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1、,传感器原理及应用,授课教师：朱蕴璞 2009年9月,传感技术是与现代科学技术紧密相连的不断发展的一门学科，其种类很多，涉及的工作原理十分丰富。 传感技术与生产实际的关系十分密切。 所有这些决定了传感技术课程是一门综合性、理论性和实践性都很强的课程。,课程的性质,主要讲授把被测量转换成电量的各种传感器（包括基本转换电路） 要求： 掌握传感器的基础理论及共同规律； 掌握各类典型传感器的基本理论，主要包括各种传感器的工作原理、主要性能及其特点、基本转换电路； 掌握各种传感器的典型应用，能合理地选择和使用传感器； 了解当代传感技术的最新成果。,课程目的和任务,百分制 分数权重 平时（作业、到课率等）
2、：10% 实验：20% 期末考试：70% 期末考试方法 闭卷,考核办法,1.1 人机系统的机能对应关系,性能凌驾于人的感官之上：,温度传感器：-196 1800 压力传感器：0.01psi 10000psi(1psi=0.06892857pa) 精度：0.1% 0.01% 可靠度：8 9 级,传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用,1.2 主要应用,例0-1：化工产品自动生产过程,5、传感器在医疗及人体医学上的应用,医用传感器： 人体内部温度、血液、呼吸流量、 肿瘤、心音、 腔内压力、心脑电波,6、传感器与航空及航天,陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器,周围环境、内部设备监控、本身状
3、态,9、传感器在军事技术领域的应用,美国高级将领与著名学者访谈录陈伯江,“信息时代的军事革命” 美国参联会副主席欧文斯上将,“改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。”,“陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物你也许将成立一个把所有的传感器放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场”,1.3 地位及发展状况,传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实
4、现的。,1、现代测量与自动控制的首要环节,2、衡量国家综合实力的重要标志,传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。,3、现代信息产业的三大支柱,通讯技术、计算机技术、传感器技术 既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。 如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。,4、各国政府高度重视,日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、
5、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪技术预测中将传感器列为首位。,美国白宫将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。,西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。,我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。,1.4 发展方向,新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究,2、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命,4、微型化,微机电系统 MEMS（Microelectro-mechanical System）,微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器,5、新型功能材料的开发,各种新
6、型传感器孕育在新材料之中,1.5 传感器定义、组成与分类,根据GB7665规定，传感器的定义为 “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”。,传感器的组成(当传感器的输出为标准化信号，例：0-5V 或4-20mA，传感器称作变送器。),敏感元件：传感器中能直接感受或响应被测量的部分。它往往将被测量转变成另一种易于变换成电量的非电量。如应变式传感器中的弹性元件，通常称为弹性敏感元件。 转换元件：将感受到的非电量直接转换为电量的器件。例如压电晶体、热电偶等。 测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制处理的有用电信号的电路。测量电路的类型视转换元件的类型而定，常
7、采用的电路有电桥电路、高阻抗输入电路、振荡回路等。,传感器的分类,（1）按工作机理分,结构型传感器,物性型传感器,复合型传感器,有源传感器 无源传感器,（2）按能源分,物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器,（3）按被测量范畴分,电阻式传感器 压电式传感器 电容式传感器 ,（4）按工作原理分,1.6 参考资料及教材,参考资料科技期刊 传感器技术 传感器技术学报 仪表技术与传感器 仪器仪表与传感器 传感器世界 化学传感器 测控技术,参考资料网站,1、www. worldsensor. com 2、www. chinasensors. com 3、www. chinasensor. com. c
8、n 4、www. globalsensors. com,第2章 传感器的基本特性,传感器原理及应用,2.1 概述,X(t)输入量 y(t)输出量 h(t)组件的物理性能决定的数学运算法则,测量系统由三个基本环节组成,上图中表示输入量送入此组件后经过规定的传输特性h(t)转变为输出量。 对比例放大环节h(t)可写成k（电子或机械装置的放大系数）；,一般的工程测试问题总是处理输入量x(t)、系统的传输转换特性和输出量y(t)三者之间的关系。 即： x(t)、y(t)是可以观察的量，则通过x(t)、y(t)可推断测量系统的传输特性或转换特性； h(t)已知，y(t)可测，则可通过h(t)、y(t)推
9、断导致该输出的相应输入量x(t)，这是工程测试中最常见的问题； 若x(t)、h(t)已知，则可推断或估计系统的输出量y(t) 。 理想的测量系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。其中以输出和输入成线性关系为最佳。,在静态测量中，测量系统的这种线性关系虽说总是所希望的，但不是必须的，因为在静态测量中可用曲线校正或输出补偿技术作非线性校正； 在动态测量中，测量工作本身应该力求是线性系统，这不仅因为目前只有对线性系统才能作比较完善的数学处理与分析，而且也因为在动态测试中作非线性校正目前还相当困难。,2.2 传感器的静态标定与静态特性,2.2.1 静态标定,欲使测量结果具有普遍的科学意义，测量系统应
10、当是经过检验的。 用已知的标准校正仪器或测量系统的过程称为标定。,输入到测量系统中的已知量是静态量还是动态量，标定分:,静态标定 动态标定,静态标定就是将原始基准器，或比被标定系统准确度高的各级标准器或已知输入源作用于测量系统，得出测量系统的激励响应关系的实验操作。,要求： 标定时，一般应在全量程范围内均匀地取定5个或5个以上的标定点（包括零点）。,正行程：从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值此称标定的正行程。 反行程：再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，此称反行程。,标定的主要作用 确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值； 确定仪器或测量系统的静态特性指标；
11、消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度。,通过静态标定，可得到测量系统的响应值yj和激励值xj之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。 测量系统的静态特性可以用一个多项式方程表示 ,即,测量系统的静态数学模型,（-）,工作曲线:式（2-1）称为工作曲线或静态特性曲线,实际工作中,一般用标定过程中静态平均特性曲线来描述. 正行程曲线:正行程中激励与响应的平均曲线 反行程曲线:反行程中激励与响应的平均曲线,理想的情况是测量系统的响应和激励之间有线性关系，这时数据处理最简单，并且可和动态测量原理相衔接。,由于原理、材料、制作上的种种客观原因，测量系统的静态特性不可能是严格线性的。如果在测量系统
12、的特性方程中，非线性项的影响不大，实际静态特性接近直线关系，则常用一条参考直线来代替实际的静态特性曲线，近似地表示响应激励关系。 y=a+bx,选用参考直线有多种方案，常用的几种有： 端点连线： 将静态特性曲线上的对应于测量范围上、下限的两点的连线作为工作直线； 端点平移线： 平行于端点连线，且与实际静态特性（常取平均特性为准）的最大正偏差和最大负偏差的绝对值相等的直线； 最小二乘直线： 直线方程的形式为，且对于各个标定点（xj，yj）偏差的平方和最小的直线；式中a、b为回归系数，且a、b两系数具有物理意义； 过零最小二乘直线： 直线方程的形式为且对各标定点（xj，yj）偏差的平方和最小的直线
13、。,最小二乘直线： 直线方程的形式 y=a+bx,2.2.2 静态特性指标,、灵敏度（Sensitivity）,灵敏度S是仪器在静态条件下响应量的变化y和与之相对应的输入量变化x的比值。,如果激励和响应都是不随时间变化的常量(或变化极慢，在所观察的时间间隔内可近似为常量)， 依据线性时不变系统的基本特性，则有：,当特性曲线呈非线性关系时，灵敏度的表达式为,、量程及测量范围（Span or Range）,测量上限值与下限值的代数差称为量程。 测量系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量（上限）之间的范围称为测量范围。,3、非线性度（Nonlinearity often called linea
14、rity ）,非线性也称为线性度，是指测量系统的实际输入输出特性曲线对于参考工作曲线输入输出特性的接近或偏离程度。,线性度 满量程 最大偏差,4、 迟滞（Hysteresis）,亦称滞后量、滞后或回程误差，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两者静态特性不一致的程度。,迟滞 满量程 最大偏差,重复性表示测量系统在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次(三次以上)测量时，对于同一个激励量其测量结果的不一致程度。,5、重复性（Repetition）,重复性 满量程 同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的极差,重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，一般根据标
15、准偏差来计算R。,子样标准偏差,K置信因子 K=2时，置信度为95%； K=3时，置信度为99.73%。,/,=,K,R,、,、,正、反行程各标定点响应量的标准偏差,正、反行程各标定点的响应量的平均值,j标定点序号，j1、2、3、m； i标定的循环次数，i1、2、3、n；,yjiD、yjiI正、反行程各标定点输出值,再取jD 、jI的均方值为子样的标准偏差,则,6、准确度（Accuracy） 准确度是指测量仪器的指示接近被测量真值的能力。准确度是重复误差和线性度等的综合。,在工程应用中多以仪器的满量程百分比误差来表示，即,准确度表示测量的可信程度，准确度不高可能是由仪器本身或计量基准的不完善两
16、方面原因造成。,7、分辨率（Resolution） 分辨率是指测量系统能测量到输入量最小变化的能力，即能引起响应量发生变化的最小激励变化量，用x表示。传感器能检测到的最小输入增量。 由于测量系统或仪器在全量程范围内，各测量区间的x不完全相同，因此常用全量程范围内最大的x即xmax与测量系统满量程输出值YFS之比的百分率表示其分辨能力，称为分辨率，用F表示，即,为了保证测量系统的测量准确度，工程上规定：测量系统的分辨率应小于允许误差的1/3,1/5或1/10。可以通过提高仪器的敏感单元的增益的方法来提高分辨率。,测量仪器必须有足够高的分辨率 。,阈值(死区值):传感器输入零点附近的分辨力,2.3 传感器的动态特性,例： 设TT
