第1章传感器原理

1、传感器原理及应用光电工程学院光电工程学院2012年年绪 论一、传感器的作用一、传感器的作用 在工业生产自动化、能源、交通、安全防卫、环境在工业生产自动化、能源、交通、安全防卫、环境保护、医疗卫生、军事等，传感器几乎应用到各个领域保护、医疗卫生、军事等，传感器几乎应用到各个领域中。在蓬勃发展的我国电子信息产业市场的推动下，传中。在蓬勃发展的我国电子信息产业市场的推动下，传感器已形成了一定的产业基础，并在技术创新、自主研感器已形成了一定的产业基础，并在技术创新、自主研发、成果转化和竞争能力等方面有了长足进展，为促进发、成果转化和竞争能力等方面有了长足进展，为促进国民经济的发展作出了重要贡献。国民经

2、济的发展作出了重要贡献。绪 论传感器的发展动态传感器的发展动态 我国在传感器技术研究方面，正在逐渐缩小与国外的差我国在传感器技术研究方面，正在逐渐缩小与国外的差距，一批基于距，一批基于MEMS技术的新型传感器正在进入市场，在各技术的新型传感器正在进入市场，在各领域中不断拓宽应用范围，设计技术、材料控制技术、生产领域中不断拓宽应用范围，设计技术、材料控制技术、生产技术、可靠性技术和测试技术不断发展成熟，量产能力逐步技术、可靠性技术和测试技术不断发展成熟，量产能力逐步提高。在市场竞争日趋激烈的条件下，我国生产的传统传感提高。在市场竞争日趋激烈的条件下，我国生产的传统传感器，如力学量传感器、气体传感

3、器、温度传感器、光学传感器，如力学量传感器、气体传感器、温度传感器、光学传感器、电压敏传感器，产销形势稳中有升，不仅在国内市场的器、电压敏传感器，产销形势稳中有升，不仅在国内市场的份额逐步增长，还同时满足了部分国外市场的需求。份额逐步增长，还同时满足了部分国外市场的需求。国外著名咨询公司的传感器市场报告显示，国外著名咨询公司的传感器市场报告显示，2008年全年全球传感器市场容量为球传感器市场容量为506亿美元，亿美元，2010年全球传感器市场年全球传感器市场达达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国

4、、日本依旧为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，通讯市场也有良好的发展前景。制市场，通讯市场也有良好的发展前景。据据“中国电子信息产业发展研究院微电子研究所中国电子信息产业发展研究院微电子研究所”预预测，测，2010年我国传感器市场销售额将达到年我国传感器市场销售额将达到632亿元。亿元。绪 论绪 论 当前，我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发当前，我国传感器产业正处于由

5、传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。传感器产数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。传感器产业和市场发展前景归纳起来，主要特点是：业和市场发展前景归纳起来，主要特点是：加速形成从传感器研究开发到大生产一条龙产业化发展模式加速形成从传感器研究开发到大生产一条龙产业化发展模式 ；量大面广的通用传感器的生产规模将以年产亿只计，一些中量大面广的通用传感器的生产规模将以年产亿只计，一些中档传感器的生产规模将以年产档传感器的生产规模将以年产1000万只计万只计;而一些高档

6、传感而一些高档传感器和专用传感器的生产规模将以年产几十至几百万只计。器和专用传感器的生产规模将以年产几十至几百万只计。 MEMS传感器市场 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) MOEMS（MicroOpticElectroMechanicalSystem） 随着国际随着国际MEMS传感器市场从高端产品向消费类产传感器市场从高端产品向消费类产品市场转移，中国的品市场转移，中国的MEMS传感器市场将加速繁荣。传感器市场将加速繁荣。MEMS传感器除了用于工业交通等部门外，新兴应用市场传感器除了用于工业交通等部门外，新兴应用市场是汽车、通信、办公设备、移动电

7、话等。对于在全球消费是汽车、通信、办公设备、移动电话等。对于在全球消费电子市场中占据重要地位的中国市场，电子市场中占据重要地位的中国市场，2009年国内年国内MEMS传感器市场有传感器市场有3500万万4500万颗的需求量。万颗的需求量。汽车传感器市场 一辆普通家用轿车上大约安装几十只传感器，豪华轿一辆普通家用轿车上大约安装几十只传感器，豪华轿车上的传感器数量可多达车上的传感器数量可多达200余只。而目前，中国已经跃居余只。而目前，中国已经跃居世界第二大汽车市场，成为仅次于美国的第二大汽车消费世界第二大汽车市场，成为仅次于美国的第二大汽车消费国。国。 所以说，中国市场更是车用传感器发展的沃土。

8、近几所以说，中国市场更是车用传感器发展的沃土。近几年来，中国传感器的市场一直持续增长。年来，中国传感器的市场一直持续增长。2010年年汽车汽车MEMS增长增长28%，2011年增长年增长16% 。从。从2010年开始算起，五年复合年度增长率约为年开始算起，五年复合年度增长率约为10%。压力传感器，加速计，陀螺仪和流量传感器，几乎占压力传感器，加速计，陀螺仪和流量传感器，几乎占了整个汽车了整个汽车MEMS市场销售额的市场销售额的99%。 ESC-电子稳定性控制系统电子稳定性控制系统 二、传感器及传感技术二、传感器及传感技术传感器的作用传感器的作用: 人人-机对应关系图机对应关系图外外界界对对象象

9、感感 官官传感器传感器人人 脑脑微微 机机肢肢 体体执行器执行器“电五官电五官”传感器定义传感器定义 （Sensor） 传感器：传感器：能够感受规定的被测量并按一定规律和精度转换成可能够感受规定的被测量并按一定规律和精度转换成可用输出信号的器件或装置用输出信号的器件或装置.（GB7665-87）书书- 是将各种是将各种非电量非电量(包括物理量、化学量、生物量等）按一定规包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量一般为电量）的装置。）的装置。 输入量是物理量、化学量和生物量输入量是物理量、化学量和生物量信息量。信息

10、量。 输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示）输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示） 输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。的应用要求。传感器也称为：变换器、换能器或探测器传感器也称为：变换器、换能器或探测器三、传感器的组成敏感敏感元件元件转换转换元件元件测量电路测量电路辅助辅助电源电源输出量输出量（电量）（电量）输入量输入量非电量非电量敏感元件：敏感元件：非电量非电量易变换成电量的非电量；易变换成电量的非电量；转换元件：转换元件：将感受的非电量直接转换为电量的器件；将感受的非电量直

11、接转换为电量的器件；测量电路：经转换元件输出的电量变换成便于显示、测量电路：经转换元件输出的电量变换成便于显示、 记录、控制和处理的电信号。记录、控制和处理的电信号。四、传感器的分类四、传感器的分类1.按输入量分类按输入量分类传感器种类繁多，原理各异，几乎涉及各种参数，分类未统一传感器种类繁多，原理各异，几乎涉及各种参数，分类未统一输入量：温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等传感器，输入量：温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等传感器，分别称：温度、压力、位移、速度、加速度、湿度传感器分别称：温度、压力、位移、速度、加速度、湿度传感器2. 按测量原理分类按测量原理分类 物理型传感器、化学型传

12、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：利用某些变换元件的物理性能或某些功能材物理型传感器：利用某些变换元件的物理性能或某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。料的特殊物理性能制成的传感器。物理型传感器又分为：结构型传感器（几何尺寸）物理型传感器又分为：结构型传感器（几何尺寸） 物性型传感器（物理性质）物性型传感器（物理性质）3. 按输出信号的性质分类按输出信号的性质分类 模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器和数字式传感器。五、传感器的发展趋势 目前，传感器的主要发展趋势：一是开展基础研究，目前，传感器的主要发展趋势：一是开展基础研究，探索新理论，发现新现

13、象，开发传感器的新材料和新工艺；探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化、多功能化和智能化。二是实现传感器的集成化、多功能化和智能化。传感器的固态化传感器的固态化传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化采用微细加工技术采用微细加工技术传感器的图像化传感器的图像化CMOS、CCD传感器的智能化传感器的智能化传感器传感器+计算机计算机本课程的任务和目的本课程的任务和目的掌握常用传感器的工作原理、结构、测量掌握常用传感器的工作原理、结构、测量 电路电路及典型应用。及典型应用。目的：目的：合理选择和使用传感器。合理选择和使用传感器。 对传感器技术问题有一定的分

14、析和处理能力。对传感器技术问题有一定的分析和处理能力。知晓传感器的工程设计方法和实验研究方法。知晓传感器的工程设计方法和实验研究方法。了解传感器的发展动向。了解传感器的发展动向。第一章 传感器的一般特性一个高精度的传感器必须有好的静态特性和动态特性。一个高精度的传感器必须有好的静态特性和动态特性。1.1传感器的静态特性传感器的静态特性静态特性：传感器在测量的各个值处于稳定的状态时，静态特性：传感器在测量的各个值处于稳定的状态时， 输入输入-输出之间的关系；输出之间的关系；方程：方程：nnxaxaxaay 22101.1 传感器的静态特性一、一、 线性度线性度Ymax非线性误差（线性度）非线性误

15、差（线性度）理想：理想：Y=aX%100maxFSLYYnnxaxaxaay 2210传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。线性度：传感器校准曲线与拟合直线线性度：传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分间的最大偏差与满量程输出值的百分比。比。xyxmaxymax0ymin1、端基法（端点连线）端基法：将传感器的输出两个端点连接起来作为传感器特性端基法：将传感器的输出两个端点连接起来作为传感器特性的拟合直线。的拟合直线。 简单、精度低简单、精度低使用在曲线非线性小使用在曲线非线性小2、最小二乘法最小二乘法：拟合精度最高最小二乘法：拟

16、合精度最高 目前最常用的方法目前最常用的方法二、灵敏度 传感器的灵敏度：只达到稳定工作状态时输出变传感器的灵敏度：只达到稳定工作状态时输出变化量与输入变化量之比。化量与输入变化量之比。xyKdxdyK 线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K“非线性传感器的灵敏度用非线性传感器的灵敏度用dY/dX表示，其数值等于表示，其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率所对应的最小二乘法拟合直线的斜率”（书）（书）三、精确度（精度）反映传感器测量反映传感器测量量量的可靠程度称为的可靠程度称为精度精度对应在指标有对应在指标有精密度、正确度、精确度精密度、正确度、精确度

17、精密度：精密度：在同一时间多次测量，其结果的分散程度。在同一时间多次测量，其结果的分散程度。 对应随机误差对应随机误差正确度：正确度：说明测量结果偏离真值大小的程度。说明测量结果偏离真值大小的程度。 对应系统误差对应系统误差精确度：精确度：测量的综合优良程度。测量的综合优良程度。 对应精密度对应精密度+正确度正确度传感器精度等级以系列标准百分值进行分档传感器精度等级以系列标准百分值进行分档 （0.001，0.005，1,5,10)（a）精密度低）精密度低 （b）正确度低而精密度高）正确度低而精密度高 （c）精确度高精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果在测量中我们希望得到精确度高的结果精确

18、度：是精密度与正确度两者的总和，精确度高表示精密度精确度：是精密度与正确度两者的总和，精确度高表示精密度和正确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。和正确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。四、最小检测量和分辨力最小检测量：指传感器能确切反映被测量。最小检测量：指传感器能确切反映被测量。分辨率：（无量纲）分辨率：（无量纲）%100量程最小检测量分辨力：最小量程的单位值表示（有量纲）分辨力：最小量程的单位值表示（有量纲）五、迟滞迟滞迟滞：在相同工作条件下作全测量范围校准时，同一次校准：在相同工作条件下作全测量范围校准时，同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值的最

19、大偏差。中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值的最大偏差。用输出值的最大偏差或一半与满量程输出值的百分比表示。用输出值的最大偏差或一半与满量程输出值的百分比表示。%100maxFSHYH%1002maxFSHYH六、重复性重复性：在同一条件下，输入量按同一方向在全量程范围重复性：在同一条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续变动多次内连续变动多次(3次以上）所得特性曲线的不一致性。次以上）所得特性曲线的不一致性。K=23%100FSRYkniijyyn1211七、零点漂移零点漂移：零点漂移：传感器无输入时，其输出值相对于传感器无输入时，其输出值相对于0的波动。的波动。 零漂零漂=最大波动最

20、大波动/量程量程X100% 八、温漂（温度漂移）八、温漂（温度漂移）温漂：表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。温漂：表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以单位温度变化的最大偏差与满量程的百分比表示。一般以单位温度变化的最大偏差与满量程的百分比表示。%100TYS.Fmax 温漂稳定性稳定性(零漂零漂)冲击与振动冲击与振动传感器传感器温度温度供电供电各种干扰稳定性各种干扰稳定性 蠕变蠕变温漂温漂分辨力分辨力电磁场电磁场线性线性滞后滞后重复性重复性灵敏度灵敏度输入输入误差因素误差因素外界影响外界影响输出输出1.2传感器的动态特性动态特性：指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。动态特

21、性：指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。是输出值能够真实地再现随时间变化的输入量能力的是输出值能够真实地再现随时间变化的输入量能力的反应。反应。动态特性用数学模型来描述，通常对于连续时间系统主要动态特性用数学模型来描述，通常对于连续时间系统主要有三种形式：有三种形式：时域中的微分方程时域中的微分方程复域中的频率特性复域中的频率特性 F(S)频率域中的频率特性频率域中的频率特性 F(jw) 一、动态特性的一般数学模型线性系统可以用常系数线性微分方程表示：线性系统可以用常系数线性微分方程表示：)()(.)()()()(.)()(0111101111tXbdttdXbdttXdbdttXdbt

22、YadttdYadttYdadttYdammmmmmnnnnnn对微分方程求解，可以得到动态响应及动态指标对微分方程求解，可以得到动态响应及动态指标Y(t)输出量；输出量；X(t)输入量输入量t, 时间；时间； a,b 常数常数通常传感器输入输出的关系通常传感器输入输出的关系12阶阶利用拉普拉斯变换可以得到：利用拉普拉斯变换可以得到：)().()().(01110111SXbSbSbSbSYaSaSaSammmmnnnn1、零阶传感器的数学模型零阶微分方程：零阶微分方程：)()()()()(0000tKXtXabtYtXbtYa式中：式中：K静态灵敏度静态灵敏度零阶传感器对任何频率的信号都没有

23、相零阶传感器对任何频率的信号都没有相位改变和增益改变。位改变和增益改变。一阶传感器的微分方程一阶传感器的微分方程2、一阶传感器的数学模型xbyadtdya001上式两边都除以上式两边都除以a0，得，得 xabydtdyaa0001式中：式中：时间常数，时间常数，a1a0； k静态灵敏度，静态灵敏度， k b0a0。在动态特性分析中，在动态特性分析中，k只起着输出量增加只起着输出量增加k倍的作用。倍的作用。因此为了方便起见，在讨论任意阶传感器时可采用因此为了方便起见，在讨论任意阶传感器时可采用 k1，这种处理方法称为灵敏度归一化。，这种处理方法称为灵敏度归一化。一阶系统的传递函数如下：一阶系统的

24、传递函数如下：kxydtdy ssH11)( ) t ( fb) t (fb.) t (fb) t (fb) t (ya) t (ya.) t (ya) t (y0)1(1)1m()1m()m(m0)1(1)1n(1n)n( 01)1n()1n(n01)1m()1m(mmaSa.SaSbSb.SbSb)S(H 线性非时变连续系统的常系数线性微分方程：线性非时变连续系统的常系数线性微分方程：其系统函数：其系统函数：jjH11)(2)(11)(A)arctan()(频率特性为：频率特性为： 幅频特性为：幅频特性为： 相频特性为：相频特性为： 时间常数时间常数越小，频率响应特性越好。当越小，频率响应

25、特性越好。当1时，时，A()1，它表明，它表明传感器输出与输入为线性关系传感器输出与输入为线性关系()很小，很小，tan，() ，表，表明相位差与频率明相位差与频率也成线性关系。也成线性关系。补 充傅里叶变换（逆变换）：傅里叶变换（逆变换）： de )j(F21) t (fdte ) t (f)j(Ftjtjdse )S(Fj21) t (fdte ) t (f)S(Fjjstst 拉普拉斯变换（逆变换）：拉普拉斯变换（逆变换）： dte ) t (f) t (fLst0)1()1( dxuvuvvdxudxuvvdxu)uv()1()1()1()1( 一阶导数的拉普拉斯变换一阶导数的拉普拉斯

26、变换分布积分法：分布积分法： )S(sF) t (fL)0( f) s (sF) t (fL0) t ( felim:) s (sF)0( f) t ( felimdte ) t ( fs) t ( fe) t (fL)1()1(sttstt0st0st)1( 在收敛收敛域当当f(t)的初始值为零的初始值为零 ) 0(f) 0(sf) s (Fs) 0(f) 0( f) s (sFs) 0(f) t (fsL) t (fL)1(2)1()1()1()2( 二阶导数的拉普拉斯变换二阶导数的拉普拉斯变换) t ( fb) t (fb.) t (fb) t (fb) t (ya) t (ya.) t

27、 (ya) t (y0)1(1)1m()1m()m(m0)1(1)1n(1n)n( 01)1n()1n(n01)1m()1m(mmaSa.SaSbSb.SbSb)S(H 线性非时变连续系统的常系数线性微分方程：线性非时变连续系统的常系数线性微分方程：其系统函数：其系统函数：二阶系统的微分方程为：二阶系统的微分方程为：3、二阶传感器的数学模型二阶系统的传递函数为：二阶系统的传递函数为：xbyadtdyadtyda001222 1s2s1k) s (H0220 式中：式中：0 系统无阻尼时的固有振动角频率，系统无阻尼时的固有振动角频率，01； 时间常数；时间常数；k静态灵敏度，静态灵敏度，kb0a

28、0； 阻尼比阻尼比 02aa )aa2/(a201 )( j2)(1k)j (H020 202220)(4)(1 k)(A )()(2arctan)(00二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性幅频特性幅频特性相频特性相频特性 -30-60-90-120-150-1802.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.70700.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0二阶传感器幅频与相频特性二阶传感器幅频与相频特性阻尼比

29、的影响阻尼比的影响较大。较大。当当0时，在时，在=1处处k()趋趋近无穷大，这近无穷大，这一现象称之为一现象称之为谐振。谐振。 随着随着的增大的增大，谐振现象逐，谐振现象逐渐不明显。渐不明显。 当当0.707时时，不再出现谐，不再出现谐振，这时振，这时k()将随着将随着的增的增大而单调下降大而单调下降。幅幅频频特特性性相相频频特特性性二、传感器的动态相应及其动态特性指标 在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号响应方法是时域分析法

30、，传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。来评价传感器的动态性能指标。1、一阶传感器的单位阶跃响应xbyadtdya001 一阶系统方程式的一般形式为：一阶系统方程式的一般形式为：xabydtdyaa0001 kxydtdy 式中：式中：时间常数，时间常数，a1a0； k静态灵敏度，静态灵敏度，kb0a0。s11) s (H 一阶系统的传递函数：一阶系统的传递函数： 单位阶跃输入：单位阶跃输入：对初始状态为零的传感器

31、，当输入一个单位阶跃信号对初始状态为零的传感器，当输入一个单位阶跃信号 0t10t0 x(t)1s1) s (X) s (Y) s (H dtedte ) t ( f) s (X,s1) s (X),t ( 1) t (x00stst s11s1) s (X) s (H) s (Y te1) t (y一阶传感器的单位阶跃响应信号为：一阶传感器的单位阶跃响应信号为： 传感器存在惯性传感器存在惯性, 它的输它的输出不能立即复现输入信号出不能立即复现输入信号, 而而是从零开始是从零开始, 按指数规律上升按指数规律上升, 最终达到稳态值。最终达到稳态值。 理论上传感器的响应只理论上传感器的响应只在在t

32、趋于无穷大时才达到稳态趋于无穷大时才达到稳态值值, 但实际上当但实际上当t=4时其输出时其输出达到稳态值的达到稳态值的98.2%, 可以认可以认为已达到稳态。为已达到稳态。 越小越小, 响应曲线越接近响应曲线越接近于输入阶跃曲线于输入阶跃曲线, 因此因此, 值是值是一阶传感器重要的性能参数一阶传感器重要的性能参数。0123yt/1 0.6320.8730.9540.98250.9932、二阶传感器的单位阶跃响应020202s2s)s(H 二阶传感器的传递函数：二阶传感器的传递函数： )s2s ( s) s (X) s (H) s (Y020202 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于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阻尼比和固有频率和固有频率0。固有频率。固有频率0由传感器主要结构由传感器主要结构参数所决定，参数所决定，0越高，传感器的响应越快。当越高，传感器的响应越快。当0为常数为常数时，传感器的响应取决于阻尼比时，