1、第2章 传感器概述,2.1 组成部分和分类2.2 基本特性,传感器原理及应用,一、传感器的组成 定义: 能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件、装置. 由敏感元件和传感元件组成.,传感器原理及应用,(1)敏感元件是直接感受被测非电量，按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量(仍为非电量)的元件。例如膜片和波纹管把被测压力转变成位移量等。,(2)传感元件又称变换器，是能将敏感元件输出的非电量直接转换成所需的信号的元件.例如 应变式压力传感器中的弹性膜片就是敏感元件，而电阻应变片就是传感元件。,传感器原理及应用,敏感元件与传感元件也可两者合二为一，称为一次传感元件.它能直接输出电学
2、量，如压电晶体、热电偶、热敏电阻、光学器件，直接感受被测量而输出与之成确定关系的电量。 新型的集成电路传感器将敏感元件、传感元件以及信号处理电路集成为一个器件。,传感器的结构类型,传感器原理及应用,(1)按被测量分类,可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等。这种分类有利于选择和应用传感器。,传感器原理及应用,二、传感器分类,(2)按照工作原理分类,可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。这种分类有利于对传感器的工作原理的了解。,传感器原理及应用,传感器原理及应用,2.2传感器的基
3、本特性,描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。,信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。被测量的值处于稳定状态时输出与输入的关系，不随时间变化或者变化很缓慢， 信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；输入量随时间变化是的特性,传感器原理及应用,2.2传感器的基本特性,传感器原理及应用,2.2.1 传感器静态特性,当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信 号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特 性，输入输出关系称静态特性。 静态特性可以用函数式
4、表示为,静态特性包括： 灵敏度、线性度、迟滞、重复性、稳定性、漂移性,传感器原理及应用,（1）灵敏度,2.1 传感器静态特性,在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S = Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量： S = dy/dx,传感器原理及应用,（2）线性度,传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：,2.2.1 传感器静态特性,其中： X 输入量， Y 输出量； a0 x=0时的输出值 a1 理想灵敏度 a2, a3.an 非线性项系数,传感器原理及应用,2.2.1 传感器静态特性,传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差 表示：, 最大非线
5、性绝对误差 满量程输出 线性度,Y,X,Yi,Xi,Lmax,Y=kx+b,传感器原理及应用,2.2.1 传感器静态特性,各种直线拟合方法,传感器原理及应用,（3）迟滞,传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不 重合的现象称迟滞。,2.2.1 传感器静态特性,传感器原理及应用,（3）迟滞,迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：,2.2.1 传感器静态特性,例：一电子秤 增加砝码 10g 50g 100g 200g 电桥输出 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 减砝码输出 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv,为正、反 行程输出值间的最大差值,传感器原理及应用,（4）重复
6、性,2.2.1 传感器静态特性,传感器输入量按同一方向作多次测量时， 输出特性不一致的程度。 属于随机误差可用标准偏差表示：,或用最大重复偏差表示：,max 最大标准差； （23） 置信度；,传感器原理及应用,（4）重复性,2.2.1 传感器静态特性,传感器原理及应用,（5）稳定性,2.2.1 传感器静态特性,表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力 例：,闪烁探测器8小时长期稳定性测量散点图,传感器原理及应用,（6）漂移,2.2.1 传感器静态特性,漂移 传感器输入量不变的情况下，输出量随时间变化； 原因 自身结构参数和周围环境 ； 如温度漂移,制作技术,主要是微系统技术(或称微机械加工技
7、术)。 集微机械、微电子、微光学和数据处理软件等为一体的一门综合技术。,传感器原理及应用,1系统的主要工艺(1)半导体工艺。(2)硅微机械加工技术。(3)集成光学技术。(4)厚膜薄膜技术。(5)毫微技术。(6)X射线深层光刻电铸成型技术。(7)激光加工技术。,2、纳米技术(毫微技术),纳米(即毫微米)是1m的十亿分之一，相当于氢原子直径的10倍。 纳米技术(毫微技术):一种能控制分子及结构的技术。 纳米材料的最小直径20nm，含有大约100个原子，内部排列很整齐象典型晶体。利用纳米技术可以制造性能优异的传感器材料，发现制造传感器的新效应，使传感器结构微型化。,传感器原理及应用,设计方法,一、建
8、模 模型在原理分析、结构设计、样机研制中起着重要的作用。 建模时，可分以下三个过程： (1)由实际问题的本质特征建立传感器的机理模型。它既依赖于设计者对传感器工作机理的理解，依赖于设计者已有的实际工作经验。,传感器原理及应用,(2)由机理模型建立传感器的数学模型。根据传感器的基本工作原理，针对传感器的敏感元件进行。考虑传感器的机理定量描述、结构参数、边界条件及其它约束条件等。(3)求解数学模型。,传感器原理及应用,二、应用到的各种定理、法则、效应,基本定律有以下四种类型。 守恒定律：能量、动量、电荷量等守恒定律。 场与波动的规律：动力场定律、电磁场的感应定律、光的干涉现象等。 物质定律：物理、化学、生物、物质所固有的特性等 统计法则：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则,传感器原理及应用,三、信号转换方式四、标定与校准,应用电路组成,一.电路组成 利用传感器进行检测与自动控制的传感器应用电路组成见框图,传感器原理及应用,应用电路由传感器、信号放大比较、系统技术处理及信号输出四大部分组成。 被测被控系统中的某种信号总是先经过传感器进行信号转换；传感器输出的信号微弱，需要进行信号放大比较。,传感器原理及应用,
