 输出量对时间输出量对时间t的的n阶导数；阶导数； 输入量对时间输入量对时间t的的m阶导数阶导数 nndtyd/mmdtxd/xbyadtdyadtydadtydadtydannnnnnnnn001222111对一般的传感器，常有对一般的传感器，常有 b00, 0, b b1 1b bn n 均为零。均为零。微分方程可以简化为微分方程可以简化为(0

47、-1)(0-1) 复杂的传感器，其物理模型通常可分别用复杂的传感器，其物理模型通常可分别用零阶、零阶、一阶和二阶的常微分方程或其组合来描述一阶和二阶的常微分方程或其组合来描述。比如说。比如说电位器传感器可视为零阶系统，热敏传感器可视为电位器传感器可视为零阶系统，热敏传感器可视为一阶系统，加速度传感器可视为二阶系统。（见例一阶系统，加速度传感器可视为二阶系统。（见例题题1）xbya00 xbyadtdya001xbyadtdyadtyda001222例题例题 1：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统输入量：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统输入量(压力压力) F 为为F(t) = b0 x (t)

48、，输出量为位移，输出量为位移y(t )，列出其微分方程。，列出其微分方程。图图1.9 某一阶传感器某一阶传感器a1a0b0 x(t) =F(t)y(t)解：根据牛顿第二定律：解：根据牛顿第二定律： f阻力阻力+f弹力弹力=F(t) xbyadtdya001阻尼系数阻尼系数弹性系数弹性系数 对于较为复杂的系统，微分方程的求解过程也很复杂，我对于较为复杂的系统，微分方程的求解过程也很复杂，我们可以根据们可以根据信号与系统信号与系统中的知识，利用传递函数（系统函中的知识，利用传递函数（系统函数）来处理。数）来处理。 返回返回在在x(t)为已知的情况下，余下的问为已知的情况下，余下的问题归结到这个一阶

49、常系数微分方程题归结到这个一阶常系数微分方程的求解问题的求解问题程的求解问题。程的求解问题。 传递函数传递函数 动态特性的传递函数动态特性的传递函数H H（S S）在线性或线性化定常在线性或线性化定常系统中是指初始条件为系统中是指初始条件为0 0时，系统输出量的拉氏变换时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比与输入量的拉氏变换之比。对对微分方程微分方程通式进行拉普通式进行拉普拉斯变换，处理后即可得到系统的传递函数拉斯变换，处理后即可得到系统的传递函数( (S S ) )。 Y( S )( anS n + an-1S n-1 + an-2S n-2 + a1S + a0 ) =X( S )

50、( bmS m + bm-1S m-1 + bm-2S m-2 + b1S + b0 )H H( (S S )=)=Y( S )X( S )=anS n + an-1S n-1 + an-2S n-2+ a1S + a0bmS m + bm-1S m-1 + bm-2S m-2+ b1S + b0图图 1.1.1010 传递函数框图传递函数框图01110111aSaSaSabSbSbSbnnnnmmmmH (S )xy其中其中S为拉氏变换的自变量为拉氏变换的自变量,是个复数是个复数 S=+jxbdtdxbdtxdbyadtdyadtydammmnnn0101/ 对于较为复杂的系统，可以将其看作

51、是一些较为对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联，串联系统与并联系统的传递简单系统的串联与并联，串联系统与并联系统的传递函数如图所示。函数如图所示。 对对 ( S ) = ( (S S ) )( S ) 进行反变换，即可得进行反变换，即可得到到Y( t ) 与与 X( t ) 关系。（微分方程的拉氏变换求解关系。（微分方程的拉氏变换求解法）法） 串联系统：总传递函数为各子系统传递函数的积。串联系统：总传递函数为各子系统传递函数的积。 并联系统：总传递函数为各子系统传递函数的和。并联系统：总传递函数为各子系统传递函数的和。图图 1.1.1111 串联系统（串联系统（a a）和并联）和并联系统（系统（b b）)( SH1)( SH2)( SH