传感器及实用检测技术实用教案

1、1.1传感器的概念1.传感器定义：所谓(suwi)传感器(sensor),是指将感受到的物理量、化学量等信息,按照一定规律,转换成便于测量和传输的信号的装置。组成：传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。 第1页/共73页第一页，共74页。图11传感器的组成(z chn)示意图 第2页/共73页第二页，共74页。（1）敏感元件(预变换器):能够完成预变换的器件称为敏感元件,又称预变换器。 如在传感器中各种类型的弹性元件常被称为敏感元件,并统称为弹性敏感元件。 敏敏感元件与传感器的区别: 传感器不但对被测变量敏感,而且(r qi)能相应地以电信号,如电压、电流、频率等形式将其传送出去

2、第3页/共73页第三页，共74页。（2）转换元件(yunjin):将敏感元件(yunjin)输出的非电量直接转换为电量的器件称为转换元件(yunjin)。 例如应变压力传感器中,弹性膜片是敏感元件(yunjin), 电阻应变片才是转换元件(yunjin)。 有一些传感器, 合二为一,如压电晶体、热电偶等。 （3）测量电路:将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路，称为测量电路。 （测量电路的类型有电桥电路及其他特殊电路,如高阻抗输入电路、脉冲(michng)调宽电路、振荡回路等。) T0T0CBAT第4页/共73页第四页，共74页。2.换能器 定义：将信号从一种物理

3、形式变换为另一种不同物理形式的装置称为换能器。 自然界有六种形式的信号：机械、热、电、磁、化学、辐射（包括光、电磁波、微粒辐射）。 换能器与传感器的区别：包括传感器、执行器等。但传感器专用于信息的采集(cij)，执行器主要用于功率转换。 第5页/共73页第五页，共74页。3.变送器定义:是从传感器发展而来(r li)的,凡能输出标准信号的传感器都称为变送器。 常用标准信号为05V的电压信号或420mA的电流信号。 数字变送器:以输出数字量为特征的满足某种传输协议(如现场总线协议)的变送器。第6页/共73页第六页，共74页。4.转换器定义：能将非标准信号转换成标准信号或者能将不同标准的信号实现相

4、互转换的装置称为转换器。 非标准信号变成标准信号的转换。使之与带有标准信号输入电路或接口(ji ku)的仪表配套。 不同标准的信号的转换。例如,气/电转换、电/气转换,能把20100kPa的空气压力与010mA的电流相互转换。电/电转换。如420mA与010mA电流之间的转换。第7页/共73页第七页，共74页。1.2传感器的分类 传感器的种类繁多,分类的方法也不尽相同，通常有按用途和按工作原理两种分类思路(sl)，具体见表11。 第8页/共73页第八页，共74页。表1 11 1传感器常用的两种分类(fn li)(fn li)方式 按传感器的用途 按传感器的工作原理 位移传感器 电阻式传感器 力

5、传感器 电感式传感器 荷重传感器 电容式传感器 速度传感器 电涡流式传感器 振动传感器 磁电式传感器 压力传感器 压电式传感器 温度传感器 光电式传感器 第9页/共73页第九页，共74页。1.按被测量分类（用途)如输入量为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等非电量时,则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、湿度传感器等。 这种分类方法给使用者提供了方便,容易根据测量对象选择所需要(xyo)的传感器,也便于初学者应用。 第10页/共73页第十页，共74页。2.按测量原理分类（工作原理）主要是基于电磁原理和固体物理学理论。如根据变电阻的原理,相应的有电位器

6、式、应变式传感器;根据变磁阻的原理,相应的有电感式、差动变压器式、电涡流式传感器;根据半导体有关理论,相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。 这是传感器研究人员所常用(chn yn)的分类方式。这种分类方式有助于减少传感器的类别数,并使传感器的研究与信号调理电路直接相关。 第11页/共73页第十一页，共74页。3.其他分类 (1)按是否(sh fu)需要激励能源分类有：无源传感器和有源传感器有源传感器：其特点在于敏感元件本身能将非电量直接转换成电信号,例如超声波换能器(压/电转换)、热电偶(热/电转换)、光电池(光/电转换)等。 无源传感器：敏感元件本身无能量转换能力, 必须采用外

7、加激励源对其进行激励,才能得到输出信号。如湿敏电容、热敏电阻、压敏电阻等都属于这类传感器。 第12页/共73页第十二页，共74页。能量控制型传感器：由于被测量仅能在传感器中起能量控制作用,因此无源传感器也称为能量控制型传感器。 提示注意：由于需要为敏感元件提供激励(jl)源,无源传感器通常需要比有源传感器用更多的引线。传感器的总体灵敏度也会受到激励(jl)信号幅度的影响。此外,激励(jl)源的存在可能增加在易燃易爆气体环境中引起爆炸的危险,在某些特殊场合需要引起足够的重视。 第13页/共73页第十三页，共74页。（2）根据输出信号的类型分类,可以将传感器分为模拟传感器与数字传感器。 准数字传感

8、器：模输出为方波信号,其频率或占空比随被测参量变化而变化的传感器称为准数字传感器。由于这类信号可直接输入(shr)到微处理器内,利用微处理器内的计数器即可获得相应的测量值。第14页/共73页第十四页，共74页。1.3传感器与检测系统1.测控系统框图一个检测系统的首要任务就是测量,而测量的目的两个: 其一、是用于客体对象的监测显示。例如对室内环境温 度/湿度(shd)的测量、环境中大气压力及空气污染物的测量、院中病人状态的监测等; 其二、则是用于控制。第15页/共73页第十五页，共74页。 图12检测控制系统(kn zh x tn)构成示意图 第16页/共73页第十六页，共74页。2.传感器在系

9、统中的作用传感器一般处于测控系统的两个部分: 一、是位于输入端,与被测对象接触,采集系统监测信息; 二、是位于输出端,采集输出量的变化并将之送回反馈通道,实现控制量的调节。传感器的性能好坏直接影响系统性能。如果传感器不能灵敏(ln mn)地感受被测量,或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号,其他仪表和装置的精确度再高也无意义。第17页/共73页第十七页，共74页。3.信号调理所谓信号调理,即对传感器的输出信号进行再加工,使其更适合于后续的信号传输及处理。 信号调理内容：信号放大、信号输出范围(如10V,05V等)再调整、噪声抑制或最小化等。信号调理单元在测量系统(xtng)中的位置如图13

10、所示。实际上,信号调理与检测电路之间的界限并不一定很清楚,有时还会合二为一,因此有些文献中也将电阻抗-电压转换电路,如电阻、电感、电容等的检测电路归为信号调理电路。 第18页/共73页第十八页，共74页。 图13信号调理在测量(cling)系统中的位置 第19页/共73页第十九页，共74页。 图14典型的信号(xnho)获取系统 第20页/共73页第二十页，共74页。4.系统的模块化和接口实际(shj)的测量系统是通过传感器、信号调理、数据采集、信号处理、数据显示、数据存储与传输等环节的有机组合实现的。将系统进行模块化、标准化是很必要的。相关技术人员就可以在不必深入了解每个功能模块的内部原理及

11、结构的情况下,对整个系统进行设计、实现及维护,模块化的测量系统，如图15所示。 第21页/共73页第二十一页，共74页。 图15模块化的测量(cling)系统 第22页/共73页第二十二页，共74页。所谓接口,是指实现两功能模块之间电气(dinq)参数连接的部分。 接口电路可以工作在同一电气(dinq)参数范围,如将传感器输出的模拟信号调整成标准输出信号;也可将信号从一种形式(如图16所示)变换到另一个形式,如模/数转换电路。 第23页/共73页第二十三页，共74页。 图16测量(cling)系统中可能涉及的物理量的形式 第24页/共73页第二十四页，共74页。在传感器与测量系统的接口方面,传

12、感器的输出阻抗决定了接口电路所需的输入阻抗： 传感器的输出为电压信号时,要求(yoqi)接口电路的输入阻抗高,以便使检测电压接近传感器的输出电压,如图17(a)所示。 传感器的输出为电流信号时，则要求(yoqi)接口电路的输入阻抗低,以便使输入电流接近传感器的输出电流。 (如图17(b)所示),第25页/共73页第二十五页，共74页。 电压传输 电流传输 图17传感器输出信号形式与接口( ji ku)电路的阻抗 第26页/共73页第二十六页，共74页。1.4传感器技术1.4.1传感器技术学科特点传感器技术是当今世界的高新技术之一,也是当代科学技术发展的一个重要标志,它与负责信息传输的通信技术,

13、担负信息处理的计算机技术构成现代信息技术的三大支柱, 没有(mi yu)传感器提供的可靠、准确的信息,通信和计算机技术就成为无源之水。 传感器主要涉及三大学科知识：材料科学、检测技术和工艺制造技术 。第27页/共73页第二十七页，共74页。 图18传感器技术学科(xuk)特点第28页/共73页第二十八页，共74页。1.4.21.4.2传感器的材料 传感器的敏感原理是一些(yxi)(yxi)物理现象或化学现象, , 传感器所涉及的材料问题错综复杂, ,传感器材料的定义和分类至今没有统一和标准化。 第29页/共73页第二十九页，共74页。传感器材料大致可分为两大类：敏感材料和辅助材料。例如,电阻应

14、变计主要需要四种(s zhn)材料。电阻敏感栅材料属敏感材料, 基底、粘结剂和引出线三种属辅助材料。辅助材料是传感器不可缺少的组成部分, 直接影响传感器的特性、稳定性、可靠性和寿命。敏感材料是传感器材料的核心,它决定了传感器的作用机理。 按照敏感材料的材质分类,可分为：半导体材料、敏感陶瓷材料、金属与合金材料、无机材料和有机材料、生化材料等。 第30页/共73页第三十页，共74页。1.4.31.4.3检测技术检测技术是依据(yj)(yj)物理、化学、生物反应等机理, ,对信号采集、处理的技术。它涉及电子技术、半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术等。第3

15、1页/共73页第三十一页，共74页。1.4.41.4.4工艺加工技术加工工艺是传感器从实验室走向实用(shyng)(shyng)的关键。由于传感器研究的跨学科性, ,现代加工制造技术中的各种工艺手段在传感器领域都有所体现。微机械加工技术以及集成电路生产工艺在传感器领域的应用, ,为传感器的小型化、微型化乃至智能化提供了一个重要手段, ,可以实现大批量生产小型、可靠的传感器, ,已经成为传感器生产的重要工艺手段。第32页/共73页第三十二页，共74页。图19给出了迄今为止各种加工技术所能达到的精度和被加工物体的大小。从此图中可以看出, 机械加工精度最高1m, 集成电路的掩膜精度可达100nm,

16、用移动原子的处理(chl)方法精度可达零点几纳米。 第33页/共73页第三十三页，共74页。 图19应用不同加工方法(fngf)得到的加工精度 第34页/共73页第三十四页，共74页。传统的机械量传感器,如位移、压力、流量传感器,其敏感元件的尺寸一般比较大,且往往由多个零部件组合而成,因此也有人称之为结构型传感器,其生产过程的自动化程度依生产批量而定。这类传感器(即使是那些大批量生产的传感器)的加工工艺一般都包括人工调整环节。大量的生产厂家仍然采用机械加工结合手工调整的方式(fngsh)进行。第35页/共73页第三十五页，共74页。总体来说,传感器的加工工艺可概括为:原材料的物理化学(w l

17、hu xu)分析与力学性能测试工艺弹性体的锻造、机加工及热处理工艺弹性体的稳定化处理工艺弹性体的整体清洗,贴片面的准备工艺应变计的筛选、配组工艺应变计的粘贴、加压及固化工艺组桥、布线及性能粗测工艺线路补偿与调整工艺传感器整机老化处理工艺防潮密封工艺性能检测与标定工艺。 第36页/共73页第三十六页，共74页。 * 1.5传感器的基本特性理想的传感器应该具有如下特点(tdin):(1)传感器的输出量仅对特定的输入量敏感。 (2)传感器的输出量与输入量呈唯一的、稳定的对应关系,且最好是线性关系。 (3)传感器的输出量可实时反映输入量的变化。在实际应用中, 传感器本身的结构、电子电路器件、电路系统结

18、构以及各种环境因素的存在均可能影响到传感器的整体性能,具体如图110所示。 第37页/共73页第三十七页，共74页。 图110影响传感器性能(xngnng)的因素 第38页/共73页第三十八页，共74页。1.5.11.5.1静态特性传感器的静态特性是指在稳态条件下, ,传感器的输出与输入的关系。典型的传感器静态特性曲线描述方式为 其中,y,y为输出量,x,x为输入量。理想(lxing)(lxing)的传感器输出输入特性是线性的, ,即输出与输入间的关系满足： y=f（x）y=a1x+a0第39页/共73页第三十九页，共74页。其中，a0、a1为常数。这种线性特性无疑是最理想的特性。其优点在于：

19、(1)可大大简化传感器的理论(lln)分析和设计计算。(2) 为标定和数据处理带来很大方便,只要知道线性输出-输入特性上的两点(一般画零点和满度值)就可以确定其余各点避免了非线性补偿环节,后续仪表制作、安装、调试容易,提高了测量精度。 (3)避免了非线性补偿环节,后续仪表制作、安装、调试容易,提高了测量精度。 第40页/共73页第四十页，共74页。常用的传感器的11个特性参数： 1测量范围、上下限及量程 测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限(Xmin)和测量上限(Xman),简称(jinchng)下限和上限,见图1-11.量程：是其测量上限值与下限值的代数差,即： 量程=测量上限值-测量下

20、限值。 第41页/共73页第四十一页，共74页。 图1-11 测量(cling)上下限、量程、满量程输出值、灵敏度第42页/共73页第四十二页，共74页。例如,某压力(yl)传感器的测量范围为-400+400mmHg或表示为400mmHg，其量程为800 mmHg。 反之只给出量程,却无法确定其上下限及测量范围。 第43页/共73页第四十三页，共74页。2.满量程输出(shch)值（YFS） 满量程 FS（Full Span）对应的输出(shch)值记为 YFS=Ymax- Ymin (见图1-11) 第44页/共73页第四十四页，共74页。3.零点迁移和量程迁移 零点迁移：通常将零点的变化称

21、为(chn wi)零点迁移。 量程迁移：而量程的变化则称为(chn wi)量程迁移。 如图112所示(假设传感器特性是线性的)。在实际使用中,由于测量要求或测量条件的变化,需要改变传感器的零点或量程,为此可以对传感器进行零点和量程的调整。第45页/共73页第四十五页，共74页。 图112零点迁移(qiny)和量程迁移(qiny)示意图第46页/共73页第四十六页，共74页。由于受传感器测量范围和输入通道对输入信号(xnho)的限制,实际的特性曲线通常只限于正边形ABCD内部,即用实线表示部分;虚线部分只是理论上的结果,无实际意义。因此,线段2的实际效果是传感器有效使用范围迁移到原来的25%10

22、0%,测量范围迁移到原来的075%。线段3的实际效果是传感器有效使用范围迁移到原来的0100%,测量范围迁移到原来的070%。同理,考虑图中线段4所示的量程迁移情况,其理论上零点没有迁移,量程迁移到原来的140%,而实际上只保持了原来有效范围的071.4%,测量范围则仍为原来的0100%。第47页/共73页第四十七页，共74页。4.灵敏度和分辨率灵敏度：是传感器的输出增量(zn lin)与输入增量(zn lin)之比,记为S: S=Y/X=YFS/量程(lingchng) 灵敏度就是传感器特性直线段的斜率。灵敏度是有量纲的物理量。表示对应固定输入量的输出值。例如，某位移(wiy)传感器灵敏度为

23、100mV/mm，表示该传感器对应1mm的位移(wiy)变化就有100mV的输出电压变化。 第48页/共73页第四十八页，共74页。对于非线性传感器,灵敏度可用其一阶导数形式表示， 分辨(fnbin)率：它是指输出能响应和分辨(fnbin)的最小输入量。 一般说仪表的灵敏度高,则其分辨(fnbin)率同样也高。 容易与灵敏度混淆的是辨率。第49页/共73页第四十九页，共74页。5.线性度它是传感器特性曲线与其规定的拟合直线(zhxin)之间的最大偏差max与传感器满量程输出YFS之比的百分数。 值得注意的是,线性度的具体值与具体采取的拟合直线计算方法有很大的关系,这一点从图113就可以看出来。

24、同样的传感器数据,采用不同的拟合直线可得到不同的线性度指标。目前拟合直线的获得有多种标准,一般是以在标称输出范围(fnwi)中和标定曲线的各点偏差平方之和最小(即最小二乘法原理)的直线作为拟合直线。但在研究或应用过程中,应参照具体标准进行计算。 第50页/共73页第五十页，共74页。 图113传感器的线性度 第51页/共73页第五十一页，共74页。6.误差(wch)示值：传感器所测值称为示值,它是被测真值的反映。严格地说,被测真值只是一个理论值,因为无论采用何种传感器,测得的值都有误差(wch)。实际中通常采用适当精度的仪表测出的(或用特定的方法确定的)约定真值代替真值。例如使用国家标准计量机

25、构标定过的标准仪表进行测量,其测量值即可作为约定真值。绝对误差(wch)：示值与公认的约定真值之差称为绝对误差(wch),也就是通常所指的误差(wch)。绝对误差(wch)=示值-约定真值 第52页/共73页第五十二页，共74页。相对误差(xin du w ch)：绝对误差与约定真值之比称为相对误差(xin du w ch),常用百分数表示,即引用误差：仪表量程取代约定真值则得到引用误差。虽然用相对误差来衡量精度比较合理,但仪表多应用在接近(jijn)上限值的量,因而如下式所示： 100%100%可能造成传感器误差的来源很多,但基本上可分为五种(w zhn)类型:介入误差、应用误差、特性参数误

26、差、动态误差及环境误差。 第53页/共73页第五十三页，共74页。1)介入误差 来源于传感器敏感元件的介入对所测系统的环境改变(gibin)造成的误差。第54页/共73页第五十四页，共74页。2)应用误差指使用者对具体传感器原理(yunl)缺乏了解或测量系统的设计缺陷所造成的差误。 3)特性参数误差顾名思义,这指来源于传感器本身的特性参数误差, 这类误差是传感器本身固有的。第55页/共73页第五十五页，共74页。4)动态(dngti)误差 指测量快速变化的参量时出现的误差。 是传感器对快变输入信号的反应能力的动态(dngti)特性参数。第56页/共73页第五十六页，共74页。5)环境误差指各种

27、环境因素带来误差。最常见的为温度、振动、冲击(chngj)、电磁场、化学腐蚀、电源电压波动等因素均可造成误差。第57页/共73页第五十七页，共74页。7.滞环、死区和回差滞环：由于传感器内部的某些元件具有储能效应, 使得检验所得的实际上升曲线和下降曲线常出现不重合(chngh)的情况,从而使得传感器的特性曲线形成环状, 即称为滞环。如图114(a)所示第58页/共73页第五十八页，共74页。死区：指传感器具有储能效应，使得传感器输入在小到一定范围后不足以引起输出的任何变化,而这一范围则称为死区。死区也称为不灵敏区。 其特性曲线(qxin)如图114(b)所示。因此,存在死区的仪表要求输入值大于

28、某一限度才能引起输出的变化, 典型的特性曲线(qxin)如图114(c)所示。 第59页/共73页第五十九页，共74页。 图114滞环、死区、综合效应(xioyng)分析 第60页/共73页第六十页，共74页。回差:实际上升曲线和实际下降曲线间都存在差值,其最大的差值称为回差,亦称变差,或来回变差。 通常以回差与满量程输出(shch)值之比的百分数来表示这一特性参量迟滞: %100|FSmaxYH第61页/共73页第六十一页，共74页。 8.重复性和再现性重复性:在同一工作条件下,同方向连续多次对同一输入值进行测量所得的多个输出(shch)值之间相互一致的程度称为重复性。 实际上, 常选用上升

29、曲线的最大离散程度和下降曲线的最大离散程度两者中的最大值与满量程输出(shch)值之比的百分数来表示重复性(或称重复性误差）:第62页/共73页第六十二页，共74页。 再现性：指不同时间以相同条件(tiojin)测量同一被测量所得测量结果的一致性程度。 包括仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间的最大离散程度。第63页/共73页第六十三页，共74页。 图115重复性和再现(zixin)性第64页/共73页第六十四页，共74页。9.精确度 精确度：正确度精密度 通常用精度等级来表示精确度的高低。 精度等级：用允许的最大引用误差去掉百分号(%)后的数字来划分等级。按工业规定,精确度划分成若干等级, 如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级等。精度等级的数字越小,精度越高。 一种常见的做法是:综合考虑室温(sh wn)下传感器的线性度、滞后（迟滞、回差）及重复性三方面的误差,按下式计算出传感器的精度: 第65页/共73页第六十五页，共74页。10.可靠性它是衡量传感器能够正常工作并发挥其功能的程度。 简单(jindn)地来说,如果有100台同样的传感器,工作1000小时后约有99台仍能正常工作,则可以说这批仪表工作1000小时后的可靠度是99