《传感器技术》PPT课件.ppt

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1、第三章 传感器技术n3-1 基础知识n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。n传感器技术 原理 器件设计 开发和应用的综合技术n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n1、构成n被测量 有用非电量 有用电量n结构特性：n有源自源型（热电偶、压电器件）n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。n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。n4类结构n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n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n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。n复合型。以上若干种复合。分类n 按基本效应 （物、化、生）n 按原理 （结构、物性）n 按能量关系 （自源能量、外源能量）n 按作用原理 （应变片、电容、压电、热电）n 按输入量 （位移、压力、流量、温度、气体组分）n 按输出量 （模拟、数字）n 按功能材料 （半导体、陶瓷、光纤、高分子薄膜）n 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n1、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

3、用。n2、开发新型传感器。新原理、高灵敏、生化类n3、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+PCn4、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n5、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）n1、静态模型n代数方程：反映传感器的静态特性n其中：xi 输入 y 输出量n a0：零位输出n a1：传感器灵敏度n ak(2n)：非线性系数n条件：静态条件下x1）线性2）二阶 n阶非线性 3）特定

4、 指数、对数型 n2、动态模型（反映传感器的动态特性）n微分方程 n n一般传感器 b00，b1m=0n传递函数n（常用）可查产品手册 四、传感器的特性指标n1、静态指标n线性度（非线性，用相对误差表示）n n n ：输出平均值与拟合直线间的最大偏差 n ：（Full Scan）理论满量程输出值 n 迟滞性 用正反量程输出的最大差值表示 n 重复性 na：置信系数，取2：置反概率为95.4%；n 取3：置反概率位99.73%n 计算：）贝赛斯公式法 n n ）极差法n 极差系数；d2:1.41;d10：3.18 n 灵敏度 n 分辨率 x最小变化量n 静态误差（精度指标）n 阈值 即传感器的死

5、区（非线性死区）n 稳定性（标定有效期如一级温度计，半年；二级，一年）n 漂移 n2、动态特性n 传感器的频率响应特性 n 阶跃特性 n 速度特性 n 加速度特性 n 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 n1、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）n 校准：在使用和存储后进行性能复测n2、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n3、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

6、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）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n4、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 n 金属热电阻na)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 n -19

7、0660 R0（1+At+Bt2+C（t-100）t3）Rt=(-1900)n Ro(1+At+Bt2 (0660)n温度系数：n A=3.96847*10-3 1/n B=-5.847*10-7 1/2n C=-4.22*10-12 1/4 nb）铜电阻 线性 -50150 n Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）nC)铟电阻（低温热电阻）:-269-258 灵敏度高，重现性差 n 锰电阻:-271-210 灵敏度高 n 热敏电阻（半导体热电阻）灵敏度，A大，体积小（响应快）na)、NTC 负温度系数 A为负-100300 nb)、PTC 高温度系数 A为正 nc)、CTR 临界温度系数

8、nd)、封装及用途 家用电器，医疗卫生，辅助测量 n PN结（激励源）-20+50n AD590AD592 n2、电阻应变片n1）利用金属材料：应变电阻效应 n金属材料的电阻n na）F作用下：n轴向应变=（单位取）电阻率 n应变电阻：nb)勃底特兹明n n n C：材 加工常数nKm:应变灵敏系数（基本为线性的）2）应变片的结构与类型na）组成及基本形状（体积较小）n 丝状n敏感栅 电阻100n 箔头n材料：各种金属、合金n基底 引线 n盖层 粘结剂nb)分类（较多）n材料 康铜（Cu55 Ni45）敏感栅结构：单轴、多轴、应变片n 镍铬（Ni80 Cr20）基底材料：纸质、胶基、金属基n

9、卡码合金 制栅工艺n 铂n 铂银合金（Pt0、Ir20）使用温度 低（-30 以下）、常（-30 +60 ）中高（+350 以上）3）应变片的特性na)静态特性（前介绍过）n蠕变和零漂n反映稳定性指标，应变极限nb）动态特性：应变片的感受（应变随时间变化时的响应）n对正弦应变波的响应n对脉冲（阶跃）应变波的响应n疲劳寿命（N）N：105107nc）温度效应n原因：敏感栅材料的影响 n K：应变片的灵敏系数（取Km)n :试件与敏感栅的材料的线膨胀系数n 热补偿4）应变计式传感器（应变仪）na、nb、应变电桥（惠斯登电桥）n按激励：直流、交流n按输入模式：单臂 单模n 双臂 共模n 双臂 差模

10、等共10种5）电阻应变传感器的应用na）测力传感器：称重、地中衡n 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）nb）压力传感器 流体压力n单一式：应片直接粘于受压弹性膜片或筒上n组合式：受压弹性元件和应变弹性元件组合而成nc）位移式传感器 被测位移是转度或弹性元件的应变n 加速度传感器 扭距传感器二、电容传感器n结构简单、分辨率高、非接触测量、抗高温、辐射、振动等。n1）原理及结构na)介电常数(相对）n 真空介电常数（绝对）nb)变极距：n差动式变极距nc)变面积nd）变介质2）应用及存在问题n特点：分辨力极高，宽范围，动态特性好，过载力强。数字测量

11、有应用前景（微信息化）n数字卡尺（测位移10m 0150mm）物位测量（腐蚀、辐射性）n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n1、原理与结构na、L=W2/Rn n nL=W20eS/lnRc:线圈内阻（铜耗电阻）nRe：铁心涡流损耗nRh：磁滞损耗nS：磁通载面积n0真空磁导率ne磁场磁导率nb)结构n 变气隙式 n 变面积式 改变S，衔铁 水平移动n 螺管式n 差动式n 自感n 互感n 电涡流式n 压磁式2、自感式磁动传感器（可用于精细测量，改善非线性）na、nb)电桥电路 输出端对称变压器电桥n变压器次级作为平衡臂电桥电桥开路时全线性，应用广泛n n n

12、R：Z1、Z2的内阻n激励电源：调频电路，用以产生100KHz交流电源 nc）特点n感应电势大、不需要按放大电路，测量范围宽，精度较高n缺点：非线性（不开路时），温度影响，激励电源稳定性要求n3、应用na)位移尺寸测量nb)压力nc)力，力矩nd)振动四、能量转换型传感器：自源、激励源n将待测量 动量（位移、压力等）传感器 感生电动势（微电流等）n1、自源型n1）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n结构 性能特点 应用离子型晶体（石英、钛酸钡）灵敏度高、

13、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）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）n热电偶nEAB（T0）实现方法na)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）nb)间接法:测量T0，EAB（T0）=校正系数*T0nc)冰点补偿（试验用）2、激励源式（光电、红外、激光、微波）n1）光电式结构n两种光通量生成方式nX1：待测引起的光源的光通变化nX2：待测引

14、起的光源的调制光通变化na、光源：按光波长分类（光谱传感器）光谱仪n红外光源：（白炽灯+滤光片）n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n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）n激光 CO2（：10.6m)光雷达 Ar+(0.516m)Na:YAG 固体 n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

15、N个光子，在连续时间内实际发射的光子数有 变化nb)光电传感器n外光：光电管，光电倍增管n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na、光照特性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-1d、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 tr

16、ansfer）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

17、（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microfludic 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DN

18、A测序 首尔TAS企业，calipes,Tech公司（）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（98年）99年 慈善（Agelent）与Caliper联合，微分fcl 2001 核酸蛋白质芯片（56中芯片）l 2002 DNA芯片市场（成功用于人类 基因组计划）l 2000，5 第四届TAS会议在荷举行l 2001，10 美（Monterey）举行l 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

19、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l芯片材料：硅芯片，玻璃，石英，高聚物，复合材料l加工技术：光刻（蚀刻），高聚合物（模塑，激光热蚀），软光刻。键合l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u荧光，激光（LIF Laser induced fluorescence）u吸收光u化学发光u电化学检测u质谱检测Senaco AS100 声传感器声传感器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

20、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系列波纹管式系列波纹管式 MicroSAM，西门子最新推出的在线过程气相色谱仪，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。半导体激光器半导体激光器（LD）调制光谱抗粉

21、尘、水分影响四、应用a.模拟式（年代较长），物位测量b.开关式：转速表，物体计量c.数字式d.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、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=22.5 10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。