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1、1,Chapter1 传感技术概述, 11 传感器的定义传感器是第1次产业革命以后发展起来的，是人体五官的延伸。传感器是人体五官(sensory)的工程模拟，传感器的英文为sensor东南大学，贾伯年何为传感器？,2,1、传感器的定义,三层含义：1)是一个测量装置；2)在规定的条件下能感受外界信息；3)按一定的规律转换成易于传输和处理的可用信号。,传感器也称为变换器(tranducer),定义：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。,3,传感器一般构成框图,4,2、传感技术 涉及传感器原理、传感器设计和传感器开发应用的综合技术。 传感技术以传感器为核心，与测量学、微电
2、子学、材料学、信息处理技术和计算机技术相互结合而形成的一门新的综合、密集型技术。本课程以传感器原理及其应用为主,5, 12 传感器的分类,Sensor是据某种规律或效应设计而成的测量装置，同一量有不同的测量方法（eg：T），而同一原理的sensor可测不同的量（ eg： R），因此，有各种不同的分类方法。主要有：,6,1、按输入量分,物理量：力、热、磁、光、声 化学量：浓度、化学反应速度、pH值 生物量：活度、抗体、抗原,7,2、按工作原理分：,（1）物理原理 电学式：R、L、C、电涡流、磁电式 磁学式：磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管 光电式：光敏管、亮度计、CCD 电势型：热电偶、光电管、
3、Hall sensor 电荷式：压电、热释电 半导体式：压阻、内光电、气敏、湿敏 谐振式：f(张力),8,（2）按电化学原理,chemical component/concentration electric signal 电位式 极普式 电解式,9,3）按生物原理,利用生物活性物质选择性的识别原理来测定生物物质的种类和含量 enzyme sensor(酶) microbial(微生物) cell sensor(细胞) bioelctrode sensor(生物电极) tissue sensor(组织） immunol sensor(免疫),10,AnalogDigital,3、其他方式,直接
4、转换型：热电偶、光电管间接转换型：应变片,物性型：压电 结构型：双金属片,Energy transform(source)：Energy control (no source)：,转换方式,工作方式,能量传递,输出信号,1st,11, 13 传感技术与新型敏感材料,用作sensor的敏感材料应具备的基本特性,敏感性,灵敏响应快检测范围宽精度高选择性好,可靠性,耐热耐腐蚀耐磨耐振动过载好,加工性,易成形尺寸稳定互换性好,经济性,成本低成品率高性价比高,12,半导体材料（semiconductor materials） electron energy level /structure 功能陶瓷材料
5、（ function ceramic materials ） E/M characteristics 有机功能材料（ organic function materials） E/M characteristics,用作sensor的敏感材料主要有：,13, 14 传感技术与自然规律,守恒定律场的定律物质定律统计法则,EnergyMomentumcharge,F=ma=d/dt,F= -kxU=IR,1st,14, 15 传感技术的发展方向,高精度高可靠性、长寿命 新功能材料、材料的新功能（材料是基础） semiconductor， ceramic ，organic function mater
6、ial，superconductor， et al微型化、集成化数字化智能化仿生,15, 16 传感器的一般性能指标,传感器的特性 静态特性 动态特性,问题1：被测信号通常有哪2种形式？,静态：强度不随时间变化或变化非常缓慢 动态：强度随时间变化,16,一、静态特性,被测量处于稳态时的outin关系 ya0 +a1x +a2X2 +a3X3 +是确定的关系linearity is the best. y a1x 否则要补偿 （hardware，software）,衡量sensors静态特性的指标有哪些？,17,1、线性度ya0 +a1x +a2X2 +a3X3 +yout，xin，a0cons
7、tant（zero），a1sensitivity（theory），a2，a3.nonlinear coefficienta2，a3.不大时，线性化处理(端点连线法、平均斜率法、过零旋转法、端点连线平移法、最小二乘法等)Nonlinear error：L=(Lmax/ yFS )*100%,18,2、灵敏度输入量发生一个单位变化时，输出量的变化。它反映输入量的敏感程度。 k=y/x 线性关系中，k就是直线的斜率（处处相等）。某种原因引起k变化k，将产生灵敏度误差： s=(k/k )*100%,19,3、迟滞/回差正反向行程的outin curves are not overlaped.由它带来的
8、误差为迟滞误差或回差。L=(Hmax/ yFS )*100%产生的原因：1）机械部分的缺陷2）材料本身的特点,反程,正程,20,4、重复性输入量按同一方向作全量程多次测量时，所得曲线不重合的程度为,r=(Rmax/ yFS )*100%,r为随机误差用标准误差计算更合理,r=(3 / yFS )*100%,Question：算标准差时，最少重复次数n？,Bassel Formula:,21,5、分辨力分辨力是在规定的测量范围内所能检测到的被测量输入的最小变化量xmin。该值相对满量程输入值的百分数为分辨率 分辨率= xmin/ xFS,6、阈值使传感器输出端产生可测变化量的输入量大小，即零位分
9、辨力,7、稳定性在室温下经长时间间隔后，其输出与起始标定时outin特性之差异。可用相对或绝对误差表示。,22,8、漂移在外界干扰（温度、湿度、电磁场、重力场）下，输出量与输入量不相关的变化。有： 零点漂移 时间漂移 灵敏度漂移 温度漂移,9、精度传感器在全量程内任一点的输出值与理论值（真值）之间的偏离程度。它是静态误差的综合指标，由线性、迟滞、重复性、灵敏度误差决定。2=L2+H2+R2+S2它一般由精度更高的仪表给出真值也可用标准差来表示： =(3 / yFS )*100%,23,二、动态特性静态特性反映输出输入信号数量关系，误差分析很重要。动态特性用什么描述？,1、表征方法 数学处理微分
10、方程 传递函数 H(S)=Y(S)/X(S)作Laplace变换 实验方法,动态特性是传感器对随时间变化的输入信号的响应，是以输出信号去评估输入信号，以信号波形的不失真复现作为基础。,24,2、频率响应,输出信号与输入信号的比随频率的变化用传递函数H(j )表述：H(j ) =Y(j )/X(j )| H(j ) |ej,幅频特性：| H(j ) | 相频特性：,2nd,25,3、时间响应,当输入信号为阶跃信号（或脉冲、斜坡）时，输出信号也是时间的函数，但输出与输入信号在形状上有差异。几个概念:1)响应时间稳定值的某一百分比时所需时间2)时间常数输出量达到63.2所需时间，由sensor内部参
11、数决定， 愈小，响应曲线愈接近输入曲线，即响应快。3)上升时间t上输出量由1090所需时间。,26,在时域响应中，常常出现振荡现象我们希望输出曲线再现输入曲线随时间的变化，实际上由于频率响应、时间响应导致两者的差异失真,过冲量,欠阻尼,过阻尼,临界阻尼,27,传感器选择事项,1、与测量条件有关的事项测量目的被测量测量范围过载频次测量信号的带宽测量精度测量所需的时间,28,2、与性能相关的事项传感器精度传感器稳定度响应速度模拟量还是数字量输出量的数量级负载能力过载信号的保护,29,3、与使用条件有关的事项设置场所环境条件（温度、湿度、振动等）测量全过程所需的时间传感器与其他设备的距离及其连接方式
12、传感器所需的功率容量4、与价格和维护有相关的事项价格交货日期服务与维护制度配件包修期限,30,作业,何为传感器？何为传感技术？传感器通常由哪几部分组成？传感器的特性参数主要有哪些？静态特性包括哪些？选用传感器时要注意哪些问题？,2nd,31,Chapter 2. Resistor sensors and their application,R-sensors 包括：电位器、电阻应变片、热电阻、热敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻、气湿敏电阻,32,补充：电位器传感器,1、结构：电阻体电刷2、作用（在电路中的作用？）,3、种类：,1）分压器：2）变阻器：,线绕式 非连续可变合成膜金属膜导电塑料导电玻璃,
13、x,lo,连续可变,33,4、负载特性,1）空载特性,RL,R,R0,(RL？),2）负载特性,加负载RL后，输出电压U0如何变化？,34,35,5、应用,1）机械行程2）液位,36, 2-1电阻应变片,一、工作原理,l,r,l+l,r + r,37, R/R(12) /,1. For metal: (12) /R /R (12) k0 =12 (2) = R/R k,几何尺寸变化 电阻率变化,2. For semiconductor: (12) / R /R/,38,二、金属应变片的结构1、基本结构（组成）,39,2、金属电阻应变片的种类1）金属丝电阻应变片 用金属电阻丝（0.025mm，多
14、为合金，eg:康铜Cu-40Ni、镍铬Ni-24Fe-16Cr）制成的敏感栅，本身的稳定性好，但有横向应变、粘贴面积小。2）合金箔式电阻应变片 用厚为0.0030.01mm金属箔(合金，同上)制成的敏感栅，栅形状多样、尺寸准确、横向应变小、粘贴面积大。3）金属薄膜式电阻应变片 厚度极薄（nm），灵敏，可在较宽的温度范围工作。材料多为灵敏系数更高的半金属，不易成丝或箔，可用真空镀膜。,40,三、金属电阻应变片的静态特性1、灵敏系数 R/R k k ( R/R) / 2、横向效应和纵向效应R/R kxx+ ky y kx (1+aH) x a= y/ x-0 双向应变比 H= ky / kx 横向
15、效应系数R/R kx (1 -0 H) x k x K kx 即：灵敏度下降,41,3、机械滞后 敏感栅与弹性体间滑移（热、过载）引起加载和卸载曲线不重合。4、零点漂移和蠕变 零点漂移：恒温、不承载下，Rt变化 蠕变：恒温、恒载下，指示应变量随时间单向变化的特性，制作时内应力和使用时剪切力，一般与测量变化相反5、标称电阻R0（300、500） 绝缘电阻Rm （50100M） 最大工作电流Imax (20100mA）,42,四、金属应变片的动态特性,随时间的应变响应应变波传播需要时间，对高频测量对象会产生频率响应误差。上限频率为：,极限应变:应变指示值与真实值相差10的真实应变值。,43,疲劳寿
16、命：连续工作直至损坏的循环使用次数N，如何认定损坏？,1）应变片无输出（栅或引线断）2）输出误差10%3）输出波形由突变尖峰,好的应变片N10万1000万次,3rd,44,电桥平衡条件： R1 R4 R2 R3 或 R1 / R2 R3 / R4 电桥输出 U0=0,五、金属应变片的测量电路,当有一个发生变化，电桥平衡被破坏 电桥输出 U00,1、直流电桥(DC Bridge),-电桥电路,45,1)单臂电桥 设R1为传感器在外界作用下 R1 R1 R1电桥失衡，输出为：P25，218式,U0U/4 * R /R非线性误差： = R /2R,46,2)双臂电桥（半桥 设R1 、R2为传感器在外
17、界作用下 R1 R1 R1 R2 R2 R2电桥失衡，输出为：,U0=U/2 * R /R 灵敏度提高了1倍 消除了非线性误差 =0,，差动电桥）,47,2)四臂电桥（全桥） 设R1 R4都是传感器在外界作用下 R1 R1 R， R2 R2 R R3 R3 R， R4 R4 R电桥失衡，输出为：,灵敏度再提高1倍 没有非线性误差 =0,AC电桥,但后续DC放大器产生零点漂移,DC电桥输出稳定的DC电压，易调平衡,48,2、AC电桥,电桥平衡条件： Z1 Z4 Z2 Z3,电桥平衡条件变为：,|Z1| | Z4| |Z2| | Z3| 1 4 2 3,49,电桥平衡时，输出 0=01）单臂电桥输
18、出 0 =U/4 * Z /Z2）半桥输出 0 =U/2 * Z /Z3）全桥输出 0 =U* Z /Z,AC电桥输出稳定的AC电压，后续AC放大器易做，但不易调平衡,50, 2-2电阻应变片温度误差及其补偿,一、应变片产生温度误差的原因,由于温度变化引起应变片电阻虚假变化，称为温度效应，由温度效应产生的应变片测量误差称为温度误差,温度变化引起,应变片敏感栅电阻变化敏感栅与弹性体材料热胀系数不同，引起附加应变,51,Rt /R= xt t + K(xg - xs) t 敏感栅电阻变化 附加应变 Rt 为温度变化t时敏感栅的电阻变化 xt 为敏感栅的温度系数 xg 为弹性体的热胀系数 xs 为敏
19、感栅的热胀系数,二、应变片温度误差的补偿方法,1、自补偿 单丝自补偿 xt t + K(xg - xs) t 0 双丝自补偿 xt1 + xt20,52,2、电路补偿 1）单桥补偿 R2与R1温度环境相同 2）差动电桥补偿 3）热敏电阻补偿,R1,R2,R3,R4,U0,U,NTC,53,3、软件补偿,刘彭义,金懿,张葡青,孙汪典 应变计的机械热噪声及噪声抑制. 传感器技术，2004（Vol. 23），2：11.,54,肖珊, 鲁五一, 韦晓慧, 吉艳平. 动态称重系统误差修正算法研究. 传感器与微系统. 2007,26(6):80-83.中南大学信息科学与工程学院,在硬件设备基础上,分析了在
20、装载机自动测重过程中的各种误差源,并提出消元法及改进性Akima插值等算法修正各种误差,解决了多年来存在于装载机动态称重系统中的瓶颈问题,使系统称重精度达1 % ,并建立了一套简捷可行的现场调试方法。实际应用表明:本装置具有集成度高,测量精度和可靠性高等特点。,55, 2-3 金属电阻应变式传感器及其应用,一、应用工作原理通过电路或仪表测得U0是待测量的函数G,x, a,v,P R/R U0, R /Rk,U0=K R /R,金属电阻应变式传感器由弹性元件、金属应变片及外壳构成。具有测试范围宽、输出特性好、测试精度高、性能稳定、工作可靠、能适应较恶劣的环境、价格低廉，而被广泛应用。,56,1、
21、等截面悬臂梁,R1 R4,R2 R3,G,l,h,R1,R4,b,平视图,俯视图,57,2、等强度悬臂梁,R1 R4,R2 R3,G,l,h,R1,R4,b,58,3、双端固定梁,R1 R4,R2 R3,G,l/2,h,R1,R4,b,l/2,59,4、薄壁环,d = 2(r + h),60,5、筒式6、轮辐式,R1,R2,R3,R4,61,7、柱式,8、薄膜式,P-待测压力，R-膜半径，h-膜厚，x-sensor位置,62,二、应用,1、测力：手提电子秤、台式电子秤、电子地磅、轨道衡、皮带秤等2、测压力3、测加速度,P,m,ma,a,可行吗？,63,电子秤的设计过程,1） 称重传感器的选择、
22、定标与安装2）电路设计与制作,模拟电路调零、放大、整理形数字电路及控制A/D、控制、显示,3） 软件设计时钟、运算、显示驱动4）产品评价及验收可靠性、稳定性、寿命、性价比、使用说明书,64,电子秤电路框图,称重传感器,放大电路,A/D与接口,MCU,调零电路,显示,打印,键盘,电源,65,两个电子秤实例,66,67,68,69,便携式用TL49A将2节干电池（3V）或充电电池（2.4V）升压（330V）,70,20t电子秤,71,作 业,2-3，2-4，2-5， 2-6 （39页） 常见的金属箔电阻应变片采用的是哪些金属材料制成？制作工艺是怎样的？请查找文献进行简单的解答。,康铜(constantan)的性质：由铜和镍组成的一种高电阻合金。含镍39%42、锰12，其余是铜。电阻系数比铜大，但电阻随温度的变化极小。耐腐蚀性好，机械强度高。最高使用温度可达500。可制成丝、带等用于制造电阻器、热电偶和加热设备等。,
