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1、传感技术概论深传感技术概论深第1页，本讲稿共60页2023/2/161传感器讲义（中国地质大学）课程简介课程简介(1)(1)l通过对常用传感器的基本原理、基本特性通过对常用传感器的基本原理、基本特性等内容的系统介绍掌握传感器的基本理论、等内容的系统介绍掌握传感器的基本理论、工作原理、输入输出特性、误差分析与补工作原理、输入输出特性、误差分析与补偿方法、传感器信号变送等知识能合理地偿方法、传感器信号变送等知识能合理地选择和使用传感器，并进一步掌握传感器选择和使用传感器，并进一步掌握传感器的实验研究方法；的实验研究方法；第2页，本讲稿共60页2023/2/162传感器讲义（中国地质大学）课程简介课
2、程简介(2)(2)l同时还介绍国内外各种新型传感器及其同时还介绍国内外各种新型传感器及其应用应用，从而能够了解国内外传感技术，从而能够了解国内外传感技术最新研究概况与发展动向。最新研究概况与发展动向。第3页，本讲稿共60页2023/2/163传感器讲义（中国地质大学）章节章节内容内容学时分配学时分配备注备注总学时总学时 讲课讲课 实验实验 自学自学1绪论绪论442电阻式传感器电阻式传感器6423电容式传感器电容式传感器6424电感式传感器电感式传感器6425压电式传感器压电式传感器446霍尔式传感器霍尔式传感器447热电式传感器热电式传感器辐射式传感器辐射式传感器44894444104411传
3、感器测控电路传感器测控电路传感器测控电路传感器测控电路44传感器测控电路传感器测控电路第4页，本讲稿共60页2023/2/164传感器讲义（中国地质大学）第一章第一章 概概 述述1.1 1.1 传感器的地位和作用传感器的地位和作用1.2 1.2 传感器的定义与组成、分类传感器的定义与组成、分类 1.31.3传感器的技术特点传感器的技术特点1.4 1.4 传感器的发展动向、趋势传感器的发展动向、趋势 1.5 1.5 传感器的一般特性传感器的一般特性 第5页，本讲稿共60页2023/2/165传感器讲义（中国地质大学）1.11.1传感器的地位和作用传感器的地位和作用在当今信息化时代发展过程中各种在
4、当今信息化时代发展过程中各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件功能器件传感器传感器，已经成为各个应用，已经成为各个应用领域领域 一、特别是自动检测、自动控制系统中一、特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要技术工具。不可缺少的重要技术工具。获取各种信息的传感器无疑获取各种信息的传感器无疑“掌握掌握”着这些系统的命脉着这些系统的命脉。第6页，本讲稿共60页2023/2/166传感器讲义（中国地质大学）l例如：例如：在在化工产品自动生产化工产品自动生产过程中过程中l首先，首先，进料时要自动对原料进料时要自动对原料称重称重、分析原料成分或、分析原料成
5、分或浓度浓度,使它们按比例混合；使它们按比例混合；l混合后，混合后，在反应容器中自动反应，又必须测定容器在反应容器中自动反应，又必须测定容器中的中的压力压力或或体积体积，如果是液体、还需要自动控制容器，如果是液体、还需要自动控制容器液液位高度位高度和和流量流量和和温度温度；然后半成品在生产线；然后半成品在生产线(管道管道)中传输，需要自动控制传输速度或流量，这里必须使用中传输，需要自动控制传输速度或流量，这里必须使用液动或气动设备产生推动力因而要检测压力或压强液动或气动设备产生推动力因而要检测压力或压强l最后，最后，成品自动分装还要称重。所有这些环节均成品自动分装还要称重。所有这些环节均需要使
6、用各种传感器对相应的非电量进行检测和需要使用各种传感器对相应的非电量进行检测和控制，使设备或系统自动、正常地运行在最佳状控制，使设备或系统自动、正常地运行在最佳状态，保证生产的高效率和高质量。态，保证生产的高效率和高质量。第7页，本讲稿共60页2023/2/167传感器讲义（中国地质大学）化工产品自动生产中的传感技术化工产品自动生产中的传感技术第8页，本讲稿共60页2023/2/168传感器讲义（中国地质大学）二、传感器技术是信息技术的源头和支柱二、传感器技术是信息技术的源头和支柱之一之一 传传感感器器是是信信息息采采集集系系统统的的首首要要部部件件，是是实实现现现现代代化化测测量量和和自自动
7、动控控制制(包包括括遥遥感感、遥遥测测、遥遥控控)的的主主要要环环节节，是是现现代代信信息息产产业业的的源源头头，又又是是信信息息社社会会赖赖以以存存在在和和发发展展的的物物质质与与技技术术基基础础。现现在在传传感感技技术术与与信信息息技技术术、计计算算机机技技术术并并列列成成为为支支撑撑整整个个现现代代信信息息产产业业的的三三大大支支柱柱、可可以以设设想想如如果果没没有有高高度度保保真真和和性性能能可可靠靠的的传传感感器器，没没有有先先进进的的传传感感器器技技术术，那那么么信信息息的的准准确确获获取取就就成成为为一一句句空空话话，信信息息技技术术和计算机技术就成了无源之水。和计算机技术就成了
8、无源之水。第9页，本讲稿共60页2023/2/169传感器讲义（中国地质大学）SCADASCADA（supervisorysupervisorycontrolcontrol andand datadata acquisitioacquisition n）系统中的传感技系统中的传感技系统中的传感技系统中的传感技术术术术第10页，本讲稿共60页2023/2/1610传感器讲义（中国地质大学）三、科学技术的发展与传感器技术密切相关三、科学技术的发展与传感器技术密切相关 传感器技术的重要性还体现在它已经广泛的传感器技术的重要性还体现在它已经广泛的应用于各个学科领域。例如工业生产自动化、农应用于各个学科
9、领域。例如工业生产自动化、农业现代化、军事武器工程、航天航空技术、机器业现代化、军事武器工程、航天航空技术、机器人技术、汽车技术、资源探测、海洋开发、环境人技术、汽车技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全和医疗系统、家用电器、电力水电等监测、安全和医疗系统、家用电器、电力水电等领域，都与传感器技术有密切的关系。而且传感领域，都与传感器技术有密切的关系。而且传感器技术的发展能为这些科学技术的发展提供有力器技术的发展能为这些科学技术的发展提供有力的技术支持和研究手段。可以说现代科技的发展的技术支持和研究手段。可以说现代科技的发展越来越离不开传感器技术。越来越离不开传感器技术。第11页，本讲稿共6
10、0页2023/2/1611传感器讲义（中国地质大学）1.2 1.2 传感器的定义与组成传感器的定义与组成 关关于于传传感感器器的的定定义义至至今今尚尚无无一一个个比比较较全全面面的的定定义义。不不过过，对对以以下下提提法法学学者者们们似似乎乎不不持持异异议议，传传感感器器(Transducer或或Sensor)有有时时亦亦被被称称为为换换能能器器、变变换换器器、变变送送器器或或探探测测器器、其其主主要要特特征征是是能能感感知知和和检检测测某某一一形形态态的的信信息息、并并将将其其转转换换成成另另一一形形态态的的信信息息。因因此此,传传感感器器是是指指那那些些对对被被测测对对象象的的某某一一确确
11、定定的的信信息息具具有有感感受受(或或响响应应)与与检检出出功功能能，并并使使之之按按照照一一定定规规律律转转换换成成与与之之对对应应的的有有用输出信号的元器件或装置用输出信号的元器件或装置(.)(.)。第12页，本讲稿共60页2023/2/1612传感器讲义（中国地质大学）此此外外，人人们们从从其其功功能能出出发发，形形象象地地将将传传感感器器定定义义为为，所所谓谓传传感感器器，是是指指那那些些能能够够取取代代甚甚至至超超出出人人的的“五五官官”。具具有有视视觉觉、听听觉觉、触触发发、嗅嗅觉觉和和味味觉觉等等功功能能的的元元器器件件或或装装置置。这这里里所所说说的的“超超出出”是是因因为为传
12、传感感器器不不仅仅可可应应用用于于人人无无法法忍忍受受的的高高温温、高高压压、辐辐射射等等恶恶劣劣环环境境还还可可以以检检测测出出人人类类“五五官官”不不能能感知的各种信息感知的各种信息().().第13页，本讲稿共60页2023/2/1613传感器讲义（中国地质大学）传感器的组成传感器的组成传传感感一一般般是是利利用用物物理理、化化学学和和生生物物等等学学科科的的某某些些效效应应或或机机理理按按照照一一定定的的工工艺艺和和结结构构研研制制出出来来的的。因因此此，传传感感器器的的组组成成的的细细节节有有较较大大差差异异但但是是，总总的的来来说说，传传感感器器应应由由敏敏感感元元件件、转转换换元
13、元件件和和其其他他辅助元件辅助元件组成组成，如下图所示如下图所示()第14页，本讲稿共60页2023/2/1614传感器讲义（中国地质大学）信信号号调调节节电电路路是是能能把把转转换换元元件件输输出出的的电电信信号号转转换换为为便便于于显显示示、记记录录、处处理理和和控控制制的的有有用用电电信信号号的的电电路路。主主要要包包括括信信号号放放大大、电电桥桥、振振荡荡器器、电电荷荷放放大大器器等等，他他们们分分别与相应的传感器相配合。别与相应的传感器相配合。辅助电路辅助电路通常主要是电源，即交、直流供电系统。通常主要是电源，即交、直流供电系统。仅仅就就目目前前而而言言，传传感感器器技技术术应应涉涉
14、及及传传感感器器的的机机理理、材料、制造工艺和应用等项综合技术。材料、制造工艺和应用等项综合技术。第15页，本讲稿共60页2023/2/1615传感器讲义（中国地质大学）第16页，本讲稿共60页2023/2/1616传感器讲义（中国地质大学）信信号号调调节节电电路路是是能能把把转转换换元元件件输输出出的的电电信信号号转转换换为为便便于于显显示示、记记录录、处处理理和和控控制制的的有有用用电电信信号号的的电电路路。主主要要包包括括信信号号放放大大、电电桥桥、振振荡荡器器、电电荷荷放放大大器器等等，他他们们分分别与相应的传感器相配合。别与相应的传感器相配合。辅助电路辅助电路通常主要是电源，即交、直
15、流供电系统。通常主要是电源，即交、直流供电系统。仅仅就就目目前前而而言言，传传感感器器技技术术应应涉涉及及传传感感器器的的机机理理、材料、制造工艺和应用等项综合技术。材料、制造工艺和应用等项综合技术。第17页，本讲稿共60页2023/2/1617传感器讲义（中国地质大学）传感器的分类传感器的分类 传传感感器器的的品品种种很很多多，原原理理各各异异，检检测测对对象象门门类类繁繁多多因因此此其其分分类类方方法法甚甚繁繁，至至今今尚尚无无统统一一规规定定。人人们们通通常常是是站站在在不不同同角角度度，突突出出某某一一方方面面来来分分类类的的。归纳起来有如下几种大家认可的分类法。归纳起来有如下几种大家
16、认可的分类法。一一按工作机理分类：按工作机理分类：这这种种分分类类方方法法是是以以其其工工作作原原理理划划分分，将将物物理理、化化学学和和生生物物等等学学科科的的原原理理、规规律律、效效应应作作为为分分类类的的依依据据。按按传传感感器器的的工工作作机机理理的的不不同同，可可分分为为结结构构型型、物物性型性型和和复合型复合型三大类。三大类。第18页，本讲稿共60页2023/2/1618传感器讲义（中国地质大学）l l结构型传感器结构型传感器 是是利利用用物物理理学学的的定定律律等等构构成成的的其其性性能能与与构构成成材材料料关关系系不不大大。这这是是一一类类其其结结构构的的几几何何尺尺寸寸(如如
17、厚厚度度、角角度度、位位置置等等)在在被被测测量量作作用用下下会会发发生生变变化化，并并可可获获得得比比例例于于被被测测非非电电量量的的电电信信号号的的敏敏感感元元器器件件或或装装置置。例例如如用用于于测测量量压压力力、位位移移、流流量量、温温度度、力力平平衡衡式式、电电容容式式、电电感感式式等等的的传传感感器器均均属属该该类类。这这类类传传感感器器开开发发得得最最早早，至至今今仍仍然然广广泛泛应应用用于于工工业业流流程程检检测测设设备备中。中。第19页，本讲稿共60页2023/2/1619传感器讲义（中国地质大学）l l物性型传感器物性型传感器 是是利利用用物物质质的的某某种种和和某某些些客
18、客观观属属性性构构成成的的，其其性性能能与与构构成成材材料料的的不不同同会会有有明明显显区区别别。这这是是一一类类由由其其构构成成材材料料的的物物理理特特性性、化化学学特特性性或或生生物物特特性性直直接接敏敏感感于于被被测测非非电电量量、并并可可将将被被测测非非电电量量转转换换成成电电信信号号的的敏敏感感元元器器件件或或装装置置。由由于于它它的的“敏感体敏感体”本来就是材料本身本来就是材料本身.().()第20页，本讲稿共60页2023/2/1620传感器讲义（中国地质大学）l l复复合合型型传传感感器器是是指指将将中中间间转转换换环环节节与与物物性性型型敏敏感感元元件件复复合合而而成成的的传
19、传感感器器。之之所所以以要要采采用用中中间间环环节节，是是因因为为在在大大量量被被测测非非电电量量中中，只只有有少少数数(如如应应变变、光光、磁磁、热热、水水分分和和某某些些气气体体)可可直直接接利利用用某某些些敏敏感感材材料料的的物物质质特特性性转转换换成成电电信信号号。所所以以，为为了了增增加加非非电电量量的的测测量量种种类类，就就必必须须将将不不能能直直接接转转换换成成电电信信号号的的非非电电量量变变换换成成上上述述少少数数量量中中的的一一种种，然然后后再再利利用用相相应应的的物物性性型型敏敏感感元元件件将将其其转转换换成成电电信号。信号。()()第21页，本讲稿共60页2023/2/1
20、621传感器讲义（中国地质大学）二、按被测量二、按被测量(按输入量按输入量)分类：分类：这种分类方法是按被测量的性质不同而划分。目前把这种分类方法是按被测量的性质不同而划分。目前把不同的被测量的传感器分为物理量传感器、化学量传感器不同的被测量的传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。各类传感器又分为若干族，每一和生物量传感器三大类。各类传感器又分为若干族，每一族又分为若干组。按此种方法分类的传感器体系见表族又分为若干组。按此种方法分类的传感器体系见表11 物理量物理量传感器传感器机械量机械量传感器传感器物理机械量传物理机械量传感器感器硬度硬度密度密度 等等粘度粘度几何量几何量
21、传感器传感器厚度厚度体积体积 等等角度角度第22页，本讲稿共60页2023/2/1622传感器讲义（中国地质大学）物理量物理量传感器传感器机械量机械量传感器传感器流量传感器流量传感器质量流量质量流量体积流量体积流量加速度加速度传感器传感器角加速度角加速度冲击加速度冲击加速度速度传感器速度传感器流速传感器流速传感器角速度传感角速度传感器器力传感器力传感器张力、应力、张力、应力、荷重、力矩荷重、力矩等等压力传感器压力传感器真空、静压、真空、静压、动压、差压、动压、差压、绝压等绝压等第23页，本讲稿共60页2023/2/1623传感器讲义（中国地质大学）物理量物理量传感器传感器热学传感器热学传感器热
22、导率传感器热导率传感器温度传感器温度传感器光学传感器光学传感器红外线、激光、光红外线、激光、光纤、图像传感器纤、图像传感器磁学传感器磁学传感器霍尔元件传感器霍尔元件传感器磁场强度传感器磁场强度传感器电学量传感器电学量传感器电流、电压传感器电流、电压传感器电场传感器电场传感器辐射传感器辐射传感器声波传感器声波传感器核辐射、射线传感核辐射、射线传感器器第24页，本讲稿共60页2023/2/1624传感器讲义（中国地质大学）化学、生物化学、生物传感器传感器气体传感器气体传感器气体浓度传感器气体浓度传感器气体压力传感器气体压力传感器离子传感器离子传感器离子浓度传感器离子浓度传感器离子活度传感器离子活度
23、传感器生理量传感器生理量传感器血压、血液成分、血压、血液成分、激素、心电传感器激素、心电传感器等等微生物传感器微生物传感器葡萄糖、青霉素、葡萄糖、青霉素、生化耗氧传感器等生化耗氧传感器等酶传感器、组织传感酶传感器、组织传感器、免疫传感器器、免疫传感器第25页，本讲稿共60页2023/2/1625传感器讲义（中国地质大学）三、按敏感材科分类三、按敏感材科分类这这种种分分类类方方法法是是根根据据制制造造传传感感器器的的材材料料分分类类。这这也也可可分分出出很很多多种种类类；如如半半导导体体传传感感器器、陶陶瓷瓷传传感感器器、光光导导纤纤维维传传感感器器、高高分分子子材材料料传传感感器器、金金属属传
24、传感感器器等等等等。这这种种分分类类方方法法是是第第一一类类分类方法的子集。分类方法的子集。四、按能量的关系分类：四、按能量的关系分类：根根据据能能量量关关系系分分类类，分分为为有有源源传传感感器器和和无无源源传传感感器器两两大大类类。前前者者一一般般是是将将非非电电能能量量转转换换为为电电能能量量.称称之之为为能能量量转转换换型型传传感感器器，也称为换能器。也称为换能器。()()无无源源传传感感器器又又称称为为能能量量控控制制型型传传感感器器。它它本本身身不不是是一一个个换换能能装装置置，被被测测非非电电量量仅仅对对传传感感器器中中的的能能量量起起控控制制或或调调节作用。节作用。()()第2
25、6页，本讲稿共60页2023/2/1626传感器讲义（中国地质大学）1.31.3传感器的技术传感器的技术特点特点传传感感器器技技术术包包括括传传感感器器的的研研究究、设设计计、试试制制、生生产产、检检测测与与应应用用。它它已已逐逐步步形形成成相相对对独独立立的的专专门门学科。与其他学科相比，它具有如下技术特点：学科。与其他学科相比，它具有如下技术特点：一、内容范围广且离散一、内容范围广且离散 传传感感器器可可涉涉及及到到的的内内容容广广而而离离散散的的特特点点主主要要体体现现在在传传感感器器技技术术可可利利用用的的物物理理学学、化化学学、生生物物学学、电电子子学学等等中中的的基基础础“效效应应
26、”、“反反应应”、“机机理理”不不仅仅为为数数甚多，而且它们往往甚多，而且它们往往彼彼此独立、甚至是完全不相关。此独立、甚至是完全不相关。第27页，本讲稿共60页2023/2/1627传感器讲义（中国地质大学）二、知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓二、知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓 由由于于传传感感器器技技术术是是以以材材料料的的电电、磁磁、光光、声声、热热、力力等等功功能能效效应应和和功功能能形形态态变变换换原原理理为为基基础础，并并综综合合了了物物理理学学、化化学学、生生物物工工程程、微微电电子子学学、材材科科科科学学、精精密密机机械械、微微细细加加工工、试试验验测测量量等等方方面面的
27、的知知识识和和技技术术而而形形成成的的一一门门科科学学。由由此此可可见见传传感感器器技技术术是是学学科科交交错错应应用用极极多多，知知识识密密集集极极高高。与与许许多多基基础础科科学学和和专专业业工工程程学学有有着着极极为为密密切切的关系的技术。的关系的技术。第28页，本讲稿共60页2023/2/1628传感器讲义（中国地质大学）三、技术复杂、工艺要求高三、技术复杂、工艺要求高传传感感器器的的制制造造涉涉及及了了许许多多高高新新技技术术，如如集集成成技技术术、薄薄膜膜技技术术、超超导导技技术术、微微细细或或纳纳米米加加工工技技术术、粘粘合合技技术术、高高密密封封技技术术、特特种种加加工工技技术
28、术以以及及多多功功能能化化、智智能能化化技技术术等等。因因此此传感器的制造工艺难度很大，要求很高。传感器的制造工艺难度很大，要求很高。四、功能优、性能好四、功能优、性能好传传感感器器功功能能优优良良主主要要体体现现在在其其功功能能的的扩扩展展性性好好、适适应应性性强强。具具体体地地说说传传感感器器不不但但具具有有具具备备人人类类“五五官官”所所具具有有的的视视、听听、触触、嗅嗅、味味觉觉功功能能，而而且且还还能能检检测测五五官官不不能能感感觉觉到到的的信信息息同同时时还还能能在在人人类类无无法法忍忍受受的的高高温温、高高压压等等恶恶劣劣环环境境下下工工作作。性性能能好好体体现现在在传传感感器器
29、的的量量程程宽宽、精精度度高高、可可靠靠性性好等方面。好等方面。第29页，本讲稿共60页2023/2/1629传感器讲义（中国地质大学）五、品种繁多、应用广泛五、品种繁多、应用广泛 由由于于现现代代信信息息系系统统中中待待测测的的信信息息(待待测测量量)很很多多，而而且且一一种种待待测测量量往往往往可可用用几几种种传传感感器器来来测测量量因因此此，传感器产品品种极为庞杂、繁多。传感器产品品种极为庞杂、繁多。传传感感器器的的应应用用范范围围很很广广，从从航航天天、航航空空、兵兵器器、船船舟舟、交交通通、冶冶金金、机机械械、电电子子、化化工工、轻轻工工、能能源源、环环保保、煤煤炭炭、石石油油、医医
30、疗疗卫卫生生、生生物物工工程程、宇宇宙宙开开发发等等领领域域至至农农、林林、牧牧、副副、渔渔业业甚甚至至人人们们日日常常生生活活的的各各个个方方方方面面面面，几几乎乎无无处处不不使使用用传感器，无处不需要传感器技术。传感器，无处不需要传感器技术。第30页，本讲稿共60页2023/2/1630传感器讲义（中国地质大学）当当前前，传传感感器器技技术术的的主主要要发发展展动动向向，一一是是开开展展基基础础研研究究，发发现现新新现现象象，开开发发传传感感器器的的新新材材料料和和新新工工艺艺；二二是是实实现现传传感器的集成化与智能化。感器的集成化与智能化。1发现新现象发现新现象:利利用用物物理理现现象象
31、、化化学学反反应应和和生生物物效效应应是是各各种种传传感感器器工工作作的的基基本本原原理理，所所以以发发现现新新现现象象与与新新效效应应是是发发展展传传感感技技术术的的重重要要的的工工作作，是是研研制制新新型型传传感感器器的的重重要要基基础，其意义极为深远。础，其意义极为深远。1.4 1.4 传感器的发展动向、趋势传感器的发展动向、趋势第31页，本讲稿共60页2023/2/1631传感器讲义（中国地质大学）2开发新材料开发新材料传传感感器器材材料料是是传传感感器器技技术术的的重重要要基基础础，由由于于材材料料科科学学的的进进步步，人人们们在在制制造造时时可可任任意意控控制制它它们们的的成成分分
32、，从从而而可可以以设设计计制制造造出出用用于于各各种种传传感感器器的的功功能能材料，材料，例例如如半半导导体体氧氧化化物物可可以以制制造造各各种种气气体体传传感感器器，而而陶陶瓷瓷传传感感器器工工作作温温度度远远高高于于半半导导体体，光光导导纤纤维维的的应应用用是是传传感感器器材材科科的的重重大大突突破破，用用它它研研制制的的传传感感器器与与传传统统的的相相比比有有突突出出的的特特点点。有有机机材材料料做做为为传传感感器器材材料的研究，也引起国内外学者极大兴趣。料的研究，也引起国内外学者极大兴趣。第32页，本讲稿共60页2023/2/1632传感器讲义（中国地质大学）3采用微细加工技术采用微细
33、加工技术 半导体技术中的加工方法如氧化、光刻、扩散、半导体技术中的加工方法如氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以及蒸镀、溅沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以及蒸镀、溅射薄膜工艺都可引进用于传感器制造，因而制造出射薄膜工艺都可引进用于传感器制造，因而制造出各式各样新型传感器。例如，利用半导体技术制造各式各样新型传感器。例如，利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精三维加工，在硅片上构成孔、沟、蚀技术进行高精三维加工
34、，在硅片上构成孔、沟、棱、锥、半球等各种形状，制作出全硅谐振式压力棱、锥、半球等各种形状，制作出全硅谐振式压力传感器。传感器。第33页，本讲稿共60页2023/2/1633传感器讲义（中国地质大学）4 4 研究多功能集成传感器研究多功能集成传感器日日本本丰丰田田研研究究所所开开发发出出同同时时检检测测Na+、K+和和H+等等多多离离子子传传感感器器。这这种种传传感感器器的的芯芯片片尺尺寸寸为为25mmo5mm，仅仅用用一一滴滴液液体体，如如一一淌淌血血液液即即可可同同时时快快速速检检测测出出其其中中Na+、K+和和H+的的浓浓度度，对对医医院院监床非常适用与方便。监床非常适用与方便。我我国国某
35、某传传感感器器研研究究所所研研制制的的硅硅压压阻阻式式复复合合传传感感器可以同时测量压力与温度。器可以同时测量压力与温度。第34页，本讲稿共60页2023/2/1634传感器讲义（中国地质大学）智智能能传传感感器器是是一一种种带带微微处处理理器器的的传传感感器器，它它兼兼有有检检测测、判判断断和和信信息息处处理理功功能能。其其典典型型产产品品如如美美国国图图尼尼尔尔公公司司的的ST一一3000型型 智智 能能 传传 感感 器器，其其 芯芯 片片 尺尺 寸寸 为为342mm3，采采用用半半导导体体工工艺艺，在在同同一一芯芯片片上上制制作作CPU、EPROM和和静静压压、压压差差、温度等三种敏感元
36、件。温度等三种敏感元件。5智能化传感器智能化传感器 第35页，本讲稿共60页2023/2/1635传感器讲义（中国地质大学）6新一代航天传感器研究新一代航天传感器研究 众所众所周周知，在航天器的各大系统中，传知，在航天器的各大系统中，传感器对各种信息参数的检测，保证了航天器感器对各种信息参数的检测，保证了航天器按预定程序正常工作，起着极为重要的作用。按预定程序正常工作，起着极为重要的作用。随着航天技术的发展，航天器上需要的传感随着航天技术的发展，航天器上需要的传感器越来越多，例如，航天飞机上安装器越来越多，例如，航天飞机上安装3500支支左右传感器，对其指标性能都有严格要求，左右传感器，对其指
37、标性能都有严格要求，如小型化、低功耗、高精度、高可靠性等都如小型化、低功耗、高精度、高可靠性等都有具体指标。为了满足这些要求，必须采用有具体指标。为了满足这些要求，必须采用新原理、新技术研制出新型的航天传感器新原理、新技术研制出新型的航天传感器。第36页，本讲稿共60页2023/2/1636传感器讲义（中国地质大学）7仿生传感器研究仿生传感器研究 值值得得注注意意的的一一个个发发展展动动向向是是仿仿生生传传感感器器的的研研究究，应应该该给给予予高高度度重重视视，特特别别是是在在机机器器人人技技术术向向智智能能化化高高级级机机器器人人发发展展的的今今天天。仿仿生生传传感感器器就就是是模模仿仿人人
38、的的感感觉觉器器官官的的传传感感器器，即即视视觉觉传传感感器器、听听觉觉传传感感器器、嗅嗅觉觉传传感感器器、味味觉觉传传感感器器、触触觉觉传传感感器器等等。目目前前只只有有视视觉觉与与触触觉觉传传感感器器解解决决的的比比较较好好，其其它它几几种种远远不不能能满满足足机机器器人人发发展展的的需需要要。也也可可以以说说，至至今今真真正正能能代代替替人人的的感感觉觉器器官官功功能能的的传传感感器器极少，需要加速研究，否则将会影响机器人技术的发展。极少，需要加速研究，否则将会影响机器人技术的发展。第37页，本讲稿共60页2023/2/1637传感器讲义（中国地质大学）1.5传感器的数学模型及一般特性传
39、感器的数学模型及一般特性 从系统角度来看一种从系统角度来看一种传感器就是一种系统传感器就是一种系统。根据。根据系统工程学理论，一个系统总可以用系统工程学理论，一个系统总可以用一一个数学方程式或个数学方程式或函数来描述。即函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性出和输入间的关系和特性，从而、用这种关系指导对传，从而、用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的感器的设计、制造、校正和使用。通常从传感器的静态输静态输入入-输出输出关系和关系和动态输入动态输入输出输出关系两方面建立数学模型，关系两方面建立数学模型，但是准确
40、地建立一个系统的数学模型是困难的。在工程上，但是准确地建立一个系统的数学模型是困难的。在工程上，总是采用一些近似方法建立起系统的初步模型，然后经总是采用一些近似方法建立起系统的初步模型，然后经过反复模拟试验确立系统的最终数学模型，这种方法同样过反复模拟试验确立系统的最终数学模型，这种方法同样适用传感器数学模型的建立。适用传感器数学模型的建立。第38页，本讲稿共60页2023/2/1638传感器讲义（中国地质大学）一、传感器的静态数学模型一、传感器的静态数学模型:静态模型是指在静态信号静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化的输入信号不随时间变化的量量)情况下，描述传感器输出与输入量间的一种
41、函数关情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：型一般可用多项式来表示：其中：其中：x输入量；输入量；y输出量；输出量；为零位输出；为零位输出；为传感器线性灵敏度，常用为传感器线性灵敏度，常用K或或S表示表示;为非线性项的待定系数。为非线性项的待定系数。（1-1）第39页，本讲稿共60页2023/2/1639传感器讲义（中国地质大学）传感器的静态模型有三种有用的传感器的静态模型有三种有用的特殊形式特殊形式特殊形式特殊形式：（1-2）（1-3）（1-4）式式(111)表示传感
42、器的输出和输入量呈严格的表示传感器的输出和输入量呈严格的线性关线性关系系，式，式(13)和和(14)均为非线性关系均为非线性关系。第40页，本讲稿共60页2023/2/1640传感器讲义（中国地质大学）一、一、传感器的一般特性传感器的一般特性1 1、静态特性与动态特性定义、静态特性与动态特性定义从输入信号不随时间变化或变化极其缓慢的角度考从输入信号不随时间变化或变化极其缓慢的角度考虑的传感器特性称为传感器静态特性。虑的传感器特性称为传感器静态特性。信号信号时间时间静态信号静态信号动态信号动态信号从输入信号随时间变化较大的角度考虑的传感器特性从输入信号随时间变化较大的角度考虑的传感器特性称为传感
43、器动态特性。称为传感器动态特性。0第41页，本讲稿共60页2023/2/1641传感器讲义（中国地质大学）2 2、传感器静态特性、传感器静态特性（1 1）传感器线性度）传感器线性度输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度称输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度称为线性度。一般用非线性误差表示可用下式表示为线性度。一般用非线性误差表示可用下式表示输出量Y输入量X0第42页，本讲稿共60页2023/2/1642传感器讲义（中国地质大学）输出量Y 曲线曲线a a存在零点误差，但并不存在非线性误差。这是传感器存在零点误差，但并不存在非线性误差。这是传感器经常遇到的问题，比如我们在以后章节
44、要学习的霍尔传感器就经常遇到的问题，比如我们在以后章节要学习的霍尔传感器就存在零点误差，我们可以在调理电路中把零点误差处理掉。存在零点误差，我们可以在调理电路中把零点误差处理掉。曲线曲线b b既既存在零点误差，又存在输入量与输出成反比，但并存在零点误差，又存在输入量与输出成反比，但并不存在非线性误差。这也是传感器经常遇到的问题之一，比如不存在非线性误差。这也是传感器经常遇到的问题之一，比如我们在以后章节要学习的超声波传感器是这样，我们可以在调我们在以后章节要学习的超声波传感器是这样，我们可以在调理电路中和数据处理中可以解决。理电路中和数据处理中可以解决。曲线a曲线b0X第43页，本讲稿共60页
45、2023/2/1643传感器讲义（中国地质大学）（2）传感器的灵敏度传感器的灵敏度 定义传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量与输入增量与输入增量 的比值的比值常用常用 来表示：来表示：对于对于线性传感器线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图（率，如图（a a）所示，即：）所示，即：YXM点0N点第44页，本讲稿共60页2023/2/1644传感器讲义（中国地质大学）非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图(b)(b)所示，所示，即用即用 表示传感器在其某一工作点的灵敏度。表示传感器在其某一工
46、作点的灵敏度。YXM点0第45页，本讲稿共60页2023/2/1645传感器讲义（中国地质大学）（3）传感器的重复性传感器的重复性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，重复性表示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所得特性曲线不一致性的程度(见图见图)。多次按。多次按相同输入条件测试相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，其重复性误差也越小。的输出特性曲线越重合，其重复性越好，其重复性误差也越小。YX满量程输出值满量程输出值 0第46页，本讲稿共60页2023/2/1646传感器讲义（中国地质大学）传感器为何会产生重复性误差？传感
47、器为何会产生重复性误差？传感器机械部分的磨损、间隙、松动传感器机械部分的磨损、间隙、松动敏感元件内摩擦、积尘敏感元件内摩擦、积尘辅助电路老化和漂移辅助电路老化和漂移不重复性误差一般属于随机误差性质不重复性误差一般属于随机误差性质,反映的是测量结反映的是测量结果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别，有时重复果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别，有时重复性很好但可能偏离真值。不重复性误差可以通过校准测得。性很好但可能偏离真值。不重复性误差可以通过校准测得。注意注意第47页，本讲稿共60页2023/2/1647传感器讲义（中国地质大学）（4 4）迟滞）迟滞迟滞特性能表明传感器在正向迟滞特性能表
48、明传感器在正向(输入量增大输入量增大)行程和反向行程和反向(输入量减小输入量减小)行程期间，输出输入特性曲线不重合的程度。行程期间，输出输入特性曲线不重合的程度。对于同一输入对于同一输入正向和反向行程的差值正向和反向行程的差值用用E E表示为表示为：YX这种现象称为这种现象称为“迟滞迟滞”，E E称为称为迟滞误差迟滞误差。0第48页，本讲稿共60页2023/2/1648传感器讲义（中国地质大学）在整个测量范围内产生的最大滞环误差用在整个测量范围内产生的最大滞环误差用表示，它与满量程输出值表示，它与满量程输出值 的比值称为的比值称为最大迟滞率最大迟滞率（5 5）最小检测量和分辨率）最小检测量和分
49、辨率 最小检测量是指传感器能确切反映被测的最低极限量。最最小检测量是指传感器能确切反映被测的最低极限量。最小检测量越小表示传感器检测微量的能力越高。小检测量越小表示传感器检测微量的能力越高。由于传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一般用相由于传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一般用相当于噪声电平的若干倍的被测量为最小检测量，用公式表示为：当于噪声电平的若干倍的被测量为最小检测量，用公式表示为：M 为最小检测量为最小检测量C C为系数（与传感器结构类型有关）为系数（与传感器结构类型有关）N N为噪声电平为噪声电平K K 传感器的灵敏度传感器的灵敏度第49页，本讲稿共60页2023/2/16
50、49传感器讲义（中国地质大学）举例举例某电容式气体压力传感器的噪声电平为某电容式气体压力传感器的噪声电平为0.2mV0.2mV，灵敏度，灵敏度K K为为0.5mV/Pa0.5mV/Pa，对于电容传感器一般取系数为，对于电容传感器一般取系数为2 2，则由公式可，则由公式可得其最小检测量：得其最小检测量：传感器的分辨率传感器的分辨率指在规定测量范围内所能检测输入量的指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量最小变化量也可以用该值相对满量程输入值的百分数也可以用该值相对满量程输入值的百分数 来表示。来表示。数字传感器的分辨率可用输出数字指示值最后一位所代表的输数字传感器的分辨率可用输出数字指示值最