微传感器原理和应用【一类资料】

1、微传感器原理和应用,1,精制荟萃,参考书,硅微机械传感器 Machanical Microsensors,微传感器与执行器全书 Micromachined Transducers sourcebook,M.Elwenspoek & R.Wiegerink 著， 陶家渠 等 译,美 格雷戈里 T.A. 科瓦奇 著， 张文栋 等 译,2,精制荟萃,传 感 器 基 础,1 传感器的基本概念,敏感元件和转换元件,1.1 传感器的定义及构成,传感器(Transducer/Sensor) 的定义：能感受规定的被测量, 并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,构成：,敏感元件(Sensing ele

2、ment)：能直接感受被测量的部分； 转换元件(Transition element)：能将敏感元件输出量转换为便 于传输和测量的电信号部分。,通常是电信号,3,精制荟萃,1.2 传感器的分类,压力传感器 荷重传感器 位移传感器 温度传感器, 数字式传感器 输出数字信号,1.2.1 按被测量分类：,生物量传感器,它们是针对具体测量对象的传感器的集合体,物理量传感器,化学量传感器,1.2.2 按输出信号分类：, 模拟式传感器 输出模拟信号（属传统类型）,随着信息处理的数字化，数字式传感器所输出的信号由于可以省略 A/D 转换环节，便于网络传输，优势是明显的。特别是近年来发展起来的总线式数字传感器

3、，则更加引人注目。,4,精制荟萃,1.2.3 按能量关系分类（有源、无源）,电容式 电感式 压阻式, 能将非电量直接转换成电信号， 所以有时被成为“换能器”。, 有源传感器（能量转换型传感器）：, 无源传感器（能量控制型传感器）,压电式 热电式 光电式, 自身无能量转换装置，被测量量仅能在传感器中起能量控制作用，必须有辅助电源供给电能。,1.3 传感器在控制系统中的作用,5,精制荟萃,2 传感器的标定与校准,标定：,在明确输入输出变换对应关系的前提下，利用标准器具对传感器进行标度。,校准：,在使用中或存储（储藏）后进行的性能复测。,（标定与校准本质相同）,校准方法：,用标准设备产生若干个已知物

4、理量分别作为待校准传感器的被测量；记录每个被测量对应的传感器的输出，获得一系列校准数据或校准曲线；按照相应的规定（标准）计算出性能。,基准器,标准的传递：,一等标准,中国计量研究院,0.001%,省、部一级计量站,市、企业计量站,三等标准传感器,二等标准,三等标准,测试用传感器,0.01%, 0.1%, 0.3%, 1%,6,精制荟萃,3.1 测量和误差的基本概念和定义,3 传感器的一般特性,真值：,被测量客观存在的真实数值（理想概念）。,测量值：,测量器具直接反映的或由此经必要计算得到的值。,测量范围：,允许误差范围内，测量装置测量被测量的范围。,量程：,测量范围的上限与下限的代数差。,绝对

5、误差：,实际特性（测量的值）与理论特性（真值）的偏差。,相对误差：,绝对误差与真值之比，一般用百分数表示。,系统误差：,数值确定或按一定规律变化的误差，原则上可消除,随机误差：,由随机变化因素引起的误差。,精密度：,多次重复测量的值的分散程度，反映随机误差的大小,准确度：,测量结果与真值的偏离程度，反映系统误差的大小。,精确度：,精密度与精确度的综合反映-精度,7,精制荟萃,3.2.2 静态特性的性能指标,分辨率：,输入从任意非零值缓慢增加，只有在超过某一输入增量后输出才有变化，该输入增量即为分辨率， 有时也称为分辨力。,（1） 迟滞(Hysteresis) ：,输入量由小到大变化（正行程）和

6、输入量由大到小变化（反行程）变化期间两个静态特性曲线不重合的程度。,(Resolution),在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用H表示，即 :,8,精制荟萃,（2） 重复性(Repeatability )：,输入量按同一方向作全量程变化,多次测得的特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，用子样标准差S计算（推荐），也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算。,或:,设x=xj 时，做了n次同条件的重复测量，获得n个输出值：,则：,其中：,若x= x1 xm时，方差相同 ：,用R 表示:,9,精制荟萃,（3） 非线性度(non-linearity)：

7、,输出与输入之间数量关系的线性程度。,在量程范围内校准曲线与规定直线（或称拟合直线）之间的最大偏差值Lmax与满量程输出值YFS之比，用L表示：,（也称为线性度或非线性误差）,拟合直线,（4） 非线性及迟滞(non- linearity and hysteresis)：,正、反行程校准曲线与拟合直线之间的最大偏差值LHmax与YFS之比：,10,精制荟萃,选取的拟合直线不同，计算出的非线性度也不同。,理论直线：,零点与满量程输出点的连线，与校准数据无关。,最小二乘直线：,用最小二乘法根据校准数据求出的拟合直线。,端点连线平移线：,平均校准曲线对应测量上、下限的两个,端点的连线，平移到最大正误差

8、与最大负误差绝对值相等。,（a）最小二乘拟合直线的确定,设待求拟合直线为：,在第j个校准点的正反行程平均值为：yj（j=1,2, m),yj与 拟合直线的差值：,拟合直线确定原则：,（5） 拟合直线的确定,11,精制荟萃,令一阶偏导数为零：,得：,（b）端点连线平移线的确定,平均校准曲线,端点连线,平均校准曲线：,正、反行程校准数据平均平均值构成的曲线。,端点连线：,平均校准曲线两个端点的连线。,上限端点：,下限端点：,则：,12,精制荟萃,端点连线,平均校准曲线,端点连线平移线,端点连线平移线：,端点连线，平移到最大正误差与最大负误差绝对值相等。,斜率不变，截距为：,上限端点：,下限端点：,则：,端点连线,端点连线平移线,无迟滞（上图）,有迟滞（下图）,13,精制荟萃,（6） 精度（ Accuracy ）,反映传感器系统误差与随机误差的综合指标。,系统误差极限值：,随机误差：,精度：,14,精制荟萃,（7） 温度系数与温度附加误差,（a）零位温度系数：,零位随温度变化的速度,工作温度变化范围,在工作温度变化范围内，零位的最大改变量,（b）灵敏度温度系数：,灵敏度随温度变化的速度,温度为T1时的灵敏度,温度为T2时的灵敏度,温度分别为T1和 T2时 的满量程输出,15,精制荟萃,4 几种微传感器与传统传感器的对比,a) 传统压力传感器,4.1 压力传感器,16,