传感器的一般特性(传感器原理及其应用).ppt

1,传感器原理及其应用,2,成绩评定,平时成绩20分；期中成绩10分；实验成绩10分；期末考试60分。,3,传感器原理,检测技术,电感传感器,应变传感器,电容传感器,压电传感器,温度传感器,磁传感器,光传感器,其他传感器,智能化传感器,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,4,传感器课程仪表技术与传感器http:/www.i-传感器世界中国传感器传感器技术http:/www.sensor-21IC中国电子网传感技术学报网传感器资讯网电子设计应用,参考网站,5,参考文献,1、传感器（第4版），强锡富，机械工业出版社，测控技术与仪器教学指导委员会推荐用书；2、传感器原理及工程应用，郁有文，主编，西安电子科技大学出版社，教育部规划教材；3、传感器与检测技术，陈杰、黄鸿编著，高等教育出版社，教育部规划教材；（少学时教材）4、传感器原理及应用，王化祥、张淑英编著，天津大学出版社，教育部规划教材；5、传感器与自动检测技术，余成波、胡新宇、赵勇，高等教育出版，,6,期刊杂志,7,传感器图片,超声传感器,电感传感器,电容传感器,红外温度传感器,磁阻传感器,热电偶,气体成分传感器,流量传感器,8,使用USB接口的测量硬件及IEEE1451.4TEDS智能传感器,热敏电阻,离子感烟器,明火探测器,传感器实验仪,9,电阻式远传压力表,感应式流量表,称重传感器,CCD传感器,10,质子旋进式磁敏传感器,压阻式液位传感器,光敏传感器,温度传感器,11,风力参数传感器,地震检波器,反射式光敏传感器,磁、气、力敏传感器,超声传感器,12,电子产品,13,第一章传感器的一般特性,主要内容,重点难点,重点：传感器定义、组成、分类和发展趋势；传感器的静态特性指标、相关计算；传感器的选用原则难点：改善传感器的性能的技术途径；最小二乘拟合和动态特性指标计算,传感器的组成和分类传感器的地位和作用传感器的发展方向传感器的静态与动态特性传感器技术的标定与校准,14,1.1传感器的基本概念,15,人体系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）,感知外界信息大脑肌体,一、传感器的地位和作用,16,17,传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。,传感器技术是现代信息技术的主要内容之一信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，是现代信息产业的三大支柱。,相当于人的的大脑相当于人的神经相当于人的感官,18,工业生产,需要用各种传感器来监视和控制生产过程中各个参数使设备工作在最佳工作状态，没有传感器现代工业失去基础。,19,智能建筑,降低能耗,提高操作者工作效率,提高楼宇内部舒适程度,提供高效的设备管理手段,监控软件,缩短投资回收周期,降低培训成本,20,航空航天宇宙飞船,飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器142个专家说：整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体,智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）,未来世界,21,传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,结论：现代社会各个领域都离不开传感器,传感技术产业是最具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点成为全世界高新技术争夺的一个重要领域。,22,广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。,1、传感器的定义,二、传感器的组成和分类,传感器又称变换器、探测器或检测器，是获取信息的工具,23,国家标准（GB7665-87）：对传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够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。,测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化的器件就是传感器。,输入匹配,放大变换,被测信号,输出,检测器件,信号处理,广义传感器,24,以上定义表明传感器有以下含义它能完成检测任务，由敏感元件和转换元件构成检测装置；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；能按一定规律将被测量转换成电信号输出，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；传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。按使用场合不同又称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,25,2、传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，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：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,物理、化学、生物信息,26,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,27,三、传感器的分类,物理型：化学型：利用电化学反应原理生物型：利用生物活性物质选择性,结构型：取决于几何尺寸和形状物性型：取决于材料性质,1、传感器的工作原理,28,2、传感器的分类,（1）、按能量供给形势,无源传感器：被动的接受来自被测物体的信息有源传感器：有意识的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。,电传感器、磁传感器、位移传感器、压力传感器、振动传感器、声传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器等,（2）、从功能角度分类,29,（3）、从使用材料分类,陶瓷传感器、半导体传感器、复合材料传感器、金属材料传感器、高分子材料传感器,电传送、气传送或光传送、位式作用或连续作用、有触点或无触点、模拟式或数字式、常规式或灵巧式、接触式或非接触式、普通型、隔爆型或本安型（本质安全性）等,（4）、从技术特点分类,30,1、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号2、传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器3、按可变电参量：电阻型、电感型或电容型4、按传感器技术发展：聋哑传感器(DumbSensor)、智能传感器(SmartSensor)、网络化传感器(NetworkedSensor),三、其他分类,31,1.3传感器的发展方向,32,一、传感器现状据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6000余家。以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元，2010年销售额超过600亿美元。我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。,33,目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种，年产量13.2亿多支，其中约有1/2产品销往国外。传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面表现为传感器自身在智能化和网络方面落后。,34,二、传感器的发展趋势,20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、自动控制系统等装置必不可少的感知元件。当今传感技术的主要发展动向：开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺实现传感器的微型化、阵列化和智能化。,35,发现和应用新现象开发新材料发展微机械加工技术发展多功能传感器仿生传感器智能化传感器,开展基础研究，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,36,有专家认为我国今后传感器的研究和开发方向应是：,微电子机械系统,2.汽车传感器,3.环保传感器,4.工业过程控制传感器,37,1、向结构型传感器方向发展,将敏感元件和电路组装在一起，减小装置体积，提高信噪比和精度,2、小型化，集成化方向发展,由于航天和航空技术的发展以及医疗器械的需要，传感器必须向小型化方向发展.而小型化的基础是集成化。,38,3、向智能化方向发展,将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的结构就是智能传感器,（1）、智能传感器的三种类型：,具有判断能力的传感器,具有学习能力的传感器,具有创造能力的传感器,39,（2）、智能传感器功能,具有自校准能力,具有自补偿能力，可在正常工作中通过软件对传感器的外线性，温度漂移等进行补偿。,具有自行诊断功能，智能传感器在接通电源后，可对传感器进行自检，检查各部分是否正常。在内部出现操作问题时，能够表明传感器发生故障，并可诊断发生故障的部件。,40,4、向开发新型传感器方向发展,利用量子力学效应研制高灵敏传感器,利用核磁共振吸收效应研制的磁敏传感器可将检测范围扩展到地磁场,利用约瑟夫效应研制的热噪声温度传感器，可测的超低温。,41,模拟传感器,放大电路,A/D转换,线性化处理,微处理器,标准接口,脉冲输出,控制门,显示,传感器的数字化、智能化和网络化,42,1.4传感器的静态与动态特性,43,传感器的输入-输出关系特性是传感器的基本特性，是传感器的内部参数作用关系的外部特性表现。不同的传感器内部结构参数决定了它具有不同的外部特性。,传感器的输入-输出特性：静态特性和动态特性,一个高精度的传感器必须有良好的静态和动态特性，从而确保检测信号的无失真转换，使检测结果尽量反映被测量的原始特征。,44,一、传感器的静态特性,在稳态信号作用下的输入-输出特性，即输入量是静态量,1、静态特性的表示方法,（1）代数多项式,若不考虑传感器特性中迟滞及蠕变等性质，其特性方程可写成多项式形式。,45,（2）曲线表示,曲线能表示出传感器特性的变化趋势，有最大或最小输出；灵敏度高低；也可通过曲线粗略判断线性与非线性。,（3）列表表示,把传感器的输入-输出数据按一定的方式顺序的排列在一个表格中。优点：简单易行、形式紧凑、数据易于进行数量上的比较，便于处理等,46,2、静态性能指标,（1）灵敏度,定义：传感器在静态工作条件下，其单位输入所产生的输出。传感器输出Y的变化量与引起该变化量的输入X的变化量之比即静态灵敏度（S）,可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度S是一常数，与输入量大小无关。,47,（2）线性度(Linearity)传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式表示：式中：y输出量；x输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a2、a3、an非线性项系数。,各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。,y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn,传感器的输入-输出校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏离与传感器满量程输出之比，称为传感器的“非线性误差”或“线性度”通常用L表示,48,线性度又可分为：,绝对线性度：又称理论线性度,为传感器的实际平均输出特性曲线与理论直线的最大偏差。,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。端基直线定义：实际平均输出特性首、末两端点的连线。,49,零基线性度,传感器实际平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差。,零基直线定义：这样的一条线，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。,独立线性度,以最佳直线作为参考直线的线性度,最小二乘线性度,用最小二乘法求得校准数据的理论直线。,50,（3）迟滞,0,y,x,Hmax,yFS,迟滞特性,对某一输入量，传感器在正行程时的输出量不同于其在反行程时的输出量，这一现象称为迟滞。即：传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。,51,（4）重复性(Repeatability),y,x,0,Rmax2,Rmax1,在相同工作条件下，在一段短的时间间隔内，同一输入量值多次测量所得的输出之间相互偏离的程度。,Rmax1正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差。,52,（5）稳定性,稳定性有两个指标：测量传感器输出值在一段时间中的变化，以稳定度表示；传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响量表示。在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。,53,与精度有关指标：精密度、正确度和准确度,（6）精度,正确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。准确度高意味着系统误差小。,精密度：说明测量传感器输出值的分散性。精密度高，意味着随机误差小。,准确度：是精密度与正确度两者的总和，,在测量中我们希望得到准确度高的结果。,54,被测量可能以各种形式变化，只要输入量是时间的函数，则输出量也将是时间的函数。其关系用动态特性方程描述。,二、传感器的动态特性,动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。,传感器动态特性方程就是指在动态测量时，传感器的输出量与输入被测量之间随时间变化的函数关系。它依赖于传感器本身的测量原理、结构，取决于系统内部机械、电气、磁性、光学等各种参数。这个特性本身不因输入量、时间和环境条件的不同而变化。,55,数学定义：初始条件为零时，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,1.传递函数,传递函数表示系统本身的传输、转换特性，与激励及系统的初始状态无关。同一传递函数可能表征着两个完全不同的系统，但具有相似的传递特性。,对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应对于阶跃输入信号，传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应,56,2瞬态响应特性,传感器的瞬态响应是时间响应，采用时域分析。,（1）一阶系统的阶跃响应,输入单位阶跃信号,因,拉氏反变换得：,其响应曲线如图所示,57,二阶传感器包含两个储能元件和一些耗能元件。,传递函数：,（2）二阶系统的阶跃响应,式中wn为传感器的固有频率；为传感器的阻尼比,二阶系统的阶跃响应很大程度上取决于这两个参数,固有频率wn由传感器的结构参数所决定。wn越高，传感器的响应速度越快；wn为常数时响应主要取决于阻尼比,58,二阶系统,(3)瞬态响应特性指标时间常数：传感器输出值上升到稳态值的63.2所需的时间。上升时间Tr：传感器输出值达到稳态值90所需的时间。延时时间Tp：传感器输出值达到稳态值50所需的时间。超调量：传感器输出超过稳态值的最大值,59,3频率响应特性,传感器对正弦输入信号的响应特性,（1）一阶系统的频率响应,将一阶传感器的传递函数中的s用jw代替,幅频特性为,相频特性为,60,一阶系统幅频及相频特性曲线,典型的一阶系统,（a）弹簧阻尼系统（b）低通滤波器（c）液柱式温度计,（a）幅频特性曲线（b）相频特性曲线,61,二阶系统幅频及相频特性曲线,典型的二阶系统,（a）幅频特性曲线（b）相频特性曲线,（a）动圈式仪表（b）测力弹簧（c）LRC振荡回路,（2）二阶系统的频率响应,62,六、传感器的可靠性,传感器只有在规定条件和规定时间内无故障工作才是可靠的。可靠性在统计学上被描述为：高可靠性意味着按要求工作的概率接近于1。即在所考虑的期间，该传感器几乎不失效。,63,（一）、应用传感器需遵循的原则,七、应用传感器需遵循的原则与考虑的主要因素,1坚持从测控系统整体设计要求研制或选择传感器，即遵循整体需要的原则。2高可靠性原则。3较高的性能价格比原则。,64,（二）、应用传感器考虑的主要因素,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