《传感技术概论》PPT课件.ppt

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1、光电传感技术,参考文献,1、传感技术与应用教程，张洪润，张亚凡，清华大学出版社 第1、2、10章2、现代传感技术，黄元庆，机械工业出版社第2、3、5章；3光电传感器应用技术，王庆有，机械工业出版社（参考）4光电探测技术安毓英，西安电子科技大学出版社（参考）,传感器课程 http:/仪表技术与传感器 http:/www.i-传感器世界 http:/中国传感器 http:/传感器技术 http:/www.sensor-21IC中国电子网 http:/传感技术学报网 http:/传感器资讯网 http:/电子设计应用 http:/,参考网站,教学内容安排,第一章 传感技术概论第二章 光电传感原理第三

2、章 光生伏特传感器第四章 光电发射器件第五章 光电导器件第六章 光热（红外）传感器第七章 光纤传感调制技术第八章 光纤温度传感器第九章 光纤机械量传感器,传感器概念,分类 发展趋势,色敏光电传感器,光电二极管、三级管传感器,光电池光传感器,光电发射传感器,光电导传感器,光热传感器,激光传感器,光纤传感器,图像传感器,光电传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,第1章 传感技术概论,1.1 传感器的作用、定义、组成与分类 1.2 传感器的基本特性（静态、动态）1.3 传感器的误差与信噪比 1.4 传感技术器件的发展趋势,教学目标,掌握传感器的基本概念、组成及分类。理解传感器的静态

3、参数定义理解传感器的动态特性分析掌握传感器的误差及信噪分析。了解传感器件的发展趋势。,人体系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,1.1 传感器的作用、定义、组成与分类一、传感器的地位和作用,如图1-1所示,人们把传感器比作人的五种感觉器官，但在诸如高温、高湿、深井、高空等环境及高精度、高可靠性、远距离、超细微等方面是人的感官所不能代替的。,传感器的作用可包括信息的收集、信息数据的交换及控制信息的采集三大内容。通过传感器对自然界的各种物质信息进行采集。,传感器的地位和作用,传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科

4、，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一。,传感器的地位和作用,电子产品,传感器的应用领域,如图1-2所示,传感器是任何一个自动控制系统必不可少的环节。如今，传感器的应用领域已涉及到科研、各类制造业、农业、汽车、智能建筑、家用电器、安全防范、机器人、人体医学、环境保护、航空航天、遥感技术、军事等各个方面，人们已经离不开各种各样的传感器了。,航空航天宇宙飞船,飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器14

5、2个专家说：整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体,智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）,未来世界,传感器的地位和作用,传感器在国民经济中的地位传感器技术不仅对现代化科学技术、现代化农业及工业自动化的发展起到基础和支柱的作用，同时在世界各国也已成为一种重要产业。可以说“没有传感器就没有现代化的科学技术”；没有传感器也就没有人类现代化的生活环境和条件；传感器技术已成为科学技术和国民经济发展水平的标志之一。,广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的

6、器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。,二、传感器的定义,国家标准（GB7665-87）：对传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受(或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件及相应的电子线路所组成。,以上定义表明传感器有以下含义它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量

7、；传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,三 传感器的组成,从功能上讲，传感器通常由敏感元件、转换元件及转换电路组成，如下图所示。,传感元件,敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是先变换为另一种易于变成电量的非电量，然后再转换成电量。如传感器中各种类型的弹性元件常被称为弹性敏感元件。转换元件是指能将感受到的非电量直接转换成电路量的器件或元件。如光电池将光的变化量转换为电势，应变片将应变转换为电阻量等。转换电路是指将无源型传感器输出的电参数量转

8、换成电量。常用的转换电路有电桥电路，脉冲调宽电路，谐振电路等，它们将电阻、电容、电感等电参量转换成电压、电流或频率。实际上，有些传感器的敏感元件可以直接把被测非电量转换成电量输出，如压电晶体、光电池、热电偶等。通常称它们为有源型传感器。辅助电源为无源传感器的转换电路提供电能。,传感器的组成,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,物理、化学、生物信息,四 传感器

9、的分类传感器几种常用的分类方法：1.按输入量(被测对象)分类 输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。例如，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。这种分类方法给使用者提供了方便。2.按工作原理分类 从传感器的工作原理来说，通常分为 能量控制型：压变电阻效应、热阻效应等。无源，静态或动态能量转换型：压电效应、热电效应、光电效应等。有源，主要动态。这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习和研究,3.按输出信号的形式分类 按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。4.按输入和输出的特性分类 按输入和输出特性，

10、传感器可分为线性和非线性两类。,5.按能量转换的方式分类 按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、光电池、热电偶等。无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。按上述后3种分类方法进行分类便于选择测量电路。,五、传感器的命名方法及代号,（1）命名方法：传感器产品名称 应由主题词加四级修饰语构成主题词传感器第一级修饰语（最靠近主题词）被测量，包括修饰被测量的定语第二级修饰语转换原理，一般后续以“式”字第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构性能、材料特征、敏感元

11、件及其他必要的性能特征，一般后续以“型”字（可省略）第四级修饰语主要技术指标（量程，精确度，灵敏范围等）举例：100mm应变式位移传感器 半导体型光电式色传感器 光电式烟尘浓度传感器注意：可指保留第一级或第二级修饰语，省略其他各级修饰语。,（2）传感器代号,GB766687标准规定用大写汉语拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整的代号，常用被测量和转换原理代号参照本规定。例如：应变式位移传感器 C WYYB10 温度传感器 C W01A 主称：传感器 被测量：位移 序号,1.2传感技术器件的特性参数 及选择,定义：传感器特性：指输入x（被侧量）与输出y之间的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢

12、时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系,1.2.1静态特性参数,1、静态特性（参数）定义：指在测量或控制过程中，被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。即：被测量不随时间变化或随时间变化极其缓慢的情况下，传感器的输出与输入的关系。2、静态特性分析,（1）理想传感器输出（y）输入（x）关系是一条直线，为线性输出输入特性，即y=a x。a称为传感器的线性灵敏度，或称理论灵敏度,（2）实际传感器：非线性输出输入特性 传感器的输出输入特性是非线性的，在静态情况下，如果不考虑滞后和蠕变效应，输出输入特性总可以用如下多项式来逼近 式中 x 输入信号；y 输出信号；a0零位输出；a1传感器线性灵

13、敏度；a2，a3，an非线性系数。对于已知的输出输入特性曲线，非线性系数可由待定系数法求得。,多项式代数方程的四种情况:（1）理想线性特性见图（a）。当 时，（2）输出-输入特性方程仅有奇次非线性项如图（c）所示，即 具有这种特性的传感器，在靠近原点的相当大范围内，输出输入特性基本上呈线性关系。并且，当大小相等而符号相反时，y也大小相等而符号相反,相对坐标原点对称，即（3）输出-输入特性非线性项仅有偶次项，见图（b），即 具有这种特性的传感器，其线性范围窄，且对称性差，即。但用两个特性相同的传感器差动工作，即能有效地消除非线性误差。（4）输出-输入特性有奇次项，也有偶次项，见图（d）。,静态特

14、性分析：若采用两个特性相同的传感器差动组合，则输出为y1-y2=2(a1x+a3x3+a5x5+)可有效改善非线性，提高灵敏度。故理性情况为a1大，a2=0（偶次项系数为0），a3小(奇次项系数小）,3、静态参数介绍（1）线性度 传感器的实际特性曲线与拟合直线不吻合的程度，在线性传感器中称“非线性误差”或“线性度”。常用相对误差的概念表示“线性度”的大小，即传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差的绝对值对满量程输出之比为 式中 el 非线性误差（线性度）；实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值；yFS 满量程输出。,非线性误差是以拟合直线作基准直线计算出来的，基准线不同，计算出来的线性度

15、也不相同。因此，在提到线性度或非线性误差时，必须说明其依据了怎样的基本直线。拟合直线的几种常见方法有：1）理论拟和法；2）端点拟和法；3）最佳拟和法；4）最小二乘法拟和,（1）理论拟和法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，它与实际测试值无关。优点是简单、方便，但通常Lmax很大。（2）端点拟和法 以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。其方程式为 y=b+kx 式（2-3）式中 b和k分别为截距和斜率，这种方法也很简便，但通常Lmax也很大。（3）“最佳直线”法 这种方法以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小，由此所得的线性度称为“独立线

16、性度”。显然，这种方法的拟合精度最高。通常情况下，“最佳直线”只能用图解法或通过计算机解算来获得。（4）最小二乘法 这种方法按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。最小二乘法的拟合精度很高，但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小，最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。,（2）灵敏度 线性传感器的校准线的斜率就是静态灵敏度，它是传感器的输出量变化和输入量变化之比，即 式中 kn静态灵敏度。如位移传感器，当位移量Dx为lmm，输出量Dy为0.2mV时，灵敏度kn为0.2mV/mm。非线性传感器的灵敏度通常用拟合直线的斜率表示。非线性特别明显的传感器，其灵敏

17、度可用dy/dx表示，也可用某一小区域内拟合直线的斜率表示。,（3）迟滞 迟滞表示传感器在输入值增长的过程中（正行程）和减少的过程中（反行程），同一输入量输入时，输出值的差别，如图所示，它是传感器的一个性能指标。该指标反映了传感器的机械部件和结构材料等存在的问题，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、螺钉松动、元件磨损（或碎裂）以及材料的内部摩擦等。迟滞的大小通常由整个检测范围内的最大迟滞值DHmax（正反量程输出值之间的最大差值）与理论满量程输出之比的百分数表示，即,(4)重复性 传感器的输入量按同一方向作多次变化时，我们发现，各次检测所得的输出输入特性曲线往往不重复，如图所示。产生不重复的原因

18、和产生迟滞的原因相同。重复性误差eR通常用输出最大不重复误差Dmax与满量程输出yFS之比的百分数表示，即 式中 DmaxD1max与D2max两数值之中的最大者；D1max正行程多次测量的各个测试点输出值之间的最大偏差；D2max反行程多次测量的各个测试点输出值之间的最大偏差。,与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度),(5)精确度,准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。,精密度：说明测量传感器输出值的分散性，

19、即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。,精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。,（a）准确度低精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。,分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。,(6)分辨力与分辨率,分辨力（

20、resolution）:指传感器能检测到的最小的输入增量的xmin的绝对值。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。分辨率反映了传感器检测输入微小变化的能力。影响传感器分辨力的因素很多，如机械运动部件的摩擦和卡塞、电路中的储能元件和A/D的位数。在传感器的测量范围内，由于其输入/输出之间呈非线性关系，所以在不同输入时分辨力不同，用|xmin|表示传感器的分辨力。用满量程的百分数表示时称为分辨率。,(7).测量范围和量程 在允许误差范围内，传感器能够测量的下限值(y min)到上限值(y max)之间的范围称为测量范围，表示为y

21、min y max；上限值与下限值的差称为量程，表示为y F.S y max y min。如某温度计的测量范围是-20100，量程则为120。,(8)零漂和温漂：传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一定时间，其输出值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比，即为零漂。温度每升高1，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。,(9)稳定性,稳定度指在规定时间内，测量条件不变的情况下，由传感器中随机性变动，周期性变动，漂移等引起输出值的变化。用精密度和观测时间长短表示。如，某传感器输出电压值每小时变化1.3mV，则其稳定度可表示为1.3mVh。影响量指传感器由外界环境或工作条件变化引起输出

22、值变化的量。它是由温度、湿度、气压、振动、电源电压及电源频率等一些外加环境影响所引起的。说明影响量时，必须将影响因素与输出值偏差同时表示。例如，某传感器由于电源变化10而引起其输出值变化0.02mA，则应写成0.02mA(U10U)。,稳定性有两个指标：测量传感器输出值在一段时间中的变化，以稳定度表示；传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响量表示。在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。,1.2.2 动态特性 1概念：动态特性是指传感器的输出对于随时间变化的输入量的响应特性。所谓响应，就是指当输入信号发生变化时相应的输出信号随之变化的情况。,2

23、 传感器动态特性的数学模型线性常系数微分方程 输入信号 输出信号。,（3）动态响应：常见的传感器，其物理模型通常可分别用零阶、一阶和二阶的常微分方程描述其输出输入动态特性。,零阶传感器 一阶传感器二阶传感器,传感器的频率响应：对于正弦输入信号，传感器的响应称为传感器的频率响应。传感器的时间响应（阶越响应）或瞬态响应：对于阶跃输入信号，则称为传感器的时间响应。,a、频率响应函数：初始值均为零时，输出的傅立叶变换和输入的傅立叶变换之比，是在频域中对系统传递信息特性的描述,傅立叶变换,A表示输出量幅值与输入量幅值之比相对于信号频率的关系，称为幅频特性,表示输出量与输入量的相位差比相对于信号频率的关系

24、，称为相频特性。,时间常数越小，频率响应特性越好。,一阶频率响应：,二阶频率响应：,为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形，在传感器设计时，必须使其阻尼比，取0.6-0.8。,b、阶跃信号输入时的阶跃响应,一阶系统,二阶系统的阶跃响应,在 的情形下，阶跃信号输入时的输出信号为衰减振荡，其振荡角频率（阻尼振荡角频率）为；幅值按指数衰减，越大，即阻尼越大，衰减越快。,在一定的x 值下，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应迟钝，动作缓慢，所以系统通常设计成欠阻尼系统，x 取值为0.60.8。,（1）频率响应特性指标（参数）,频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围称为传感器频带

25、或通频带。对应有上下截止频率。时间常数，固有频率W0：越小，频带越宽；W0影响频率响应特性。,4、动态参数介绍,评价传感器动态特性的时域指标:上升时间tr，响应时间ts（过程时间），超调量，衰减度 等,（2）阶跃响应特性指标,上升时间tr，输出由某一值（如稳定值的10%或5%）到达到达稳定值的90%（或95%）所需的时间。响应时间ts（过程时间），输出达到稳定值的95%或98%时所需的时间，也称建立时间。超调量，输出超过稳定值的最大值。衰减度，瞬态过程中振荡幅值衰减的速度，常用（ym-y1)/ym100%表示,上升时间，响应时间，是表征仪表（或系统）的响应速度性能参数；超调量，衰减度是表征仪表

26、（或系统）的稳定性能参数。通过这两个方面就完整地描述了仪表（或系统）的动态特性。,1.3传感器的误差及信噪比,1.3.1传感器噪声定义：传感器噪声是指除了被测信号之外在传感器中出现的一切不需要的信号。传感器内部产生的噪声包括：敏感元件、转换元件和转换电路元件等产生的噪声以及电源产生的噪声。例如光电真空管放射不规则电子、半导体中载流子扩散等产生的噪声，元件缺陷产生的噪声和热噪声等。噪声是由多种原因造成的，需分别采取相应的措施，例如降低元件的温度可减小热噪声，对电源变压器采用静电屏蔽可减小交流脉动噪声等。,从外部混入传感器的噪声，按其产生的原因可分为机械噪声（如振动，冲击），音响噪声、热噪声（因温

27、度差产生热电势，因热辐射使元件相对位移或性能变化），电磁噪声和化学噪声等。对于振动等机械噪声可采用防振台或将传感器固定在质量很大的基础上加以抑制。而消除音响噪声的有效办法是把传感器用隔音器材围上或放在真空容器内。消除电磁噪声的有效办法是屏蔽和接地，或使传感器远离电源线，或使输出线屏蔽，输出线绞拧在一起等。内部装有高频发生器或继电器等传感器，会向周围发射电波，形成噪声，设计时也应予以注意,传感器低噪声化方法,1差动法采用两个工作原理和特性完全相同的传感器差动组合，使其输出为两者之差，则可以在输出信号中基本消除混入两个传感器中相位相同的噪声，从而得到较高的输出信噪比,2相关法,当传感器的输出信噪比

28、较低，且信号与噪声同样微弱时，可采用两个特性完全相同的传器利用相关法把传感器输出的信号与噪声分开,3调制法 采用调制方法，如机械、电学和光学等调制方法，使传感器输出调制信号，并用窄带滤波器使之低噪声化，可有效地抑制1f噪声。这时传感器后续电路可采用交流放大器，也就无直流放大器的漂移问题。,1.3.2传感器误差,定义：传感器的误差是指传感器的输出值与理论输出值之差。如果此误差是按特定规律变化的，则称为系统误差。如原理误差，它在原则上是可以修正或消除的。但要完全消除传感器内部产生的噪声和由外部混人传感器中的噪声是不可能的。因此传感器的噪声不为零，而且是随机变化的，它使传感器对应于某个输人量不可能有

29、惟一确定的输出，从而产生误差。设传感器的输人为X，输出为y，其理想方程为y S X，其中S为静态灵敏度，考虑到环境条件、时间因素对输出的影响，其输出输人关系可表示为,s。一传感器设计或标定的静态灵敏度；s（x，q，t）一传感器灵敏度变量，其中q，t是影响灵敏度的环境变量和时间变量；n(q，t）一与输入无关而与环境和时间有关的输出噪声量。,传感器经标定后，其输出输入关系变为式中，X与输入相同单位的输出值；C标定系数；与输入相同单位的输出噪声量。如果传感器的静态误差用 表示，并使CS0l，则,上式中，S(x,q，t）包含了非线性误差、迟滞误差以及灵敏度随环境和时间的变化；为各种噪声引起的，而且越靠

30、近输入端的元件所产生的噪声在输出端的影响越大；S(x,q,t）与 是随时间而随机变化的，它或大或小，有正有负，有一定的统计规律；当s的时间平均值偏离零时，s0也将发生变化，所以在偏离并不太大时就需重新进行标定,如果传感器的输人量是随时间而变化，且变化的频率是在传感器的工作频率范围之内，这时传感器的输出输入关系可表示为,传感器的动态误差,式中，S（jw）,s(0)-分别为传感器的动态灵敏度和静态灵敏度；n(w)-与输入无关的传感器输出量，即噪声量。由上式可知，传感细在；S（jw）-S(0)变化不大的频率范围内使用，并将n（w）控制在一定范围内，否则将有较大的动态误差。为了正确评价传感器的误差，可

31、采用实验方法对传感器进行统计分析。应该指出的是，除了传感器的误差外。还必须考虑使用传感器时的测量误差，包括某些传感器对被测对象的原有状态的干扰所产生的误差,1.3.3传感器的信噪比,传感器的信噪比是指其信号功率SP与噪声功率NP之比，即。SPNP，用SNR表示。传感器的输人信噪比与输出信噪比之比称为噪声系数F，即,为了检测被测量的微小变化，必须提高传感器的灵敏度和减小其噪声量。传感器的信噪比则是表示传感器检测微弱信号能力的一种指标。,设信号与噪声互不相关,由于噪声是随机信号，其功率按统计规律处理，因此上式可用均方值表示为,如果传感器输人噪声为ni，则其噪声系数为,由上式可知（1）当传感器内部的

32、噪声为零时，即，则Fl；2）当传感器内部的噪声不为零时，一般情况下，则Fl;3）当传感器的频带与输人噪声频谱相比是非常狭窄时，传感器起滤波作用，这时F1。传感器检测微弱信号的能力用xm表示，它是指输出信噪比为1时输入的大小。则,分析（1）在一定的噪声输入时，xm越小，传感器的噪声系数F也越小，因此表明该传感器检测微弱信号的能力越强。（2）当传感器F值一定时，则必须抑制由输入端混入的噪声，以降低其xm值，提高检测微弱信号的能力。（3）当传感器频带较宽，无滤波效果时，应尽量减小其内部噪声，使F接近1。或者在满足所需精确度传递信号的条件下，使传感器的频带尽量变窄，以得到较高的输出信噪比。（4）当输出

33、的噪声较大不可忽略时，可采用平均法，即在较小的时间间隔（应小于输出最小变化周期）内取输出的平均值，来得到较高的信噪比。,1、传感器的灵敏度为S，输出噪声功率为p1,问传感器能检测到最微弱的信号功率为多少？,2、已知某传感器噪声系数为2，输入噪声功率为p1,问传感器能检测到最微弱的信号功率为多少？,随堂问题,1.4.1应用传感器需遵循的原则,1坚持从测控系统整体设计要求研制或选择传感器，即遵循整体需要的原则 2高可靠性原则3较高的性能价格比原则,1.4传感技术器件的应用与发展,1.4.2应用传感器考虑的主要因素,稳定性(零漂),传感器,温度,供电,各种干扰稳定性,温漂,分辨力,冲击与振动,电磁场

34、,线性,滞后,重复性,灵敏度,输入,误差因素,外界影响,传感器输入输出作用图,输出,取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。,衡量传感器特性的主要技术指标,1、与测量条件有关的因素(1)测量的目的；(2)被测试量的选择；(3)测量范围；(4)输入信号的幅值，频带宽度；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间。,2、与传感器有关的技术指标(1)精度；(2)稳定度；(3)响应特性；(4)模拟量与数字量；(5)输出幅值；(8)超标准过大的输入信号保护。,3、与使用环境条件有关的因素(1)安装现场条件及情况；(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；(3)信号传输距

35、离；(4)所需现场提供的功率容量。,4、与购买和维修有关的因素(1)价格；(2)零配件的储备；(3)服务与维修制度，保修时间；(4)交货日期。,基本参数指标,环境参数指标,可靠性指标,其他指标,量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等,温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等 抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差 其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗

36、电磁场干扰能力等,工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等,使用有关指标:供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等,1.4.3 传感器技术的发展,传感器现状 据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的 研制、生产和开发，研发机构6000余家。其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等 国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类 的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生 产能力达到几千万支到几亿支。1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元，2006年销售额增至50

37、6亿美元。,我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器的 开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向 和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种，年产量13.2亿多支，其中约有1/2产品销往国外。预计到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量可 望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业 环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是

38、传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面表现为传感器自身在智能化和网络方面落后。,20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、自动控制系统等装置必不可少的感知元件。几十年来传感技术的发展分为两个方面：提高与改善传感器的技术性能；寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。,一、改善传感器性能的技术途径1差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，抵消了共模误差，减小非线性误差等。不少传感器由于采用了差动技术，还可使灵敏度增大。,2平均技术 在传感器中普遍采用平均技

39、术可产生平均效应，其原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为=/n式中 n传感单元数。,可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。,3补偿与修正技术主要针对补偿与修正技术：针对传感器本身特性 针对传感器的工作条件或外界环境 对于传感器特性，找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十

40、分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。,补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,4屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大都要在现场工作，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：,减小传感器对影响因素的灵敏度 降低外界因素对传感器实际作用的程度,对于电磁干扰，可以采用屏蔽、

41、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,5稳定性处理,使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键元器件进行老化处理。,提高传感器性能的稳定性措施：对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。,造成传感器性能不稳定原因：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。,传感器作为长期测量或反复使用的器件，其

42、稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期标定的场合。,二、传感器的发展动向,开发新型传感器 开发新材料 微型传感器加工工艺的发展 传感器多功能化集成化发展 传感器的智能化和网络化发展,开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化,传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反

43、，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。,1开发新型传感器,新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。,2开发新材料,（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料,如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传

44、感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。,在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。,3微型传感器加工工艺的发展,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度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开

45、头，制作出全硅谐振式压力传感器。,4传感器多功能化集成化发展,同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。,多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。,把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。,为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。,5传感器的智能化和网络化发展,对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。,智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。,