1、第三章 传感器技术,3-1 基础知识 一、定义：传感器是一种能把特定的被测信息（物理、化学、生物量）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 传感器技术 原理 器件设计 开发和应用的综合技术工程学：多学科（敏感材料学、微细加工、传感器技术）交叉渗透。,传感器结构及分类,1、构成 被测量 有用非电量 有用电量 结构特性： 有源自源型（热电偶、压电器件） 无源激励源 外加辅助能源。电、磁、光、核等。磁电、霍尔、红外测距等。 无源外源型 变换电路（俗称信号调理与转换）电桥、放大器、调制器等。,4类结构 补偿型 用于排除环境干扰（一只环境另一只被测量）应变压力、固态电阻 差动结构补偿型。与补偿型
2、完全相同；转换元件按照同一被测量，作反向转换，消除干扰因素 不同传感器补偿。热偶补偿、压电补偿片上的温度和加速度干扰补偿。 复合型。以上若干种复合。,分类, 按基本效应 （物、化、生） 按原理 （结构、物性） 按能量关系 （自源能量、外源能量） 按作用原理 （应变片、电容、压电、热电） 按输入量 （位移、压力、流量、温度、气体组分） 按输出量 （模拟、数字） 按功能材料 （半导体、陶瓷、光纤、高分子薄膜） 新型传感器 （生物传感器、集成传感器、智能传感器、机器人、仿生传感器等）,发展趋势,1、传感器需求广泛、普及高新（尖端技术）需求最胜、信息处理、各种检测、工业控制、环境污染、光能应用。 2、
3、开发新型传感器。新原理、高灵敏、生化类 3、集成化、多功能：利用固态功能介质（单晶硅、电解质、强磁体）；多参数、立体（三维、多维）、功能芯片：传感器+放大器+PC 4、智能化：含检测转换、记忆、存储、分析处理、自诊断、自校准、自适应 5、生物器官传感器（仿生传感器）：利用仿生学原理。如：狗嗅觉（灵敏度为人的106 倍），蛇的接近觉（感知0.001）。,传感器的数学模型（各种参数模型为主）,1、静态模型 代数方程：反映传感器的静态特性其中：xi 输入 y 输出量a0：零位输出a1：传感器灵敏度ak(2n) ：非线性系数 条件：静态条件下x 1）线性 2）二阶 n阶非线性3）特定 指数、对数型,2
4、、动态模型（反映传感器的动态特性） 微分方程 一般传感器 b00，b1m=0 传递函数（常用）可查产品手册,四、传感器的特性指标,1、静态指标 线性度 （非线性，用相对误差表示）：输出平均值与拟合直线间的最大偏差 ：（Full Scan）理论满量程输出值, 迟滞性 用正反量程输出的最大差值表示, 重复性 a：置信系数，取2：置反概率为95.4%；取3：置反概率位99.73% 计算： ）贝赛斯公式法 ）极差法极差系数；d2: 1.41;d10：3.18, 灵敏度 分辨率 x最小变化量 静态误差（精度指标） 阈值 即传感器的死区（非线性死区） 稳定性（标定有效期如一级温度计，半年；二级，一年） 漂
5、移,2、动态特性 传感器的频率响应特性 阶跃特性 速度特性 加速度特性 固介频率 阻尼系数、频率范围、时间常数、临界频率等。,五、传感器的标定和校准,1、标定：利用基准或标准器具对传感器进行标度（按标定有效期）校准：在使用和存储后进行性能复测 2、标定系统：被测量标准发生器（活塞式压力冲、测力器、恒流源、标准砝码）标准测试系统（设备器件）信号调压器及显示记录系统标定权限,3、力值传递系统为例允许误差（标定） 单位部门0.001% 国家基准测力机 基准器（中国计量科学研究院）0.01% 一等标准测力机 一等标准器（国防科委、部省一级计量站）0.1% 二等标准测力机 二等标准器（ 市、企业计量站）
6、0.30.5% 三等标准测力机 三等标准器1% 工程测试 测试用力传感器4、静态动态标定（国家标准、国际标准 84年）,3-2 常用传感器（不涉及分析与综合）,（R C L） （I V Q） 外源 激励 自源或激励源 一、电阻式传感器（电阻应变式、热电阻、压阻、光阻） 1、热电阻 （金属热电阻、半导体热电阻、半导体PN结） 测量温度变化的转换元件，用于温度检测补偿传感器等、广泛应用, 金属热电阻 a) 铂电阻 Pt100 、Pt1000、pt10 稳定、高精度、价格贵、近似线性、可作为1级2级标准 -190660 R0（1+At+Bt2 +C（t-100）t3 ） Rt= (-1900) Ro
7、(1+At+Bt2 (0660) 温度系数：A=3.96847*10-3 1/ B=-5.847*10-7 1/ 2C=-4.22*10-12 1/ 4,b）铜电阻 线性 -50150 Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3） C) 铟电阻 （低温热电阻）: -269-258 灵敏度高，重现性差 锰电阻: -271-210 灵敏度高, 热敏电阻 （半导体热电阻）灵敏度 ，A大，体积小（响应快） a)、NTC 负温度系数 A为负-100300 b)、PTC 高温度系数 A为正 c)、CTR 临界温度系数 d)、封装及用途 家用电器，医疗卫生，辅助测量, PN结（激励源） -20+50AD590AD
8、592,2、电阻应变片 1）利用金属材料：应变电阻效应 金属材料的电阻a）F作用下： 轴向应变= （单位取） 电阻率 应变电阻：,b) 勃底特兹明C：材 加工常数Km:应变灵敏系数（基本为线性的）,2）应变片的结构与类型,a）组成及基本形状（体积较小）丝状 敏感栅 电阻100箔头 材料：各种金属、合金 基底 引线 盖层 粘结剂,b)分类（较多） 材料 康铜（Cu55 Ni45）敏感栅结构：单轴、多轴、应变片镍铬（Ni80 Cr20）基底材料：纸质、胶基、金属基卡码合金 制栅工艺铂铂银合金（Pt0、Ir20）使用温度 低（-30 以下）、常（-30 +60 ）中高（+350 以上）,3）应变片的
9、特性,a)静态特性（前介绍过） 蠕变和零漂 反映稳定性指标，应变极限 b）动态特性：应变片的感受（应变随时间变化时的响应） 对正弦应变波的响应 对脉冲（阶跃）应变波的响应 疲劳寿命（N）N：105107,c）温度效应原因：敏感栅材料的影响 K：应变片的灵敏系数（取Km):试件与敏感栅的材料的线膨胀系数热补偿,4）应变计式传感器（应变仪）,a、,b、应变电桥（惠斯登电桥）按激励：直流、交流 按输入模式：单臂 单模双臂 共模双臂 差模 等共10种,5）电阻应变传感器的应用,a）测力传感器：称重、地中衡柱（筒）式、柱环式（载力大） 、悬梁式（小载、高灵） 、轮帽式（线性、高灵敏、结构复杂） b）压力
10、传感器 流体压力 单一式：应片直接粘于受压弹性膜片或筒上 组合式：受压弹性元件和应变弹性元件组合而成 c）位移式传感器 被测位移是转度或弹性元件的应变加速度传感器 扭距传感器,二、电容传感器,结构简单、分辨率高、非接触测量、抗高温、辐射、振动等。 1）原理及结构a) 介电常数(相对）真空介电常数（绝对）,b) 变极距：差动式变极距c) 变面积 d）变介质,2）应用及存在问题,特点：分辨力极高，宽范围，动态特性好，过载力强。数字测量有应用前景（微信息化） 数字卡尺（测位移10m 0150mm）物位测量（腐蚀、辐射性） 存在问题：边缘效应、静电引力、寄生电容、温度影响,三、变磁阻式传感器,1、原理
11、与结构 a、L=W2/Rn L=W20eS/l Rc:线圈内阻（铜耗电阻） Re：铁心涡流损耗 Rh：磁滞损耗 S：磁通载面积 0真空磁导率 e磁场磁导率,b)结构变气隙式 变面积式 改变S，衔铁 水平移动螺管式差动式自感互感电涡流式压磁式,2、自感式磁动传感器（可用于精细测量，改善非线性）,a、,b)电桥电路输出端对称变压器电桥变压器次级作为平衡臂电桥电桥开路时全线性，应用广泛R：Z1、Z2的内阻激励电源：调频电路，用以产生100KHz交流电源,c）特点 感应电势大、不需要按放大电路，测量范围宽，精度较高 缺点：非线性（不开路时），温度影响，激励电源稳定性要求 3、应用 a) 位移尺寸测量
12、b) 压力 c) 力，力矩 d) 振动,四、能量转换型传感器：自源、激励源,将待测量 动量（位移、压力等） 传感器 感生电动势（微电流等） 1、自源型 1）磁电式： 结构 性能特点 应用 永久磁铁、运动线圈 可双向转换，功率大 测振 误差补偿（温度，非线性） 简单零位及性能稳定 速度 磁场稳定性 频带101KHz 力发生器（逆向）,2）压电式,结构 性能特点 应用 离子型晶体（石英、钛酸钡） 灵敏度高、分辨率高 振动（占80%） 压电常数、弹性常数、介电常数 线性好、寿命长 测力（主要） 机电耦合系数、绝缘电阻 体积小、刚度好 （冲击、振动 加速度、人血压计、微位移计） 居里点 近测、遥测 3
13、）热电式K型、U型 最广泛、工业使用 测温U型 需温度补偿及导线补偿 （管道流量 热电继电器、气体分析仪）,热电偶EAB（T0）实现方法 a) 直接法：利用热电阻或PN结产生与热电偶相同的热电势（电桥、恒流源） b) 间接法:测量T0， EAB（T0）=校正系数*T0 c) 冰点补偿（试验用）,2、激励源式（光电、红外、激光、微波）,1）光电式结构两种光通量生成方式 X1：待测引起的光源的光通变化 X2：待测引起的光源的调制光通变化,a、光源：按光波长分类（光谱传感器） 光谱仪 红外光源：（白炽灯+滤光片） 气体放电光源：（原子辐射光谱不同 线光谱和带光谱）碳弧、低（高）水银灯、纳弧、氙弧灯
14、发光二极管（发展快、前途好）低功耗、高亮度 新型光源（国家、省攻关）红外、可见光波段（4001000nm，红外8001800） 激光 CO2（：10.6m)光雷达Ar+ (0.516m)Na:YAG 固体,光源特性：辐射特性：相于性（白炽灯：非相于源；激光器：相干源）光谱特性：辐射中心的波长辐射光谱宽： 光电特性：激励的电与光辐射关系（双向均可）噪声电平：散粒噪声、光子性产生、平均观测、在一定时间间隔光源所发出N个光子，在连续时间内实际发射的光子数有 变化,b)光电传感器 外光：光电管，光电倍增管 内光：半导体器件，光敏电阻，光敏二极管（红外接收管），光电池,2）光电传感器特性,a、光照特性,
15、b.光谱特性（光谱响应）指相对灵敏度k与入射光波长之间的关系,c、响应时间（动态特性）对于调制型光电传感器;f上限响应时间-1 d、其他。峰值探测率（最初用于红外）暗光源描述 NEP温度特性伏安特性（输出）,3)新型传感器,a、SPD ：光位置传感器单维，二维，三维机械加工中定位运动分析机器人视觉系统交通监测,3)新型传感器,b、CCD:电荷耦合器（charge coupled ）CTD：电荷转移器（charge transfer ）二者为固态图像传感器在硅衬底上生成120mm的SiO2层 Al沉积形成MOS，电容式转移器件线性CCD图像传感器：两列结构一列为光敏主阵列一列为CCD,线性CCD
16、图像传感器：两列结构一列为光敏主阵列并行之间有转移栅一列为CCD特点：简单，高空间分辨率（宇宙 探测摄像等）面型CCD图像传感器：多阵列，扫描装置按感光区，信号存储，输出转移分有三大类i)行扫描发生器，图像模糊ii)存储区串行输出:简单，转移单元可富集（集成加工）分辨率1024x1024 20万 300万iii)感光+输出转移：图像最好 ，摄像头,三.微流控分析及微流空芯片传感器,1、微流仓分析系统（TAS，Micro told analysis systerm）90年代瑞士：Manz,Wiodmen在微机电加工技术基础上发展。特点： 芯片 lab-on-a-chip Loc微流芯片技术mic
17、rofludic chips 分析传感器分析实验室芯片上fc+c 高度学科交叉：微加工技术+生命科学+光学，材料学等+计算机系统 在微米道路上，研究，传导，吹附，微区反应 应用，分析领域,2、发展及趋势,1、瑞士：毛细管电脉 90年代初 2、94年，（美）橡树岭同学实验室，Ramsay在毛细管电脉上提高性能及应用 3、荷兰，Enchede,首届TAS大会（94年）（95年）加州大学，Berkeley分析，实现高速DNA测序首尔TAS企业，calipes,Tech公司（95.9）美（哈佛大学），Whilesides研究化 （ 96年） 聚合酶链反应（PCR）+电脉,2、发展及趋势,4、专利之战（
18、98年）99年 慈善（Agelent）与Caliper联合，微分fc2001 核酸蛋白质芯片（56中芯片）2002 DNA芯片市场（成功用于人类 基因组计划）2000，5 第四届TAS会议在荷举行2001，10 美（Monterey）举行2001 英国皇家化学会主编Lab-on-a-cjip创刊,2、发展及趋势,5、趋势 微阵列化 毛细管分离L-L萃取过滤，无膜扩散，多种分离手段单通道多感单行检测，达384道 检测手段多样化：单分子，单细胞 微流空分析的计算机模拟及理论发展 产业化进程 成果：北大，浙大，等,2、发展及趋势,6、加工技术 芯片材料：硅芯片，玻璃，石英，高聚物，复合材料 加工技术
19、：光刻（蚀刻），高聚合物（模塑，激光热蚀），软光刻。键合 微流体驱动与控制：微泵（热气动，压电，静电），微阀，进样系统,2、发展与趋势,7、微流控芯片传感器 荧光，激光（LIF Laser induced fluorescence） 吸收光 化学发光 电化学检测 质谱检测,Senaco AS100 声传感器 Senaco AS100 声传感器检测从设备（声传感器）和移动物料之间高频声波的变化。它检测和对固体流动到受阻的变化立刻作出反应，物料有没有或设备故障，如过滤器袋破裂，这就允许操作员提早采取预防措施和避免损失严重的事故,BB系列波纹管式,MicroSAM，西门子最新推出的在线过程气相色谱仪
20、，它为工业应用带来了一种崭新的外形设计 - 小巧。结合现代硅显微机械加工技术和信誉卓著的西门子 Maxum edition 型气相色谱仪的 EZCHrom软件，使 MicroSAM 真正做到了外形小巧而同时具备更强大的功能和更广泛的用途。 -橄榄球大小的 MicroSAM 可做到 CSA Division 1 和 ATEX 100 Zone1级防爆，非常耐用并可直接安装在采样点处。,半导体激光器 （LD）,调制光谱抗粉尘、水分影响,四、应用,模拟式（年代较长），物位测量 开关式：转速表，物体计量 数字式 CCD的应用：精密尺寸测量（三维CCD）热轧板宽测量工件，伤痕，表面污垢掌纹，指纹识别,五
21、、数字传感器,有别于A/D 计算机，其输出可直接为计算机（C）读取 特点：高精度（可相当于32位A/D）稳定性高动态性高易于多回路,五、 数字传感器,1.分类数字量输出（绝对式编码器，部分CCD，CTD） 脉冲量输出（增量式编码器，感应同步器，光栅，磁栅） 频率形式（石英晶体频率式，弹性振体频率式，RC频率式）,五、 数字传感器,2.编码器：高精度，高分辨率（绝对式）原理：增量式绝对式编码器(接触式)包括编码盘与旋转轴，沿径向固定若干敏感元件（电刷n个，电刷数为数字量的n位，每位可由角度分区得出复位改变状态）16进制分度为 360/16=22.510进制分度为360 / 10=36 由每个分度的 导电位置的设置不同还可直接输出格雷码，ASC码等,五、 数字传感器,2.编码器：高精度，高分辨率（绝对式） 用途及特点接触式年代较长，要求机械加工精度及接触电阻，用于旋转机械的角度测量。光电式发展较快，LBJ微型光电编码器，2048/转用于转速测量线位移。,
