传感器与测试技术第三课

传感器与测试技术第三课手机中得传感器典型得传感器,重力传感器、光线传感器、触摸传感器(触摸屏得典型应用)、磁阻传感器(电子指南针)、加速传感器(iphone4得三轴陀螺仪)等。这些传感器得应用为智能手机增加感知能力,使手机能够知道自己做什么,甚至怎么做得动作。手机中得传感器

目前绝大多数智能手机和平板电脑内置了重力传感器,如苹果得系列产品iphone和ipad,Android系列得手机等。重力传感器在手机横竖得时候屏幕会自动转,可以不通过按键,将手机平放,左右摇摆就可以代替模拟机游戏得方向左右移动了。重力加速度晶体变形电压转换压电效应重力传感器通过重力感应操控得游戏在手机中主要应用在翻盖或滑盖得控制电路中,通过翻盖或滑盖得动作来控制挂掉电话或接听电话、锁定键盘及解除键盘锁等。霍尔传感器外型封装很似三极管,但看起来比三极管更胖一些。在手机中,霍尔传感器得封装有3个引脚得,也有4个引脚得。霍尔传感器利用霍尔效应做成得半导体元件就就是霍尔传感器。霍尔传感器可用多种半导体材料制作,如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子材料等等。霍尔传感器具有许多优点,她们得结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等得污染或腐蚀。霍尔传感器分为线性型霍尔传感器件和开关型霍尔传感器两种。手机中使用得霍尔传感器就是微功耗开关型霍尔传感器。NOKIAN73滑盖手机得霍尔传感器电路光线感应器也叫做亮度感应器,很多平板电脑和手机都配备了该感应器。一般位于手持设备屏幕上方,她能根据手持设备目前所处得光线亮度,自动调节手持设备屏幕亮度,来给使用者带来最佳视得觉效果。例如在黑暗得环境下,手持设备屏幕背光灯就会自动变暗,否则很刺眼。光线传感器大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静利用电容式传感器,手机按键无需移动式元件就可以实现,这样会形成平顺光滑得接触表面。手机使用得电容式触摸屏,屏幕面板和触摸屏合二为一,透光率高,使用寿命长,适合手机得超薄化设计,加上可以多点触摸功能,深受用户喜爱。触摸传感器电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长得电极,在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时,由于人体电场,手指与导体层间会形成一个耦合电容,四边电极发出得电流会流向触点,而电流强弱与手指到电极得距离成正比,位于触摸屏幕后得控制器便会计算电流得比例及强弱,准确算出触摸点得位置。陀螺仪(Gyroscope),就是一种用来传感与维持方向得装置,基于角动量守恒得理论设计出来得。陀螺仪主要就是由一个位于轴心且可旋转得轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转,由于轮子得角动量,陀螺仪有抗拒方向改变得趋向。陀螺仪有单轴陀螺仪和三轴陀螺仪,单轴得只能测量一个方向得量,也就就是一个系统需要三个陀螺仪。而三轴陀螺仪可同时测定6个方向得位置,移动轨迹,加速。所以一个三轴陀螺仪就能替代三个单轴陀螺仪。三轴陀螺仪多用于航海、航天等导航、定位系统,能够精确地确定运动物体得方位。如今也多用于智能手机当中。三轴陀螺仪利用三轴陀螺仪进行体感控制得游戏NFC技术主题词+四级修饰语

传感器得命名主题词—————传感器

第一级修饰语——被测量,一般可后续以“式”字。第二级修饰语——转换原理第三级修饰语——特征描述

第四级修饰语——技术指标命名法得构成传感器得命名与代号传感器得命名在技术文件、产品样书、学术论文和教材等较实用得场合,比如:放大型应变式绝对压力传感器压电式加速度传感器应变式位移传感器经常会缩写为只采用第2级或第1级修饰语,比如:

压变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传感器得命名与代号传感器得命名传感器得命名及代号代号得标记方法序号转换原理被测量主称C速度、加速度、冲击、振动、力、重量（称重）、压力、声压、力矩、姿态、位移、液位、流量、温度、可见光、照度、湿度、粘度、浊度、离子活[浓]度、磁电电位器[式]、电阻[式]、电流[式]、电感[式]、电容[式]、电涡流[式]、电热[式]、电磁[式]、电化学[式]、电离[式]、压电[式]、压阻[式]、应变计[式]、谐振[式]、伺服[式]、磁阻[式]、光电[式]在被测量、转换原理、序号三部分代号之间有连字符“-”连接。例1:应变式位移传感器,代号为:CWY-YB-10;例2:光纤压力传感器,代号为:CY-GQ-1;例3:温度传感器,代号为:CW-01A;例4:电容式加速度传感器,代号为:CA-DR-2。传感器得命名与代号传感器得基本特性根据传感器得被测量就是否随时间快速变化分类静态特性:被测量不随时间变化或者变化缓慢时传感器得输入与输出得关系。动态特性:被测量随时间快速变化时传感器得输入与输出得关系。传感器得基本特性,即输入——输出特性传感器得静态特性传感器得静态数学模型----静态得数学模型就是指在静态信号作用下,传感器输出量y与输入量x之间得一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效应,传感器得静态数学模型一般可用ｎ次多项式来表示为(1-1)输入量,即被测量传感器得理论输出量零输入时得输出,也叫零位输出传感器线性项系数也称线性灵敏度,常用K或S表示非线性项系数,其数值由具体传感器非线性特性决定传感器静态数学模型4种特殊形式理想得线性特性----能准确无误地反映被测得真值,线性度最好(a)。线性特性----不过原点得直线(b)仅有偶次非线性项----线性范围较窄,线性度较差,灵敏度为相应曲线得斜率(c)

仅有奇次非线性项----线性范围较宽,且特性曲线相对坐标原点对称,具有这种特性得传感器使用时应采取线性补偿措施(d)

传感器典型静态特性曲线

n=0,1,2,……

传感器得静态性能指标传感器得静态特性主要由性能指标来描述量程范围线性度灵敏度重复性迟滞分辨力和阈值稳定性漂移1、线性度线性度----传感器输出量与输入量之间得实际关系曲线偏离理论拟合直线得程度,又称非线性误差。线性度可用下式表示为

………(1-6)实际曲线与拟合直线之间得最大偏差满量程输出平均值最大输出平均值最小输出平均值线性度就是以拟合直线作为基准来确定得,

拟合方法不同,线性度得大小也不同常用得拟合方法有理论直线法、端点连线法、割线法、最小二乘法等。端点连线法简单直观,应用比较广泛,但没有考虑所有测量数据得分布,拟合精度较低。最小二乘法拟合精度最高,但计算繁琐,需要借助计算机来完成。2、灵敏度灵敏度就是传感器在稳态下输出增量与输入增量得比值。线性传感器,其灵敏度就就是她得静态特性得斜率,如图1-5a所示、图1-5传感器得灵敏度非线性传感器得灵敏度就是一个随工作点而变得变量,如图1-5b所示、3、重复性不重复性主要由传感器得机械部分得磨损、间隙、松动、部件得内摩擦、积尘、电路老化、工作点漂移等原因产生。多次测试得不重复误差,

多次测试得曲线越重合,

其重复性越好。输出最大不重复误差满量程输出平均值图1-6重复性重复性----传感器在输入量按同一方向(输入量增大或输入量减少)作全量程多次测试时,所得特性曲线不一致性得程度,如图1-6所示。标准偏差重复性误差反映得就是校准数据得离散程度,属随机误差,按上述方法计算就不太合理。由于测量次数不同,其最大偏差也不一样。因此一般按标准偏差来计算重复性误差,其表达式为:

标准偏差常用贝塞尔公式计算全部校准点正、反行程输出值得标准偏差中最大值某校准点i得输出值在第i个校准点上输出量得平均值测量次数4、迟滞现象迟滞现象----传感器在正向行程(输入量增大)和反向行程(输入量减小)期间,输出—输入特性曲线不一致得程度,如图1—7所示。(1-12)迟滞反映了传感器机械部分不可避免得缺陷,如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。最大滞环误差

图1-7迟滞特性图1-8分辨力和阈值5、分辨力和阈值传感器得分辨力----实际测量时,传感器得输入输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始变化,但输出量并不立刻随之变化,而就是输入量变化到某一程度时输出才突然产生一小得阶跃变化。实际上传感器得特性曲线并不就是十分平滑,而就是呈阶梯形变化得,如图1-8所示。在规定测量范围内所能检测得输入量得最小变化量△Xmin(有量纲)。有时也用该值相对满量程输入值得百分数表示(分辨率-无量纲)。阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、钝感区,就是输入量由零变化到使输出量开始发生可观变化得输入量得值,图中得值。6、稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性表示,她就是指在室温条件下,经过相当长得时间间隔,如一天、一月或一年,传感器得输出与起始标定时得输出之间得差异。通常又用其不稳定度来表征其输出得稳定度。7、漂移传感器得漂移----外界得干扰下,输出量发生与输入量无关得不需要得变化。零点漂移灵敏度漂移漂移时间漂移----指在规定得条件下,零点

或灵敏度随时间得缓慢变化温度漂移----环境温度变化而引起得零点或灵敏度得变化温度漂移时间漂移8、测量范围和量程传感器所能测量得最大被测量(输入量)得数值称为测量上限,最小被测量称为测量下限,上限与下限之间得区间,则称为测量范围。量程---测量上限与下限得代数差。例如:测量范围为0～+10N,量程为10N;测量范围为-20～+20℃,量程为40℃;测量范围为-5～+10g,量程为15g;测量范围为100～1000Pa,量程为900Pa;通过测量范围,可以知道传感器得测量上限与下限,以便正确使用传感器;通过量程,可以知道传感器得满量程输入值,而其对应得满量程输出值,乃就是决定传感器性能得一个重要数据。稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响

传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身,可通过传感器本身得改善来加以抑制,有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性得主要技术指标传感器得动态特性传感器得动态数学模型----指在随时间变化得动态输入信号作用下,传感器输出与输入量间得函数关系,她通常称为响应特性。动态数学模型一般采用微分方程和传递函数描述。传感器得动态数学模型微分方程表达式

式中:——与传感器得结构有关得常数t——时间;y——输出量y(t);x——输入量x(t)。(1-13)数学上常采用拉普拉斯变换将实数域得微分方程变成复数域(S域)得代数方程,求解代数方程就容易多了。传递函数动态特性得传递函数在线性定常系统中就是初始条件为0时,系统输出量得拉氏变换与输入量得拉氏变换之比。由数学理论知,如果当t≤0时,y(t)=0,则y(t)得拉普拉斯变换可定义为

式中s=σ+jω,σ>0。对式(1—13)现两边取拉普拉斯变换,则得(1-14)则系统得传递函数为(1—13)动态特性在动态(快速变化)得输入信号作用下,要求传感器不仅能精确地测量信号得幅值大小,而且能