第1章---传感器技术基础..ppt

传感器技术及其应用 Technology ApplicationofSensor 工学院 常仁松 1 仪表技术与传感器http www i 2 传感器世界 3 中国传感器 4 21IC中国电子网 参考网站 传感器原理 检测技术 温度传感器 磁敏传感器 光电传感器 位移传感器 力传感器 电学式传感器 环境量传感器 其他传感器 多传感器融合 传感器接口电路 现代传感技术 课程主要内容 传感器的工作原理 结构 主要参数 检测电路及其典型应用 传感器技术及其应用 传感器的引入 人通过五官 视 听 嗅 味 触 接受外界的信息 经过大脑的思维 信息处理 作出相应的动作 而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动 则可以说电子计算机相当于人的大脑 一般俗称电脑 而传感器则相当于人的五官部分 电五官 身体与机器人的对应关系 传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段 身边的传感器 CCD 热敏电阻 传声器 温控器 力传感器 温度开关 手机的触摸屏 传感器技术的应用 温度控制系统 目录 第1章传感器技术基础第2章温度传感器第3章力传感器第4章光电式传感器第5章磁传感器第6章位移传感器第7章环境量检测传感器第8章新型传感器和安全防范技术第9章传感器接口电路第10章现代传感技术 第1章传感器技术基础 1 1概述1 2传感器的基本特性1 3传感器的材料与制造1 4传感器的物理基础与选用1 5传感器的标定与校准 世界是由物质组成的 根据物质的电特性 可分为电量和非电量两类 传感器是将非电量转换成与非电量有一定关系的电量的器件 自动检测和自动控制系统处理的大都是电量 需通过传感器对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量 1 1概述1 1 1自动测控系统自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所从事的一系列的技术措施 自动测控系统通常可分为开环与闭环两种自动测控系统 测量电路 传感器 电源 指示仪 记录仪 伺服控制 开环自动测控系统框图 被测量 调节元件 给定元件 信息处理 检测电路 执行元件 传感器 对象 输出 显示 记录 闭环自动测控系统框图 一个完整的自动测控系统 一般由传感器 测量电路 显示记录装置或调节执行装置 电源四部分组成 1 1 2传感器的定义定义 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换电路组成 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的 便于应用的某种物理量的测量装置 其包含一下几个方面的意思 传感器是测量装置 能完成检测任务它的输入量是某一被测量 可能是物理量 也可能是化学量 生物量等 输出量是某种物理量 这种量要便于传输 转换 处理 显示等 这种量可以是气 光 电 但主要是电量 输入输出有对应关系 且应有一定的精确度 传感器的组成传感器一般由敏感元件 转换元件 转换电路三部分组成 敏感元件 Sensitiveelement 直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件 Transductionelement 以敏感元件的输出为输入 把输入转换成电路参数 转换电路 Transductioncircuit 将转换电路参数接入转换电路 便可转换成电量输出 敏感元件 转换元件 辅助电源 接口电路 传感器组成框图 非电物理量 电信号 举例 测量压力的电位器式压力传感器 压电晶体 热电偶 热敏电阻 光电器件等是敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器 传感器转换能量的理论基础都是利用物理学 化学学 生物学现象和效应来进行能量形式的变换 被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的 传感器技术就是掌握和完善这些转换的方法和手段 涉及 传感器能量转换原理传感器材料选取与制造传感器器件设计传感器开发和应用等多项综合技术 1 1 3传感器的分类传感器有许多分类方法 但常用的分类方法有两种 一种是按被测输入量来分 另一种是按传感器的工作原理来分 1 按被测量分类这一种方法是根据被测量的性质进行分类 如 温度传感器 湿度传感器 压力传感器 位移传感器 流量传感器 液位传感器 力传感器 加速度传感器 转矩传感器等 这种分类方法把种类繁多的被测量分为 基本被测量和派生被测量两类 基本被测量和派生被测量 2 按传感器工作原理分类这一种分类方法是以工作原理划分 将物理 化学 生物等学科的原理 规律和效应作为分类的依据 这种分类法 优点是对传感器的工作原理比较清楚 类别少 有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析 缺点是不便于使用者根据用途选用 具体划分为 1 电学式传感器电学式传感器是应用范围较广的一种传感器 常用的有电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 磁电式传感器及电涡流式传感器等 2 磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成 主要用于位移 转矩等参数的测量 3 光电式传感器光电式传感器是利用光电器件的光电效应和光学原理而制成 主要用于光强 光通量 位移 浓度等参数的测量 4 电动势型传感器电动势型传感器是利用热电效应 光电效应 霍耳效应等原理而制成 主要用于温度 磁通 电流 速度 光强 热辐射等参数的测量 5 电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理而制成 主要用于力及加速度的测量 6 半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应 内光电效应 磁电效应 半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成 主要用于温度 湿度 压力 加速度 磁场和有害气体的测量 7 谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成 主要用来测量压力 8 电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成 可分为电位式传感器 电导式传感器 电量式传感器 级譜式传感器和电解式传感器等 电化学式传感器主要用于分析气体成分 液体成分 溶于液体的固体成分 液体酸碱度 电导率及氧化还原电位等参数的测量 还有 按能量的关系分类 即将传感器分为有源传感器和无源传感器 按输出信号的性质分类 即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器 数字式传感器输出为数字量 便于与计算机联用 且抗干扰性较强 例如 盘式角度数字传感器 光栅传感器等 1 2传感器的基本特性传感器测量静态量表现为静态特性 测量动态量表现为动态特性 1 2 1静态特性1 线性度线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度 又称非线性误差 传感器的线性度 a 端基线性度 b 平均选点线性度 c 最小二乘法线性度 常用的计算线性度的方法有 理论直线法 端点线法 割线法 最小二乘法和计算程序法等 2 灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值 传感器的灵敏度 a 线性测量系统 b 非线性测量系统 3 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的程度 1 反向特性2 正向特性传感器迟滞特性示意图 4 重复性重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时 所得特性曲线不一致性的程度 传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损 间隙 松动 部件的内磨擦 积尘 电路元件老化 工作点漂移等原因产生 传感器的重复性 5 分辨力传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量 有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示 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 指在室温条件下 经过相当长的时间间隔 如一天 一月或一年 传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异 通常又用其不稳定度来表征稳定程度 7 漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下 输出量发生与输入量无关的不需要的变化 漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等 零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移 时间漂移是指在规定的条件下 零点或灵敏度随时间的缓慢变化 温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化 1 2 2传感器的动态特性在动态 快速变化 的输入信号情况下 要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化 也就是说 传感器要有良好的动态特性 最常用的是通过几种特殊的输入时间函数 例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性 称为阶跃响应法和频率响应法 阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号 其输出特性称为阶跃响应特性 传感器阶跃响应特性 1 时间常数 2 上升时间 3 响应时间 4 超调量 5 延迟时间 6 衰减度 衡量阶跃响应的几项指标 1 2 3传感器特性的应用 1 已知输入 输出是可以观察的量 可以推断系统的传输或转换特性 如系统标定过程 2 已知系统特性 输出可测 可以推断导致该输出的相应输入量 如检测过程 3 已知输入和系统特性 可以推断和估计系统的输出 如干扰的查找过程 1 2 4提高传感器性能的方法1 传感器性能指标根据实际的需要与可能 在确保主要性能指标实现的基础上 放宽对次要性能指标的要求 以求得高的性能价格比 2 提高性能指标的方法1 采用线性化技术 2 差动技术3 平均技术4 零位法 微差法和闭环技术5 补偿与校正技术6 集成化和智能化7 屏蔽 隔离和抑制干扰8 稳定性处理 1 3传感器的材料与制造传感器是利用材料的固有特性或开发的二次功能特性 再经过精细加工而成的 传感器的材料和制造是传感器性能和质量的关键1 3 1传感器的材料1 半导体材料 1 单晶硅 2 多晶硅 3 非晶体硅 4 硅蓝宝石 5 化合物半导体2 陶瓷材料3 石英材料4 金属氧化物及合金材料 1 ZnO薄膜 2 非晶态磁性合金材料 3 形状记忆合金材料5 无机材料6 有机材料 7 生化材料8 高分子敏感材料9 合成材料10 智能材料 1 能够检测并且可以识别外界或内部的刺激强度的感知功能 2 能够响应外界变化的驱动功能 3 能够按照设定的方式选择和控制响应 4 反应比较灵敏 及时和恰当 5 当外部刺激消除后 能够迅速恢复到原始状态 1 3 2传感器制造技术传感器制造技术主要是微系统技术 也叫微机械加工技术 不仅微系统的部件是用微机械加工制成 而且用这些部件组合成系统也是用微机械加工的 1 部件及子系统加工技术2 系统的集成包括底盘 组装和连线加工技术3 Z半导体敏感元件的加工Z半导体元件输出数字信号 准确地说是脉冲信号 无需前置放大和A D转换就可与计算机直接通信 特别适合研制新一代三端数字传感器 1 4传感器的物理基础与选用1 4 1传感器的物理基础1 物理定律2 物理效应1 守恒定律1 热电效应2 场的定律2 光电磁效应3 物质定律3 磁效应4 统计法则4 压电效应5 多普勒效应6 物理现象 1 4 2传感器的选用1 灵敏度一般来说 传感器灵敏度越高越好 因为灵敏度越高 意味着传感器所能感知的变化量越小 同时还要考虑以下几个问题 1 要求传感器的信噪比 S N 愈大愈好 2 过高的灵敏度会影响其适用的测量范围 3 当被测量是一个单向量 就要求传感器单向灵敏度愈高愈好 而横向灵敏度愈低愈好 如果被测量是二维或三维的向量 那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好 2 准确度和精密度在选用传感器时 要着重考虑精密度 重复性 因为准确度可用某种方法进行补偿 而重复性是传感器本身固有的 外电路无能为力 3 动态范围和线性动态范围是由传感器本身决定的 若配用一般测量电路 直线性很重要 若用微电脑进行数据处理 则动态范围需要重点考虑 即便非线性很严重 也可用计算机等对其进行线性化处理 5 稳定性在选择传感器时 一般应注意两个问题 其一 根据环境条件选择传感器 其二 工作环境 尤其是工业环境往往有各种干扰 一般希望能经受住高低温 湿度 磁场 电场 辐射 震动 冲击等恶劣环境的考验 但都有一定的适应限度 这一条往往成为选择传感器的关键 4 响应速度和滞后性对所使用的传感器 希望其动态响应快 时间滞后少 但这类传感器的价格相应就会偏高一些 6 测量方式7 其他方面互换性 传感器的输出信号形式 输出信号要和变送器 测量电路 相适应 若用微电脑测量 最好选用脉冲输出型 这样可省去A D转换器 若现场距仪表室较远 最好选用可以长距离传输而抗干扰能力强的电流输出型 输出电流国际上规定为4 20mA 信号为0时对应4mA 满输出时对应20mA 国内有用0 10mA的 1 5传感器的标定与校准利用某种标