1、传感器技术,课程内容 传感器的作用 传感器的发展 传感器模型 传感器选型及类型 新型传感器 传感器发展方向,一、 传感器的作用,1. 传感器在测控系统中的位置,2. 专家推理：蒸汽机工业革命；计算机信息革命；传感器自动化革命； 3. 专家预言： 谁掌握了传感器技术谁就能够支配新时代,二、传感器发展及其应用,1.抢先发展的国家:日本80年代开始重视美国90年代重视英国90/80中国（863）,飞机（34万）、钢厂（2万）；仪器仪表（3亿）、汽车（4400万）、炉窑控制（4000万）应用行业分布情况,3.传感器的应用,2.新型传感器：位移，超声波、电涡流、X射线、可见光CCD，激光干涉仪、红外热象
2、仪、Z元件、仿生传感器、IP传感器等等。,三、 传感器模型及其参数,1. 传感器定义,传感器位于测控系统的输入端，一般由敏感元件、转换元件和信号调理电路等部分组成,1) 结构图,3) 动态模型：,2) 静态模型：,2. 传感器模型,3.传感器的静态参数,（3）灵敏度（变化率）,（1）量程（满度值，承受最大输入信号的能力）,（4）交叉灵敏度（多个输入量同时引起一个输出量的变化率）,（2）零点（零位）,（5）分辨率（灵敏度阈，对输入最小变化量的有效辨别能力），数字化用A/D位数表示）,（7） 迟滞（正返程差/量程）,（6）重复性（同向行程差/量程）,（8）线性度（静态特性曲线对理论直线的接近程度）
3、,实际中，是对选定的最小二乘拟合直线（ y = b + kx）的接近程度。,用最小二乘法求传感器线性度 设有一组测量值（X1，Y1）、（X2，Y2）、（Xn，Yn）,设：拟合直线方程为：y = kx + b 两直线的偏差为：,使均方差最小，即：,令一阶偏导数为零：,解方程得两个未知量 b、k的表达式如下：,最后求出传感器的线性度表达式：,Y=b+kx,将b、k值代入直线方程Y=b+kx，并求出,（8）精度系统总误差/量程 =（非线性误差+迟滞误差+重复误差）/量程,（9）温度系数（温漂）1）零位温度系数：,2）灵敏度温度系数,（1）微分方程,（2）频率特性,（4）对数幅频特性曲线,4. 传感器
4、动态特性,（3）动态误差,1）类型与被测对象类型有关2）容量输入信号工作范围或量程3）驱动输出的负载能力（包括数字输出接口）4）线性度输入输出特性 5）精度最小分辨率 6）速度输出对输入信号的反映时间或频响7）可靠性单位时间的故障8）寿命期连续工作时间9）性价比是选型的重要约束条件之一,四、传感器的选型,五、传感器类别,1. 热敏传感器,六、新型传感器原理,热敏传感器是将热量变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量。,热电阻、热敏电阻、高分子热敏电阻：温度变化转换为电阻变化 热电偶、PN结式传感器：温度变化转换为电势,热电阻： Rt 被测温度T时热电阻的电阻值 R0 基准温度T0时的电阻
5、值 a 热电阻的电阻温度系数（1/） T、T0绝对温度，单位K,热敏电阻：一种半导体温度传感器 Rt 被测温度T时热电阻的电阻值 R0 基准温度T0时的电阻值 B 热敏电阻的特征常数 T、T0绝对温度，单位K,NTC型热敏电阻温度特性,NTC型热敏电阻伏安特性,2. 光敏传感器：光信号电信号,射线频谱,光电效应传感器 光电效应原理： 内光电效应：在光线作用下，物体导电性能发生改变，如光敏电阻 外光电效应：在光线作用下，能使电子逸出物体表面，光电管、光电倍增管 光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势，光电池,外光电效应：在光线作用下，能使电子逸出物体表面，光电管、光电倍增管,A
6、阳极，K阴极,（a）光电管结构图,光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引，形成光电流。,（b）光电倍增管结构图,在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。前一级倍增极反射的电子恰好轰击后一级倍增极，在每个倍增极间依次增大加速电压。,内光电效应：在光线作用下，物体导电性能发生改变，如光敏电阻,光导管结构：1电极，2半导体薄膜，3绝缘底座，4光敏电阻符,原理：当在两极间加上电压时，就会有电流流过。光敏电阻的主要应用有：照相机自动测光、室内光线控制、工业光控制、光控小夜灯、报警器、光控开关、光控电子
7、玩具以及光电开关等。,举例：光电式探纬检测器：应用于喷气织机上，判断纬线是否断线,光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势,光敏二极管,光敏三极管,光纤传感器光纤结构：石英玻璃，212m,功能型光纤传感器：把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行强度、相位、频率调制变化，再通过解调得到被测信号; 非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感受被测量，光纤仅作为传输介质 特点：不受电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆等 应用：温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声、PH值。,传输原理：光纤传输基于光的全内反射，纤芯折射率大于包层折射率；,应用：光纤漩涡流量传感器（测
8、速）,其中：d流体中物体的横向尺寸s斯特罗哈系数,根据流体力学原理，当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，在某些条件下 ，在非流线体的下游两侧产生有规则的漩涡，其漩涡的频率 f 近似与流体的流速 v 成正比，即：,将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。,光纤温度传感器 功能型光纤温度传感器：温度变化时，光纤的长度、径向、纤芯与包层的折射率等会发生变化，从而引起传输光强、相位发生变化。 非功能型光纤温度传感器：主要是利用其他敏感元件在温度变化时引起的传输光强、反射光强的变化。,利用光相位
9、变化的光纤温度传感器原理框图,光纤微弯曲位移（压力）传感器 当活动板受到位移或压力干扰作用时，光纤会发生周期性微弯曲，使一部分光进入包层。位移或压力增大时，泄漏到包层的光强随之增大，同时纤芯的输出光强减小。通过测量泄漏到包层的散射光强度或纤芯输出光强度就能够测出位移或压力信号。,光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图,光纤线性位移传感器 利用光纤传输光信号的功能，根据探测到的反射光强度来测量被测物与反射表面的距离。当光纤探头顶端紧贴被测物时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，因而光敏元件输出电信号为零；当被测物逐渐远离光纤探头时，发射光纤的光照亮被测物表面，并有一部分光被反射到接收光纤中。,光
10、纤线性位移传感器,红外传感器：红外辐射电能,1红外辐射：红光以外的光线，波长0.761000m。,2热探测器原理：利用红外辐射的热效应，探测器敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而引起有关物理参数变化，通过测试物理参数的变化，确定探测器所吸收的红外辐射。,应用：红外辐射测量计、红外目标搜索跟踪系统、红外热象仪、多光谱扫描仪、红外测距系统 特点：响应波段宽、范围大,红 外 传 感 系 统 组 成,滤光片采用允许在814m的红外辐射能通过的材料，步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线，透镜焦点落在红外光敏面上，被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，并将红外辐射变换为
11、电信号。,3.红外测温,4. 红外图像传感器由于红外光是人的肉眼看不到的，因此不能采用普通相机摄取红外图像。红外图像传感器可以利用红外热成像技术将红外辐射转换成可见光进行显示，还可以利用计算机系统对红外热图像进行分析处理，完成存储和打印输出。广泛用于工业、医疗诊断等领域。,（a）示出了某一场景的可见光图像，图像背景是山和烟雾，从中可以清晰地看出一部卡车。图（b）示出该场景的红外图像，红外图像能够穿透烟雾拍摄，从图中可以看出卡车和直升飞机的部分成像。,5. 被动式热释电红外探测器 在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛。人体都有恒定的体温，一般在37，所以会发出特定的
12、波长为10m左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。这种红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射后，温度发生变化，会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。,3.声敏传感器 机械振动电信号,超声波传感器原理：声波从一种介质传播到另一种介质时，在介质分解面上形成反射和折射。逆压电效应将电振动转换成机械振动产生超声波，可作为发射探头；正压电效应将超声波转换成电信号，可作为接收探头。,种类：压电式、磁致伸缩式、电磁式；物位、流速、流量等 应用：超声探测、超声清洗、超声焊接、超声检测
13、、超声医疗等 特点：精度高，流速测量精度达百万分之几，被测流体不受影响 举例：,超声波无损探伤,穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化状况来判断工件内部质量的方法。当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量将变小，根据这个变化可以把工件内部的缺陷检测出来。,SAW（表面波）传感器英国物理学家瑞利（Rayleigh）于19世纪末期在研究地震波的过程中发现的一种集中在地表面传播的声波。后来发现，任何固体表面都存在这种现象。20世纪80年代后，人们发现某些外界因素（如温度、压力、加速度、磁场、电压等）对SAW的传播参数会造成影响，进而研究这些影响与外界因素之间的关系，并根据这些关系研制出测量各
14、种物理、化学参数的SAW传感器。工作原理：SAW传感器是以SAW技术、电路技术、薄膜技术相结合设计的器件，由SAW换能器、电子放大器和SAW基片及其敏感区构成，采用瑞利波进行工作。,基于SAW器件在基底压电材料受到外界作用力时，谐振器的结构尺寸、压电材料的密度、弹性系数等发生变化，从而导致SAW的波长、频率和传播速度等发生变化。通过测量SAW传感器的频率变化可以得知压力的大小。,SAW压力传感器示意图,延迟线型SAW气体传感器,SAW气体传感器是在SAW传播路径上和IDT（换能器）区域淀积一层化学界面膜，当界面膜吸附被测气体后，引起SAW传播速度变化，可以通过测量SAW频率的变化测量气体浓度。
15、,4.气敏传感器,随着国民经济的快速发展，及时、准确的对易燃、易爆、有毒、有害气体进行检测、预报和自动控制已成为煤炭、石油、化工、电力等部门亟待解决的重要课题。 气敏传感器的分类与特性 利用半导体气体器件检测的电气法；利用电解质和电极对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性检测的光学法。从构成气体传感器的材料上通常将它们分为干式和湿式两大类，凡利用固体敏感材料检测气体的均为干式气体传感器，利用水溶液或电解液感知气体的均为湿式气体传感器。 气敏传感器的主要参数与特性 灵敏度，响应时间，选择性，稳定性，温度特性，湿度特性，抗腐蚀性,可燃性气体传感器,接触燃烧式气敏传感器结构图和
16、测量电路,可燃性气体（H2、CO、CH4和LPG等）与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热，使铂丝温度升高。通过测量铂丝的电阻变化，就可以检测空气中可燃性气体的浓度。实际应用中，为了延长铂丝寿命，提高响应特性，需要在铂丝圈外面涂一层氧化物触媒。,氧气传感器,ZrO2浓差电池型氧敏传感器的结构、浓差电池模型,当氧化锆两侧的氧气浓度不同时，高浓度一侧的氧通过晶体中的氧空位以离子形式向低浓度一侧迁移，形成氧离子导电，结果使高浓度一侧的铂电极失去电子显正电，低浓度一侧的铂电极得到电子显负电，在两铂电极之间就产生氧浓差电势。利用浓差电池型氧传感器可以检测汽车发动机空燃比状态，或用于缺氧报警、环境氧浓
17、度测定等。,5.生物类传感器,生物敏传感器是分子生物学与微电子学、电化学、光学等结合的产物。它采用固定化的细胞、酶、抗体、抗原、激素等生物活性物质与换能器相配合组成传感器。 组成 生物敏传感器由分子识别元件（敏感基元）和与之结合的信号转换器件（换能器）两部分组成。敏感基元的主要功能是特异的识别各种被测物并与之反应。换能器是指能捕捉敏感基元与目标物之间的作用过程，并将其表达为物理信号的元件。,生物传感器的组成,生物敏传感器的工作方式,将化学变化转变为电信号 将热变化转变为电信号 将光效应转变为电信号 直接产生电信号方式,分类 按所用分子识别元件的不同分为酶传感器、微生物敏传感器、组织传感器、细胞
18、传感器、免疫传感器等； 按信号转换元件不同分为电化学生物敏传感器、半导体生物敏传感器、测热型生物敏传感器、测光型生物敏传感器、测声型生物敏传感器等； 按对输出信号的不同测量方式分为电位型生物敏传感器、电流型生物敏传感器和伏安型生物敏传感器。,在传感器工作时，栅电压通过参比电极加上去。对应于溶液中的H+浓度变化，离子敏感膜的界面电位发生变化。根据ISFET的特性，当其漏极电流、漏源电压恒定时，栅极电压的变化量正比于溶液中pH值的变化量，pH变化量与葡萄糖含量有关 。,葡萄糖FET结构和工作原理示意图,免疫FET的测量电路,抗体或抗原固定于膜上形成具有识别免疫反应的分子功能膜。抗体是蛋白质，属两性
19、电解质（正负电荷随pH变化），所以抗体的固定膜具有表面电荷，其电位随电荷变化而变化，可根据抗体膜的电位变化测定抗原的结合量。,DNA生物传感器,DNA生物敏传感器由固定已知的核苷酸序列的单链DNA(ssDNA)的电极和换能器两部分组成。固定在传感器电极上的ssDNA与待测样品的目标DNA杂交，形成双链DNA(dsDNA) ，杂交反应在传感器电极上直接完成，换能器将杂交过程所产生的变化转换成电、光、声等物理信号。 基本类型：电化学DNA生物敏传感器、压电石英晶体DNA生物敏传感器、光学DNA生物敏传感器 应用：基因诊断 传统方法中，细菌感染是通过血液体外培养来诊断的，往往需要几天甚至几十天时间，
20、使用抗原蛋白来间接诊断，由于在病毒感染与可检测到的抗原蛋白质量浓度之间有一定的时间差，滞后性严重，使用DNA传感器，可以在1020min内，在ng/ml水平上直接检测到病原微生物的存在。另外对癌症和HIV-1都可以进行成功诊断和治疗。,6.智能类传感器,智能传感器的结构和功能,1）自补偿功能,2）自校准功能,3）自诊断功能,4）数据处理功能,5）双向通信功能,6）信息存储和记忆功能,8）除了检测物理量、化学量的变化，智能传感器还具有信号调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据处理和数据显示等能力。,7）数字量输出功能：输出数字信号，可方便的同计算机或接口总线相连。,智能传感器的硬件结构,智能传
21、感器的软件设计,1）数字滤波,2）非线性校正,3）温度补偿,4）自动校正,5）自动诊断,多功能智能传感器,人工皮肤结构图,压感导电橡胶触觉传感器结构图,传感器表面是柔软的带有小齿的橡胶包封表皮，柔性隔热层的上层完成热觉测试，下层完成完成触觉测试。PVDF:聚偏二氟乙烯压电薄膜,印刷电路板上刻蚀1mm宽的三个电极，电极上覆盖加热线圈，维持30恒温。电极间电阻分别为R1、R2，当传感器接触物体后，被接触物体的温度和压力信息同时作用于导电橡胶，改变橡胶的导电率，从而引起电极间电阻的变化，通过对电阻值的测量和处理，可以检测物体的硬度和热传导性。,1)集成型：在同一芯片上将众多同类型的单个传感器集成为一
22、维线型、二维阵列型传感器、由“点线面体”多维图像化； 2)多功能：具有转换、放大、调节、补偿、通信和抗干扰等功能； 3)数字化：取代420mA、010mA，数字量输出（ TTL），直接通过微机械加工使其固有谐振频率成为某种物理量的单值函数化，如Z元件； 4)标准化：统一总线协议、统一标准通讯接口； 5)智能化: 具有记忆、存储、解析、诊断、校正、学习； 6)微型化：微米、纳米级尺寸，如血流传感器、飞船微加速度计（几克）,七、主要研究方向,7) 仿生传感器: 蝙蝠和海豚的听觉；（主动型生物雷达-超声波传感器）蛇的接近感觉； （红外测温传感器分辨力达0.0010C）鸟的视觉传感器 ；（鸟的视力是人
23、的850倍，CCD，预警，遥感等）狗的嗅觉传感器。8) 高灵敏阈：检测极微弱信号，采用量子力学效应原理9) 网络化：IP传感器，最新的思想，对自动化将起到象Interenet对信息技术的作用,补充,Z元件 IP传感器 仿生传感器,Z-元件 频率输出传感器（数字类传感器）,Z-元件发明于80年代，而公开见报却在90年代，专利费高达10亿美元。Z-元件与传统的传感器相比，它是无需前置放大器和A/D周转换器，便可直接输出大幅值数字信号的一种新型传感器，它为非接触式测量，体积小，功耗低，抗噪强，并可制成测温、测湿、测压力、光强、甚至测、射线等各种物理量的Z-元件系列，堪称当今世界上独一无二的高品质传感
24、器。直接经济效益是节省了前置放大器和A/D转换器的费用。 Z-元件从结构上看是一种特殊的PN结，图1将P端接直流电压正极，N端接负极，测出的直流伏安特性如图2所示。有两种工作模式，S.O.模式和F.O.模式。,1 S.O.模式：自激振荡模式，工作在图2的1区，输出超低频方波自激振荡，对温度特敏感，0.02mV/摄氏度，通常的测温传感器仅达uV/摄氏度。极具潜力的温度传感器。 F.O.模式：受迫振荡模式，调高电压E，经2区，工作在图2的3区，输出恒幅数字振荡波形，幅值为数字直流电压的20%40%，这种模式可做成测磁、测温、测气压、测湿、测压力、光强、测、射线的传感器。 Z-元件的应用 M代表永恒
25、磁（对磁场强度敏感的Z-元件）,IP传感器 是在传统传感器的基础上嵌入了TCP/ IP 协议，采用以太网标准接口，实现了现场设备和因特网直接通讯。工作原理：通过将被测参量转换为电信号，并经过电信号调理和A/ D采集转换为数字信号，再经过微处理器的数据处理(包括零位漂移、温度漂移的补偿、滤波及校准后)，由TCP/ IP 协议实现数据包的封装，最后通过以太网接口模块完成与网络数据交换。,IP 传感器系统框图,应用： 使传感器具有网络通信功能，成为网络中的一个节点而直接与计算机网络进行数据通信，实现在网络上任何节点对IP 传感器的远程数据访问，信息实时发布与共享，以及对IP传感器的在线编程；借助因特
26、网的低成本接入技术，构建具有更高性价比的测控自动化系统，在过程自动化领域具有广阔的应用前景。,仿生传感器仿生传感器是通过研究和利用生命有机体的分子和结构来设计和改进传感器和工艺，使传感器具有某些生物的独特性能。应用领域：具有仿生功能的人工眼、人工耳、人工鼻、人工舌以及人工皮肤，用于人体感受器官损伤的修复和替代；用于现场对食品和环境质量进行快速检测和鉴别的电子鼻和电子舌。在化学和生物战中，仿生传感器能对其所怀疑的病菌实行快速监控，使人们尽早检出病菌。在未来的小型、微型甚至纳米机器人中，如模拟蜜蜂、蝴蝶甚至蟑螂的小型机器昆虫将配备众多的仿生传感器。向大自然学习，向人体自身学习是仿生学永恒的主题，也是仿生传感技术的发展方向。,狗的嗅觉传感器,国际科学应用公司（SAIC）研发一种类似于犬科动物嗅觉的新型传感器。嗅觉式传感器的研发工作是DARPA（美国国防高级研究计划局 ）“鼻子式”探测项目的一部分。狗的嗅觉灵敏度是人的106倍 ，DARPA开展的“鼻子式”探测项目，旨在开发一种类似于狗鼻子的高灵敏度侦查探测系统。SAIC将对包括气味引入口，气味接受器，信号转换，用于气味鉴定的模式识别等相关子系统在内的传感器，进行建模与研发。该传感器将用于战区爆炸物与成化武器的探测。由于全面地仿照了犬类嗅觉系统，新型传感器将可对数千种化学物质进行高精度、高灵敏度地探测与鉴定。,作业：P153 T3,
