ch1 传感器的一般特性课件

1、第1章 传感器的一般特性1.1 传感器的组成和分类1.2 传感器的地位和作用1.3 传感器的发展方向1.4 传感器的标定和校准1.1 传感器的组成和分类一、传感器的定义和组成:定义：与人的感觉器官相对应的元件，指能够能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器是测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量、化学量、生物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分，并以确定关系输出某一物理量。如

2、弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 为了获取被测变量的精确数值，不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵敏，还希望它不受或少受环境因素的影响。 1.1 传感器的组成和分类传感器的结构组成:辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路 被测量电量2. 转换元件：指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量(如位移、应变、光强等) 转换成适于传输和测量的电信号（如电阻、电感等）的部分。 为了加强通用性和灵活性，某些传感器的输出可以靠转换器将输出的非标准信号变成标准信号，使之与带有标准信号输入电路或接口的仪表配套，从而实现检测或调节功能。1.1 传感器的组成和分类辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路 被测

3、量电量1.1 传感器的组成和分类3. 基本转换电路：将电路参数转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 通常，传感器输出信号般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路 被测量电量基于物理效应如光、 电、 声、 磁、 热等效应进行工作的物理传感器; 基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的化学传感器; 基于酶、抗体、激素等

4、分子识别功能的生物传感器。 根据传感器感知外界信息所依据的基本效应:1.1 传感器的组成和分类应变式电容式电感式电磁式 压电式热电式 根据传感器工作原理分类:1.1 传感器的组成和分类力学量传感器热量传感器磁传感器光传感器放射线传感器气体成分传感器液体成分传感器离子传感器 按照被测量分类:1.1 传感器的组成和分类无源传感器：被动地接收来自被测物体的信息；有源传感器：有意识地向被测物体施加某种能量，并将来自被测物体的信息变换为便于检测的能量后再进行检测。按能量供给形式分类:1.1 传感器的组成和分类分类法型式说 明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物

5、效应进行转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、）传感器分类一览

6、表:信息技术计算机技术通信技术传感器技术人的感觉器官的外延人的神经系统的外延人类在研究自然界现象和规律及生产活动中，人的五官运动不够，这就需要传感器来检测人们的器官所不能感知的现象。人们把与人的“五官”相似的部分称为“电五官”。微型计算机相当于人的大脑。它们之间的对应关系为： 人的五官：视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤传感器的作用 从生产技术的发展角度看，人类社会正逐渐由工业化时代向信息化时代迫近，传感器作为一种功能元件，已经成为与计算机同等重要的技术工具，获得了高度重视和迅速发展。传感技术已与通讯技术，计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。 在基础科学和尖

7、端科学技术的研究中，要检测极端巨微的信息，如超高低温，超高低压，超真空，超强弱磁场，必须借助配有相应传感器的高精度检测系统才能奏效。 在工业和国防领域，可以说高度自动化的工厂设备，装置或系统，是传感器的大复合地，用以控制各种各样的工况参数，达到监控的目的 。 在生物工程，医疗卫生，环境保护，安全防范，家用电器等方面的传感器已层出不穷，所以说传感器几乎已渗入到新技术革命的所有领域，涉及国民经济各部门。 家用电器液化气烟雾报警器智能洗衣机遥控器传感器在军事上的作用传感器在机器人中的作用传感器在家电中的作用1.3 传感器的发展方向传感器的发展有近两百年的历史，近二十年来发展十分迅速，目前，世界上传感

8、器种类约2万种。专业从事传感器生产的厂家有5000多家，其中美国、俄罗斯、欧洲各1000多家，日本800多家。传感器技术在世界发达国家中是深受重视的，如美国、日本等国家都十分重视发展传感器技术，美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器技术直接相关,美国武器系统质量优势至关重要关键技术中有8 项为传感器技术.我国传感器行业始于五十年代，但直到1986年“七五”开始才正式将传感器技术列入国家重点攻关项目，投入了以机械、力敏、气敏、湿敏、生物敏为主的五大方向研究。趋势：传统传感器因功能、特性、体积、成本等已难以满足而逐渐被淘汰。如今传感器新技术的发展，主要有以下几个方面：开展基

9、础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化 开发新型传感器 开发新材料 新工艺的采用 集成化、多功能化 智能化 开发新型传感器 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。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。 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。B.开发新材料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

10、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。（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）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。D.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

11、。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。E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

12、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。1.4.1 传感器的静态特性 传感器的静态特性是在稳态信号作用下的输入输出特性。即输入量是静态量，输出量是输入量的确定函数。表示方法：代数多项式、列表表示和曲线表示。衡量静态特性的重要指标有灵敏度、线性度、迟滞和重复性等1. 灵敏度灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电学量）对输入量（一般为非电学量）敏感程度的特性参数。 其定义为: 传感器输出量的变化值与相应的被测量（输入量）的变化值之比, 用公式表示为灵敏度 纯线性传感器灵敏 度为常数； 非线性传感器灵敏 度与x有关。 2. 线性度理想的传感器输出

13、与输入呈线性关系。 但实际的传感器即使在量程范围内, 输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的, 总存在一定的非线性。线性度是评价非线性程度的参数，定义为: 传感器的输出-输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比, 也称“非线性度”。 通常用相对误差表示其大小: xy0端基直线实际特性曲线量程Ymax端基线性度端基线性度：传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差，以传感器的满量程输出的百分比来表示。端基直线则定义为由传感器量程所决定的实际平均输出特性首、末两端点的连线。xy0理论直线实际特性曲线量程Ymax理论线性度：有时又称绝对线性度，为传感器的实际平均输出特性曲

14、线对一在其量程内事先规定好的理论直线的最大偏差，以传感器的满量程输出的百分比来表示：xy0零基直线实际特性曲线量程-Ymax+ Ymax零基线性度零基线性度：传感器实际、平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差，以传感器的满量程输出的百分比来表示。而零基直线则定义为这样一条直线，它位于传感器的量程内，但可通过或延伸通过传感器的理论零点，并可改变其斜率，以把最大偏差减至最小xy0最佳直线实际特性曲线量程-Ymax+ Ymax独立线性度最小二乘线性度：以最小二乘法拟合的直线为基准直线独立线性度: 作两条与端基直线平行的直线, 使之恰好包围所有的标定点, 以与二直线等距离的直线作为拟合直线。 3. 迟滞

15、 输入逐渐增加到某一值, 与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等, 叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。 其值以满量程的输出YFS的百分数表示。 式中, max为输出值在正反行程的最大差值。图 1.3 迟滞曲线 4、重复性在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量从同一方向作满量程变化时，同一输入量值所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值，他们之间相互偏离的程度便称为传感器的重复性。xy05. 稳定性 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。 实际上, 随着时间的推移, 大多数传感器的特性会改变，这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化, 产生一

16、种经时变化的现象。xy0零漂灵敏度漂移1.4.2 传感器的动态特性传 感 器输入 x输入 y = f(x)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间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。标准输入有三种：经常使用的是前两种。正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入动态特性：传感器在被测量随时间变化的条件下输入输出关系例：动态测温 1. 传递函数 假设传感器在输入输出存在线性关系的范围内使用, 则它们之间的关系可用高阶常系数线性微分方程表示: 式中，y为输出量，x为输入量，ai,bi为常数。对上式进行拉普拉斯变换，可得并设t=0时，

17、(i=0,1,)全部为0， 得到优点：表示了传感器本身特性与输入输出无关，只与系统结构特性参数有关，可通过实验求得。对 ( S ) = (S )( S ) 进行反变换，即可得到Y( t ) 与 X( t ) 关系。（微分方程的拉氏变换求解法） 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函数如下图所示。图 串联系统（a）和并联系统（b）（a）（b）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。2. 瞬态响应特性阶跃响应特性是指给原来处于静态状态传感器输入阶跃信号，(对传感器突然加载或突然卸载即属于阶跃输入).

18、在不太长的一段时间内，传感器的输出特性即为其阶跃响应特性。有最大超调量,时间常数 , 上升时间 , 响应时间等参数.输入：阶跃信号输出：阶跃响应时间常数：上升时间tr：响应时间ts：超调量a1：衰减率：稳态误差ess：系统输出值上升到稳态值yc的63.2%所需的时间传感器输出从稳态值yc的10%上升到90%所需时间输出值达到允许范围%的所需时间 响应曲线第一次超过稳态值yc的峰高：ymax-yc相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差一阶传感器的单位阶跃响应对于一个阶跃输入：得一阶传感器的单位阶跃响应信号传感器存在惯性，值是一阶传感器重要的性能参数

19、特点：一阶传感器实例：动态响应特性主要取决于时间常数；小阶跃响应迅速截止频率高运动方程：带阻尼弹簧测力传感器时间常数：静态灵敏度系数：k-弹簧刚度c-阻尼系数二阶传感器的单位阶跃响应当1时：当1时：当=1时：无过冲，无震荡，过阻尼曲线上升慢，响应速度低产生衰减震荡 欠阻尼曲线上升块，响应速度高一般取： =0.60.8最大超调量不超过2.5 -10 ,允许动态误差2 -5 ysn21nt=01.510.60.2二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率。固有频率由传感器的主要结构参数所决定，越高，传感器的响应速度越快。固有频率为常数时，传感器的响应主要取决于阻尼比。 3. 频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应特性。a) 零阶系统：特点：a) 属于静态环节：d) 实际零阶环节：缓慢变化，频率较低 - 近似零阶环节c) 与时间无关，与频率无关，无滞后，无惯性理想环节静态灵敏度系数b) 输出 输入又称：比例环节幅频特性：相频特性：实例：电位计式角位移传感器微分方程：静态灵敏度系数：UEU0 一阶传感器的频率特性00-10-20-90-45-20dB/10倍频3. 频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性称为频率响应特性。b) 一阶系统：微分方程：时间常数静态灵敏度幅频特性：相频特性：时间常数 越小，系统的频率特性越好c)