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1、第1章传感器技术基础本讲稿第一页，共五十三页1仪表技术与传感器仪表技术与传感器 http:/www.i-2传感器世界传感器世界 http:/3中国传感器中国传感器 http:/4传感器技术传感器技术 http:/www.sensor-521IC中国电子网中国电子网 http:/6传感技术学报网传感技术学报网 http:/7传感器资讯网传感器资讯网 http:/参考网站本讲稿第二页，共五十三页基础知识定义、分类发展趋势选用原则综合实训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课程主要内容传
2、感器的工作原理、结构、主要参传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用数、检测电路及其典型应用传感器技术及其应用本讲稿第三页，共五十三页电阻式远传压力表感应式流量表称重传感器CCD传感器本讲稿第四页，共五十三页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本讲稿第五页，共五十三页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本讲稿第六页，共五十三页目目 录录第第1章章 传感器技术基础传感器技术基础第第2章章 温度传感器温度传感器第第3章章 力传感器力传感器第第4章章 光电式传感器光电式传感器第第5章章 磁传感器磁传感器第第6章章 位移传感器位移传感器
3、第第7章章 环境量检测传感器环境量检测传感器第第8章章 新型传感器和安全防范技术新型传感器和安全防范技术第第9章章 传感器接口电路传感器接口电路第第10章章 现代传感技术现代传感技术本讲稿第七页，共五十三页第第1章章 传感器技术基础传感器技术基础 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本讲稿第八页，共五十三页 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
4、获和转换为电量。本讲稿第九页，共五十三页1.1 概述概述1.1.1 自动测控系统自动测控系统 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。本讲稿第十页，共五十三页测量电路测量电路传感器传感器电源电源指示仪指示仪记录仪记录仪伺服控制伺服控制开环自动测控系统框图开环自动测控系统框图 被测量被测量本讲稿第十一页，共五十三页调节元件调节元件给定元件给定元件信息处理信息处理检测电路检测电路执行元件执行元件传感器传感器对象对象输出输出显示显示记录记录闭环自动测控系统框图闭环自动测控系统框图 本讲稿
5、第十二页，共五十三页 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。本讲稿第十三页，共五十三页1.1.2 传感器的定义传感器的定义 传感器的定义是：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元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。本讲稿第十四页，共五十三页敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源接口电路接口电路传感器组成框图传感器组成框图非电物理非电物理量量电信号电信号本讲稿第十五页，共五十三
6、页举例:测量压力的电位器式压力传感器本讲稿第十六页，共五十三页 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。本讲稿第十七页，共五十三页 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本讲稿第十八页，共五十三页1.1.3 传感器的分类传感器的分类 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
7、原理来分。本讲稿第十九页，共五十三页1.按被测量分类按被测量分类 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。本讲稿第二十页，共五十三页基本被测量和派生被测量 基本被基本被测测量量 派生被派生被测测量量位位 移移 线线位移位移 长长度、厚度、度、厚度、应变应变、振、振动动、磨、磨损损、不平度、不平度 角位移角位移 旋旋转转角、偏角、偏转转角、角振角、角振动动 速速 度度 线线速度速度 速度、振速度、振动动、流量、流量、动动量
8、量 角速度角速度 转转速、角振速、角振动动 加速度加速度 线线加速度加速度 振振动动、冲、冲击击、质质量量 角加速度角加速度 角振角振动动、扭矩、扭矩、转动惯转动惯量量 力力 压压 力力 重量、重量、应应力、力矩力、力矩 时时 间间 频频 率率 周期、周期、计计数、数、统计统计分布分布 温温 度度 热热容量、气体速度、容量、气体速度、涡涡流流 光光 光通量与密度、光譜分布光通量与密度、光譜分布 湿湿 度度 水气、水分、露点水气、水分、露点本讲稿第二十一页，共五十三页2.按传感器工作原理分类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
9、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。本讲稿第二十二页，共五十三页具体划分为：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。本讲稿第二十三页，共五十三页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
10、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。本讲稿第二十四页，共五十三页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。本讲稿第二十五页，共五十三页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
11、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。本讲稿第二十六页，共五十三页 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。本讲稿第二十七页，共五十三页 1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 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 静态特性静态特性1.线性度 线性度
12、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。本讲稿第二十八页，共五十三页传感器的线性度传感器的线性度(a)端基线性度；端基线性度；(b)平均选点线性度；平均选点线性度；(c)最小二乘法线性度最小二乘法线性度本讲稿第二十九页，共五十三页 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。本讲稿第三十页，共五十三页传感器的灵敏度传感器的灵敏度（a）线性测量系统）线性测量系统 (b)非线性测量系统非线性测量系统 本讲稿第三十一页，共五十三页3.迟滞现象 传感器在正向行程（输入量增大
13、）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本讲稿第三十二页，共五十三页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。传感器的重复性传感器的重复性 本讲稿第三十三页，共五十三页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
14、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。本讲稿第三十四页，共五十三页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。本讲稿第三十五页，共五十三页1.2.2 传感器的动态特性传感器的动态特性 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
15、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。本讲稿第三十六页，共五十三页 阶跃响应特性阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号：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。其输出特性称为阶跃响应特性。本讲稿第三十七页，共五十三页传感器阶跃响应特性传感器阶跃响应特性 本讲稿第三十八页，共五十三页 (1)时间常数时间常数(2)上升时间上升时间(3)响应时间响应时间(4)超调量超调量(5)延迟时间延迟时间(6)衰减度衰减度衡量阶跃响应的几项指标衡量阶跃响应的几项指标:本讲稿第三十九页，共五十三页1.2
16、.3 传感器特性的应用传感器特性的应用 (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)。本讲稿第四十页，共五十三页1.2.4 提高传感器性能的方法提高传感器性能的方法1）传感器性能指标传感器性能指标 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提高性能指标的方法1.采用线性化技术本讲稿第四十一页，共五十三页2.差动技术3.平均技术4.
17、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.稳定性处理本讲稿第四十二页，共五十三页1.3 传感器的材料与制造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）非晶体硅本讲稿第四十三页，共五十三页（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 本讲稿第四十四页，共五十三
18、页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。本讲稿第四十五页，共五十三页1.3.2 传感器制造技术传感器制造技术 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
19、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。本讲稿第四十六页，共五十三页1.4 传感器的物理基础与选用传感器的物理基础与选用1.4.1 传感器的物理基础传感器的物理基础 1.物理定律物理定律 2.物理效应物理效应 1）守恒定律）守恒定律 1）热电效应）热电效应 2）场的定律）场的定律 2）光电磁效应）光电磁效应 3）物质定律）物质定律 3）磁效应）磁效应 4）统计法则）统计法则 4）压电效应）压电效应 5）多普勒效应）多普勒效应 6）物理现象）物理现象 本讲稿第四十七页，共五十三页 1.4.2 传感器的选用传感器的选用1.灵敏度灵敏度 一般来说
20、，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，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。几个问题。(1)要求传感器的信噪比要求传感器的信噪比(SN)愈大愈好。愈大愈好。(2)过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。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或三维
21、的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。愈好。本讲稿第四十八页，共五十三页2.准确度和精密度准确度和精密度 在选用传感器时，要着重考虑精密度在选用传感器时，要着重考虑精密度重复性。重复性。因为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，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。外电路无能为力。3.动态范围和线性动态范围和线性 动态范围是由传感器本身决定的。若配用一般测量电路，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
22、非线性很严重，也可用计算机等对其进行线重点考虑。即便非线性很严重，也可用计算机等对其进行线性化处理。性化处理。本讲稿第四十九页，共五十三页5.稳定性稳定性 在选择传感器时，一般应注意两个问题。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。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
23、。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，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。但这类传感器的价格相应就会偏高一些。本讲稿第五十页，共五十三页6.测量方式测量方式7.其他方面其他方面 互换性。互换性。传感器的输出信号形式。输出信号要和变送器传感器的输出信号形式。输出信号要和变送器(测量测量电路电路)相适应。若用微电脑测量，最好选用脉冲输出型，相适应。若用微电脑测量，最好选用脉冲输出型，这样可省去这样可省去A/D转换器；若现场距仪表室较远，最好选用转换器；若现场距仪表
24、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。可以长距离传输而抗干扰能力强的电流输出型。输出电流输出电流国际上规定为国际上规定为420mA，信号为，信号为0时对应时对应4mA，满输出时对应，满输出时对应20 mA；国内有用；国内有用010 mA的。的。本讲稿第五十一页，共五十三页1.5 传感器的标定与校准传感器的标定与校准 利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度，称为标定；对传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。标定和校准的基本方法是：利用标准仪器产生已知的非电量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。本讲稿第五十二页，共五十三页静态标定静态标定 指输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如灵敏度、非线性、滞后、重复性等指标的检定。动态标定动态标定 对被标定传感器输入标准激励信号，测得输出数据，做出输出值与时间的关系曲线。由输出曲线与输入标准激励信号比较可以标定传感器的动态响应时间常数、幅频特性、相频特性等。本讲稿第五十三页，共五十三页