傳感器技術(shù)及應(yīng)用

傳感器技術(shù)及應(yīng)用主講教師：楊春來電話子郵件：ycl@本課程的特點課程具有較強的實踐性課程設(shè)計的知識面廣是一門工程性、應(yīng)用性都非常強的課程本課程的重要性1.傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，他們分別是職能系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。2.傳感器是測量住址和控制裝置的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)驚醒準(zhǔn)確可靠的測量，就無法實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和信息處理、無法完成最忌數(shù)據(jù)的顯示和控制。課程教材和參考書教材：

唐文彥主編《傳感器》第四版機械工業(yè)出版社參考書：1.強錫富主編《傳感器》第三版機械工業(yè)出版社，20022.余瑞芬主編.傳感器原理.北京:航空工業(yè)出版社,19953.王化祥，張淑英編著.傳感器原理及應(yīng)用.天津大學(xué)出版社，19994.劉迎春，葉湘濱編著.傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用，國防科技大學(xué)出版社，1997本課程總成績的組成1、平時成績占20%2、課程綜合考試占30%緒論傳感器的作用：傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實現(xiàn)現(xiàn)代化測量和自動控制（包括遙感、遙測、遙控）的主要環(huán)節(jié)，是信息的源頭，又是信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。傳感器的定義與組成

1.定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。

包含的意思：1.傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；2.他的輸入時某一種被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等。3.他的輸出量是某種物理量，這種量便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量不一定是電量，還可以是氣壓、光強等物理量，但主要是電物理量敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：將敏感與那件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。（在圖0-2中，轉(zhuǎn)換元件是可變電感線圈3.它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化）有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件（敏感元件）實現(xiàn)的?；巨D(zhuǎn)換電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出2.組成：傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖見圖0-1.傳感器的分類及對它的一般要求

傳感器的分類1.按傳感器的工作機理：物理型，化學(xué)型、生物型等；2.按構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類；結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變，如：電容式壓力傳感器

物性型：依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換。如：水銀溫度計3.根據(jù)傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型兩大類；能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測對象輸入能量使其工作。如：熱電偶溫度計。能量控制型：從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量工作。如：傳感器的一般要求各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)質(zhì)變也可能不同，其技術(shù)指標(biāo)也不可能相同。但是有些一般要求卻基本上是共同的的，包括：1.可靠性；2.靜態(tài)精度；3.動態(tài)性能；4.靈敏度；5.分辨力；6.量程；7.抗干擾能力；8.能耗；9.成本；10.對被測對象的影響等傳感器應(yīng)用舉例：煙霧報警器4.按照物理原理：電參量式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、熱電式傳感器、射線式傳感器、磁電式傳感器；光電式傳感器5.按照傳感器的用途：位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器等等位移傳感器振動傳感器傳感器的發(fā)展趨勢和方向

發(fā)開新型傳感器：利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)是各種傳感器工作的基本原理，所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是研制新型傳感器的重要基礎(chǔ)，其意義極為深遠(yuǎn)。例如日本夏普公司利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功高溫超導(dǎo)磁傳感器，是傳感器技術(shù)的重大突破，其靈敏應(yīng)比霍爾器件高，僅次于超導(dǎo)量子干涉器件．而其制造工藝遠(yuǎn)比超導(dǎo)量子干涉器件簡單，它可用于磁成像技術(shù)，具有廣泛推廣價值。

開發(fā)新材料：傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進步．人們在制造時，可任意控制它們的成分，從而可以設(shè)計制造用于各種傳感器的功能材料。

采用新工藝：主要指微細(xì)加工技術(shù)，又稱為微機械加工技術(shù)

集成化、多功能化與智能化：傳感器體積更小，功能更多，自動分析處理信號（數(shù)據(jù)）的能力更強。

第一章傳感器的一般特性傳感器：輸入量——電量傳感器的一般特性：描述此種變換的輸入與輸出關(guān)系1．輸入量為常量或變化極慢時（慢變或穩(wěn)定信）一靜特性2．輸入量隨時間變化極快時（快變信號）一動特性主要影響因素：傳感器內(nèi)部儲能元件（電感、電容、質(zhì)量塊、彈簧等）影響1.1傳感器的靜特性傳感器在穩(wěn)態(tài)信號作用下，其輸出一輸入關(guān)系稱為靜態(tài)特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要措標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。1．線性度傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性問題。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜特性可用下列多項式代數(shù)方程表示：

在使用非線性特性的傳感器時，如果非線性項的方次不高，在輸入量變化范圍不大的條件下，可以用切線或割線等直線來近似地代表實際曲線的一段，即線性擬合。非線性誤差或線性度通常用相對誤差表示

目前常用的擬合方法有：①理論擬合；②過零旋轉(zhuǎn)擬合；③端點連線擬合④端點連線平移擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合等。前四種方法如圖所示a)理論擬合b)過零旋轉(zhuǎn)擬合c)端點連線擬合d)端點平移擬合理論擬合--擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關(guān)。該方法十分簡單，但一般說△Lmax較大。過零旋轉(zhuǎn)擬合--常用于曲線過零的傳感器。擬合時，使△L1=I△L21=△Lmax。這種方法也比較簡單，非線性誤差比前一種小很多。端點連線擬合--把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線。這種方法比較簡便，但△Lmax也較大。端點平移擬合--圖d中在圖c基礎(chǔ)上使直線平移，移動距離為原先△Lmax的一半，這樣輸出曲線分布于擬合直線的兩側(cè)，△L2=IAL1l=I△L31=△Lmax，與圖c相比，非線性誤差減小一半，提高了精度。最小二乘擬合如下圖所示設(shè)擬合直線方程為若實際校準(zhǔn)測試點有n個，則第i個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為

最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，

也就是使對k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，即

從而求出k和b的表達式在獲得k和