傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.1自動測控系統(tǒng)與傳感器第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三世界是由物質(zhì)組成的，表征物質(zhì)特性或其運(yùn)動形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量兩類。非電量不能直接使用一般電工儀表和電子儀器測量，非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測量。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件叫傳感器。自動檢測和自動控制系統(tǒng)處理的大都是電量,需通過傳感器對通常是非電量的原始信息進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換為電量。第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

1.1自動測控系統(tǒng)與傳感器

1.1.1自動測控系統(tǒng)自動檢測和自動控制技術(shù)是人們對事物的規(guī)律進(jìn)行定性了解和定量掌握以及預(yù)期效果控制所從事的一系列的技術(shù)措施。自動測控系統(tǒng)是完成這一系列技術(shù)措施之一的裝置，它是檢測和控制器與研究對象的總和。通?？煞譃殚_環(huán)與閉環(huán)兩種自動測控系統(tǒng)。第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三測量電路傳感器電源指示儀記錄儀伺服控制

圖1-1開環(huán)自動測控系統(tǒng)框圖

被測量第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三調(diào)節(jié)元件給定元件信息處理檢測電路執(zhí)行元件傳感器對象輸出顯示記錄－＋－圖1-2閉環(huán)自動測控系統(tǒng)框圖

第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

一個完整的自動測控系統(tǒng)，一般由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置或調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分組成。

第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.1.2傳感器傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號的部分。第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源接口電路圖1-3傳感器組成框圖非電物理量電信號第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等是敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩者合二為一的傳感器傳感器轉(zhuǎn)換能量的理論基礎(chǔ)都是利用物理學(xué)、化學(xué)學(xué)、生物學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng)來進(jìn)行能量形式的變換。被測量和它們之間的能量的相互轉(zhuǎn)換是各種各樣的。第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三機(jī)械能光能電磁能化學(xué)能熱能圖1-4傳感器的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三傳感器技術(shù)就是掌握和完善這些轉(zhuǎn)換的方法和手段。是涉及：傳感器能量轉(zhuǎn)換原理、傳感器材料選取與制造、傳感器器件設(shè)計、傳感器開發(fā)和應(yīng)用等多項(xiàng)綜合技術(shù)。第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.2傳感器的分類第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.2傳感器的分類傳感器有許多分類方法，但常用的分類方法有兩種：一種是按被測輸入量來分；另一種是按傳感器的工作原理來分。第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.2.1按被測量分類這一種方法是根據(jù)被測量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等。第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

這種分類方法把種類繁多的被測量分為：基本被測量和派生被測量兩類。見表1-1。例如力可視為基本被測量，從力可派生出壓力、重量、應(yīng)力、力矩等派生被測量。當(dāng)需要測量這些被測量時，只要采用力傳感器就可以了。

第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三表1-1基本被測量和派生被測量基本被測量派生被測量位移線位移長度、厚度、應(yīng)變、振動、磨損、不平度角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動速度線速度速度、振動、流量、動量角速度轉(zhuǎn)速、角振動加速度線加速度振動、沖擊、質(zhì)量角加速度角振動、扭矩、轉(zhuǎn)動慣量力壓力重量、應(yīng)力、力矩時間頻率周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布溫度熱容量、氣體速度、渦流光光通量與密度、光譜分布濕度水氣、水分、露點(diǎn)第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

這種分類方法：優(yōu)點(diǎn)是比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。缺點(diǎn)是沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.2.2按傳感器工作原理分類這一種分類方法是以工作原理劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)。這種分類法：優(yōu)點(diǎn)是對傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器的深入研究分析。缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。

第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三具體劃分為：1.電學(xué)式傳感器電學(xué)式傳感器是應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。2.磁學(xué)式傳感器磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成。主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三3.光電式傳感器光電式傳感器是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理而制成。主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。4.電勢型傳感器電勢型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍耳效應(yīng)等原理而制成。主要用于溫度、磁通、電流、速度、光強(qiáng)、熱輻射等參數(shù)的測量。第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三5.電荷傳感器電荷傳感器是利用壓電效應(yīng)原理而制成。主要用于力及加速度的測量。6.半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

7.諧振式傳感器諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械的固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成。主要用來測量壓力。8.電化學(xué)式傳感器電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成，可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、級譜式傳感器和電解式傳感器等。電化學(xué)式傳感器主要用于分析氣體成分、液體成分、溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位等參數(shù)的測量。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三還有：按能量的關(guān)系分類，即將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器；按輸出信號的性質(zhì)分類，即將傳感器分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，便于與計算機(jī)聯(lián)用，且抗干擾性較強(qiáng)，例如：盤式角度數(shù)字傳感器，光柵傳感器等。第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.3傳感器的數(shù)學(xué)模型第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.3傳感器的數(shù)學(xué)模型傳感器作為感受被測量信息的器件，總是希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用信號,因此,需要研究其輸入-輸出之間的關(guān)系及特性，以便用理論指導(dǎo)其設(shè)計、制造、校準(zhǔn)與使用。理論和技術(shù)上表征輸入-輸出之間的關(guān)系通常是以建立數(shù)學(xué)模型來體現(xiàn)，這也是研究科學(xué)問題的基本出發(fā)點(diǎn)。第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.3.1傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是指在靜態(tài)信號作用下，傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮遲滯特性和蠕動效應(yīng)，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般可以用n次多項(xiàng)式來表示：

y=a0+a1x+a2x2+···+anxn

式中x為輸入量；y為輸出量；

a0為零輸入時的輸出，也叫零位輸出；

a1為傳感器線性項(xiàng)系數(shù)也稱線性靈敏度，常用K或S表示；

a2,

a3,

···,an為非線性項(xiàng)系數(shù)，其數(shù)值由具體傳感器非線性特性決定。

第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型有三種有用的特殊形式：1.理想的線性特性

通常是所希望的傳感器應(yīng)具有的特性，只有具備這樣的特性才能正確無誤地反映被測的真值。2.僅有偶次非線性項(xiàng)

其線性范圍較窄，線性度較差，靈敏度為該曲線的斜率，一般傳感器設(shè)計很少采用這種特性。第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三3.僅有奇次非線性項(xiàng)

其線性范圍較寛，且相對坐標(biāo)原點(diǎn)是對稱的，線性度較好，靈敏度為該曲線的斜率。使用時一般都加以線性補(bǔ)償措施，可獲得較理想的線性特性。第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.3.2傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型在實(shí)際測量中，大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號。傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是指：在隨時間變化的動態(tài)信號作用下，傳感器輸出-輸入量間的函數(shù)關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。動態(tài)數(shù)學(xué)模型一般采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

1.微分方程忽略了一些影響不大的非線性和隨機(jī)變量等復(fù)雜因素后，可將傳感器作為線性定常數(shù)系統(tǒng)來考慮，因而其動態(tài)數(shù)學(xué)模型可以用線性常系數(shù)微分方程來表示，其解得到傳感器的暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

式中：x(t)為輸入量，y(t)為輸出量。

為結(jié)構(gòu)常數(shù)。第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三對上式兩邊取拉普拉斯變換，則得：

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)為：

2.傳遞函數(shù)第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

等號右邊是一個與輸入無關(guān)的表達(dá)式，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，可見傳遞函數(shù)H(s)是描述傳感器本身傳遞信息的特性，即傳輸和變換特性。由輸入激勵和輸出響應(yīng)的拉普拉斯變換求得。當(dāng)傳感器比較復(fù)雜或傳感器的基本參數(shù)未知時，可以通過實(shí)驗(yàn)求得傳遞函數(shù)。第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.4傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.4傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)傳感器測量靜態(tài)量表現(xiàn)為靜態(tài)特性，測量動態(tài)量表現(xiàn)為動態(tài)特性。1.4.1靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能來描述。1.線性度線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差。第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

圖1-5傳感器的線性度第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三由圖可見，除（a）為理想特性外，其它都存在非線性，都應(yīng)進(jìn)行線性處理。常用的方法有：理論直線法、端點(diǎn)線法、割線法、最小二乘法和計算程序法等。2.靈敏度靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖1-6（a）所示，其

sn=y/x第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三圖1-6傳感器的靈敏度第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三非線性傳感器的靈敏度是一個隨工作點(diǎn)而變的變量，如圖1-6（b）所示，其

sn=dy/dx=df(x)/dx3.重復(fù)性重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-7所示。傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要由傳感器的機(jī)械部分的磨損、間隙、松動，部件的內(nèi)磨擦、積塵，電路元件老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生。第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三圖1-7傳感器的重復(fù)性第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三不重復(fù)性極限誤差由下式表示：

EZ=?MAX/yFS·100%

4.遲滯現(xiàn)象傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減?。┢陂g，輸出-輸入特性曲線不一致的程度，如圖1-8所示。在行程環(huán)中同一輸入量xi對應(yīng)的不同輸出量yi和yd的差值叫滯環(huán)誤差，最大滯環(huán)誤差與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率EMAX：

EMAX=?m/yFS·100%

第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三圖1-8傳感器的遲滯現(xiàn)象第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三5.分辨力傳感器的分辨力是在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測的輸入量的最小變化量。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示。6.穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)定性，指在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征穩(wěn)定程度。第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三7.漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.4.2動態(tài)特性在動態(tài)（快速變化）的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測信號的變化。也就是說，傳感器要有良好的動態(tài)特性。最常用的是通過幾種特殊的輸入時間函數(shù)，例如階躍函數(shù)和正弦函數(shù)來研究其響應(yīng)特性，稱為階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。

第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

1.階躍響應(yīng)特性給傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號：

其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性，如圖1-9所示。由圖可衡量階躍響應(yīng)的幾項(xiàng)指標(biāo)。

第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三圖1-9傳感器階躍響應(yīng)特性第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(1)最大超調(diào)量(2)延遲時間(3)上升時間(4)峰值時間(5)響應(yīng)時間第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三2.頻率響應(yīng)特性給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同初相位為零的正弦信號，其輸出的正弦信號的幅值和相位與頻率之間的關(guān)系，則為頻率響應(yīng)曲線。例子：下圖為一彈簧阻尼器組成的機(jī)械壓力傳感器，分析該傳感器的頻率響應(yīng)。第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三圖1-10機(jī)械壓力傳感器第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三系統(tǒng)輸入量為作用力，令其與彈簧剛度成正比，。

系統(tǒng)輸出量為彈簧形變產(chǎn)生的位移。

根據(jù)牛頓第三定律，作用力與阻尼器磨擦力、彈簧力的反作用力相等，即：

；

。

式中：；第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三可得一階機(jī)械壓力傳感器動態(tài)數(shù)學(xué)模型：左右兩邊取拉普拉斯變換，移項(xiàng)后可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

，

令可得頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性、相頻特性分別為：式中：為時間常數(shù)。第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

幅頻特性、相頻特性如圖1-11所示。由圖可見，時間常數(shù)τ越小，頻率特性越好。時間常數(shù)τ很小時，幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率成線性關(guān)系。第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三圖1-11一階傳感器的頻率特性在時間常數(shù)τ很小時，輸出位移能真實(shí)地反應(yīng)輸入作用力的變化規(guī)律，與作用力頻率無關(guān)。第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.5傳感器的材料與制造第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.5傳感器的材料與制造傳感器是利用材料的固有特性或開發(fā)的二次功能特性，再經(jīng)過精細(xì)加工而成的。傳感器的材料和制造是傳感器性能和質(zhì)量的關(guān)鍵。1.5.1傳感器的材料1.半導(dǎo)體材料（1）單晶硅（2）多晶硅（3）非晶體硅第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三（4）硅藍(lán)寶石（5）化合物半導(dǎo)體2.陶瓷材料3.石英材料4.金屬氧化物及合金材料（1）ZnO薄膜（2）非晶態(tài)磁性合金材料（3）形狀記憶合金材料5.無機(jī)材料6.有機(jī)材料第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三7.生化材料8.高分子敏感材料9.合成材料10.智能材料（1）能夠檢測并且可以識別外界或內(nèi)部的刺激強(qiáng)度的感知功能；（2）能夠響應(yīng)外界變化的驅(qū)動功能；（3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；（4）反應(yīng)比較靈敏、及時和恰當(dāng)；（5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1.5.2傳感器制造技術(shù)傳感器制造技術(shù)主要是微系統(tǒng)技術(shù)，也叫微機(jī)械加工技術(shù)。不僅微系統(tǒng)的部件是用微機(jī)械加工制成，而且用這些部件組合成系統(tǒng)也是用微機(jī)械加工的。1.部件及子系統(tǒng)加工2.系統(tǒng)的集成包括底盤、組裝和連線加工3.