第1章传感器绪论.ppt
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教材:
刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计与应用,长沙:
国防科技大学出版社,2009.2参考书目:
1.吴建平.传感器原理及应用,北京:
机械工业出版社,20092.孟立凡,蓝京辉.传感器原理及应用,北京:
电子工业出版社,20073.ElenaGaura,传感器原理与应用B,第1章绪论,1.1传感器的发展和作用1.2什么是传感器1.3传感器的分类1.4传感器的性能和评价,传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型前沿技术之一,是现代新技术革命和信息社会的重要基础,是现代科技的开路先锋,也是当代科学技术发展的一个重要标志,它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。
目前,传感器技术已成为我国国民经济不可或缺的支柱产业的一部分。
传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。
1.1传感器的发展和作用,人类通过感觉器官从外界获取信息。
再通过大脑分析判断,发出行动命令。
随着科学技术的发展和人类社会的进步,人类为了进一步认识自然和改造自然,研究出一系列代替、补充、延伸人的大脑和感觉器官功能的各种手段,从而出现了计算机和各种用途的传感器。
如果说计算机人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸。
随着集成电路、计算机技术的飞速发展,人们突然认识到信息摄取技术即传感器远远没有跟上信息技术的发展速度,从而惊呼“大脑发达、五官不灵”。
因此从八十年代起,世界范围内就逐步掀起了一股“传感器热”。
美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代,早在80年代初就成立了国家技术小组(BTG),帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。
美国关乎国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有项与传感器信息处理技术直接相关。
关于保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术,其中项为无源传感器。
美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术,传感器技术名列第二。
日本对开发和利用传感器技术相当重视,把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为大核心枝术,日本科学技术厅制定的90年代重点科研项目中有70个重点课题,其中有18项是与传感器技术密切相关。
日本工商界人士甚至声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。
德国视军用传感器为优先发展技术,英、法等国对传感器的开发投资逐年升级,原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。
正是由于世界各国普遍重视和投入开发,传感器发展十分迅速,在近十几年来其产量及市场需求年增长率均在10以上。
目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。
美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家,日本有800余家。
目前从民用市场来看,力、压力、加速度、物位、温度、湿度、水分等传感器将保持较大的需求量。
传感器的市场结构如表所示。
近年来,由于微电子技术、微机械加工技术、纳米技术的迅速发展,传感器领域的主要技术也将在现有基础上予以延伸和提高:
(1)微机械加工技术(MEMT)和纳米技术将得到高速发展。
采用MEMT制作的传感器和微系统,具有体积微小、低成本、高可靠性等独特的优点。
(2)新型敏感材料将加速开发,微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科的互相交叉、渗透和综合利用,将会研制出一批新颖、先进的传感器。
(3)敏感元件与传感器的应用领域将得到新的开拓,二次传感器和传感器系统的应用将大幅度增长。
1988年阿罗哈航空一架波音737型客机由于金属疲劳失事,1988年4月28日,阿罗哈航空(243号班机为)一架波音737型客机,从希洛前往檀香山途中,因金属疲劳导至驾驶室后方一直到机翼附近的一大块机舱天花板撕裂飞脱,一名空服员(卡拉芭尼兰辛(ClarabelleLansing)不幸被吸出机舱外,至今仍失踪,65人受伤。
这个灾难性的断裂事件震惊了整个世界,更加震惊了美国。
所以美国国会当时形成一个议案,要求3年内拿出一个SMART飞机的概念设计,SMART的含义就是具有自诊断和预警系统。
正是这一事件推动了世界各国对智能材料的研究,也推动了各个领域里的监测、诊断、自控制、自适应的研究工作的蓬勃兴起和发展。
另外,这次事件也告诫人们,对一些重要的设备、重要的设施、关键的零部件,对其进行有效的诊断和监控是非常重要的。
1988年4月28日,阿罗哈航空(243号班机为)一架波音737型客机,从希洛前往檀香山途中,因金属疲劳导至驾驶室后方一直到机翼附近的一大块机舱天花板撕裂飞脱,一名空服员(卡拉芭尼兰辛(ClarabelleLansing)不幸被吸出机舱外,至今仍失踪,65人受伤。
这个灾难性的断裂事件震惊了整个世界,更加震惊了美国。
所以美国国会当时形成一个议案,要求3年内拿出一个SMART飞机的概念设计,SMART的含义就是具有自诊断和预警系统。
正是这一事件推动了世界各国对智能材料的研究,也推动了各个领域里的监测、诊断、自控制、自适应的研究工作的蓬勃兴起和发展。
另外,这次事件也告诫人们,对一些重要的设备、重要的设施、关键的零部件,对其进行有效的诊断和监控是非常重要的。
光纤传感器对三峡大坝渗流与泄漏的监测应力和位移测量混凝土固化过程的温度监控等,长江悬索大桥的悬索里嵌入光纤传感器,避免由于材料的疲劳强度和过载发生灾难性损害事故,德国库卡电弧焊机器人,东风悦达焊装车间:
169台机器人组成柔性生产线,此外,为了保证产品品质,焊装车间内运用了4台机器人检查系统,通过严格鉴定每台车身的焊接质量,严格把好焊接质量关。
电流变液体,直升飞机舷翼,直升飞机的弦翼,这个部件在正常情况下是一个很柔软的部件,在恶劣的天气情况下,它容易发生灾难性的颤震,所以美国密执安大学在机翼里添入了一种叫做电流变液体的人工合成的功能材料。
在这种材料里,微纳米级的颗粒悬浮在绝缘液体里,这些小微粒在外加电场的作用下会产生极化,顺着电场方向形成链,使液体变成胶状性质,类似固体特性,从而使机翼变硬。
当机翼发生震颤的时候,传感器监测到震颤信号,然后把这个信号送给微电脑,微电脑通过计算判断,发出指令,然后执行部件则根据计算机指令根据机翼震颤情况控制电流大小,从而调节机翼硬度,避免发生事故。
直升飞机的弦翼,这个部件在正常情况下是一个很柔软的部件,在恶劣的天气情况下,它容易发生灾难性的颤震,所以美国密执安大学在机翼里添入了一种叫做电流变液体的人工合成的功能材料。
在这种材料里,微纳米级的颗粒悬浮在绝缘液体里,这些小微粒在外加电场的作用下会产生极化,顺着电场方向形成链,使液体变成胶状性质,类似固体特性,从而使机翼变硬。
当机翼发生震颤的时候,传感器监测到震颤信号,然后把这个信号送给微电脑,微电脑通过计算判断,发出指令,然后执行部件则根据计算机指令根据机翼震颤情况控制电流大小,从而调节机翼硬度,避免发生事故。
展望未来,传感器将向着小型化、集成化、多功能化、智能化和系统化的方向发展,由微传感器、微执行器及信号和数据处理器总装集成的系统越来越引起人们的广泛关注。
传感器市场将会迅速发展,并会加速新一代传感器的开发和产业化。
传感器是检测系统的第一个环节。
它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置。
即感受被测信息,并把它传送出去。
1.2什么是传感器,“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。
敏感元件:
能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件如金属或半导体应变片,能感受压力的大小而引起形变,形变程度就是对压力大小的响应。
铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值,阻值的变化就是对温度升降的响应,所以铂电阻就是一种温度敏感元件而金属或半导体应变片,就是一种压力敏感元件,转换元件转换元件是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。
如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数,那么,该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。
如热敏电阻,它不仅能直接感受温度的变化,而且能将温度变化转换成电阻的变化,也就是将非电路参数(温度)直接变成了电路参数(电阻)。
图1.1传感器组成方块图,图1.1为传感器组成方块图,此图也说明了传感器的基本组成和工作原理。
1.3传感器的分类,传感器种类繁多,功能各异。
由于同一被测量可用不同转换原理实现探测,利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器,而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域,故传感器有不同的分类法。
根据传感器感知外界信息所依据的基本效应,可以将传感器分成三大类:
(1)物理传感器:
基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的传感器;
(2)化学传感器:
基于化学反应如化学吸附、选择性化学反应等进行工作的传感器;(3)生物传感器:
基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。
按工作原理分类,可分为应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式等传感器。
根据传感器使用的敏感材料分类,可分为半导体传感器、光纤传感器、陶瓷传感器、金属传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等等。
按照被测量分类,可分为力学量传感器、热量传感器、磁传感器、光传感器、放射线传感器、气体成分传感器、液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等。
(5)按能量关系分类,可分为能量控制型和能量转换型两大类。
所谓能量控制型是指其变换的能量是由外部电源供给的,而外界的变化(即传感器输入量的变化)只起到控制的作用。
如用电桥测量电阻温度变化时,温度的变化改变了热敏电阻的阻值,热敏电阻阻值的变化使电桥的输出发生变化(注意电桥的输出是由电源供给的)。
(6)按传感器是利用场的定律还是利用物质的定律,可分为结构型传感器和物性型传感器。
二者组合兼有两者特征的传感器称为复合型传感器。
场的定律是关于物质作用的定律,例如动力场的运动定律、电磁场的感应定律、光的干涉现象等。
利用场的定律做成的传感器叫结构型传感器,如电动式传感器、电容式传感器、激光检测器等。
物质的定律是指物质本身内在性质的规律。
例如弹性体遵从的虎克定律、晶体的压电性、半导体材料的压阻、热阻、光阻、湿阻、霍尔效应等。
利用物质的定律做成的传感器,如压电式传感器、热敏电阻、光敏电阻、光电管等。
(7)按依靠还是不依靠外加能源工作,可分为有源传感器和无源传感器。
有源传感器敏感元件工作需要外加电源,无源传感器工作不需外加电源。
(8)按输出量是模拟量还是数字量,可分为模拟量传感器和数字量传感器。
表1.2传感器的分类,表1.2列出了传感器的分类。
尽管此处列出的传感器分类有较大的概括性,但由于传感器的分类不统一,因而这种分类很难完备,例如有的学者将传感器作了如下分类:
(1)压力;
(2)力/荷重;(3)位移(厚度);(4)力矩;(5)角度;(6)角速度(转速);(7)速度;(8)加速度;(9)角加速度;(10)倾斜角;(11)编码器;(12)振动;(13)气体/烟雾;(14)温度;(15)热能;(16)湿度;(17)水份;(18)露点;(19)液位;(20)料位;(21)流量;(22)流速,(23)风速;(24)电流;(25)电压;(26)电功率;(27)电频率;(28)接近开关;(29)磁性开关;(30)光电开关;(31)pH值;(32)电阻率;(33)电导率;(34)水溶氧;(35)生物;(36)红外线;(37)紫外线;(38)光纤;(39)离子;(40)激光;(41)超声波;(42)声音/噪声;(43)触觉;(44)图像/颜色;(45)密度/粘度;(46)混浊度。
1.4传感器的性能和评价,1.4.1传感器的静态特性,当测试系统的输入x有一增量x,引起输出y发生相应的变化y时,则定义:
如果是线性理想系统,则,1.一位移传感器,当位移变化为1mm时,输出电压变化为300mV,则,2.一机械式位移传感器,输入位移变化为0.01mm时,输出位移变化为10mm,则,静态测试灵敏度,灵敏度S=300/1=300mV/mm,放大倍数S=10/0.01=1000,
(1).灵敏度,S=y/x,2.非线性度理想的传感器输出与输入呈线性关系。
然而,实际的传感器即使在量程范围内,输出与输入的线性关系严格来说也是不成立的,总存在一定的非线性。
非线性度是评价传感器非线性程度的参数。
用标定曲线与拟合直线的偏离程度来表示。
非线性度:
非线性度B/A100,式中,A标称输出范围;B标定曲线与其拟合直线间的最大偏差,非线性度,端基非线性度:
以标定曲线的零点输出和满量程输出值连成的直线为拟合直线。
独立非线性度:
作两条与端基直线平行的直线,使之恰好包围所有的标定点,以与二直线等距离的直线作为拟合直线。
最小二乘法非线性度:
以最小二乘法拟合的直线为拟合直线。
3.灵敏度界限(阈值)输入改变x时,输出变化y,x变小,y也变小。
但是一般来说,x小到某种程度,输出就不再变化了,这时的x叫做灵敏度界限。
存在灵敏度界限的原因有两个。
一个是输入的变化量通过传感器内部被吸收,因而反映不到输出端上去。
典型的例子是螺丝或齿轮的松动。
螺丝和螺帽,齿条和齿轮之间多少都有空隙,如果x相当于这个空隙的话,那么x是无法传递出去的。
第二个原因是传感器输出存在噪声。
如果传感器的输出值比噪声电平小,就无法把有用信号和噪声分开。
如果不加上最起码的输入值(这个输入值所产生的输出值与噪音的电平大小相当)是得不到有用的输出值的,该输入值即灵敏度界限。
灵敏度界限也叫灵敏阈,门槛灵敏度,或阈值。
4.迟滞差,传感器在输入量由小增大和由大减小的测试过程中,对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax,则定义迟滞差为:
迟滞差=(hmax/A)100%,图1.3是这种现象稍微夸张了的曲线。
一般来说输入增加到某值时的输出要比输入下降到该值时的输出值小,正如图1.3所示。
如存在迟滞差,则输入和输出的关系就不是一一对应了,因此必须尽量减少这个差值。
各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。
如把应力加于某弹性材料时,弹性材料产生变形,应力虽然取消了但材料不能完全恢复原状。
又如,铁磁体、铁电体在外加磁场、电场作用下均有这种现象。
迟滞也反映了传感器机械部分不可避免的缺陷,如轴承摩擦、间隙、螺丝松动等。
各种各样的原因混合在一起导致了迟滞现象的发生。
5.稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。
理想的情况是,不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化。
但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会改变。
这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性随时间发生变化,产生一种经时变化的现象。
1.4.2传感器的动态特性大多数情况下传感器的输入信号是随时间变化的,这时要求传感器时刻精确地跟踪输入信号,按照输入信号的变化规律输出信号。
当传感器输入信号的变化缓慢时,是容易跟踪的,但随着输入信号的变化加快,传感器随动跟踪性能会逐渐下降。
输入信号变化时,引起输出信号也随时间变化,这个过程叫做响应。
动态特性就是指传感器对于随时间变化的动态输入量的响应特性,是传感器的重要特性之一。
1.传递函数1)定义假设传感器在输入输出存在线性关系(即传感器是线性的,特性不随时间变化)的范围内使用,则它们之间的关系可用高阶常系数线性微分方程表示:
式中,y为输出量,x为输入量,ai,bi为常数。
对上式进行拉普拉斯变换,由,并设初始状态为0时,,G(s)称为传递函数。
即初始条件为零时,输出量(响应函数)的拉氏变换与输入量(激励函数)的拉氏变换之比。
传递函数表示系统本身的传输、转换特性,与激励及系统的初始状态无关。
同一传递函数可能表征着两个完全不同的物理(或其他)系统,但说明它们有相似的传递特性。
n对应着系统的阶次,n是几我们就称系统为几阶系统。
2)传递函数的分解传感器一般可以近似为集总参数的、线性的、特性不随时间变化的系统。
通常情况下,输入只有b0x一项,没有高次项,即bm=bm-1=b1=0则(1.1)式可简化为,上式中,每一个因子式可以看成一个子系统的传递函数。
其中A是零阶系统的传递函数;是一阶系统传递函数;而则是二阶系统的传递函数。
由此可见,一个复杂的高阶系统总是可以看成是由若干个零阶、一阶和二阶系统串联而成的。
另一方面,如果将上式的右边作部分分式展开,则将得到另一种等价的形式:
上式表示一个高阶系统,也可以看成是由若干个一阶和二阶系统并联而成的。
综上所述可知,一个高阶系统的传感器总可以看成是由若干个零阶、一阶和二阶系统组合而成的。
一阶系统和二阶系统的响应是最基本的响应,所以下面着重讨论一阶和二阶系统的动态特性。
2.一阶(惯性)系统的动态响应一阶系统的传递函数为,图1.6系统的传递函数,1)一阶系统的冲激响应设输入信号为函数,即,(t)=,t=00,t0,(为单位脉冲函数),其输出称为冲激响应。
因为L(t)=1,Y(s)=G(s)X(s)=G(s)=,求反变换得y(t)=,其相应的曲线如图1.7所示。
由图可知:
在冲激信号出现的瞬间(即t0)响应函数也突然跃升,其幅度与k成正比,而与时间常数=a1/a0成反比;在t0时,作指数衰减,t越小衰减越快,响应的波形也越接近脉冲信号。
图1.7一阶系统的冲激响应曲线,其输出信号称为阶跃响应。
因为,由拉氏变换得,2)一阶系统的阶跃响应一个起始静止的传感器若输入一单位阶跃信号,图1.8一阶系统的阶跃响应曲线,3)一阶系统的频率响应,将各频率不同的正弦信号输入传感器,其输出信号(也是正弦)与输入信号的幅值比及相位差与频率之间的关系,就称为频率响应特性。
频率响应特性可由频率响应函数表示,由幅频和相频特性组成。
一阶系统微分方程的通式为,S,灵敏度归一处理,令,一阶系统的转折频率,时,,=0.707(-3dB),,时间常数,越小越好。
3.二阶(振荡)系统的动态响应,若令,(称为系统固有频率);,(称为系统的阻尼率),作拉普拉斯变换得,二阶系统的频率响应为,图1.10二阶系统示意图,1)二阶系统的冲激响应由,当1(欠阻尼)时,当=1(临界阻尼)时,相应的曲线如图1.11所示。
2)二阶系统的阶跃响应,当1(过阻尼)时,图1.11二阶系统的冲激响应曲线,得,图1.12二阶系统的阶跃响应曲线,图1.12给出了各种情况下的阶跃响应曲线。
由图可知,固有频率n越高则响应曲线上升越快,而阻尼比越大,则过冲现象减弱,当1则完全没有过冲,也不存在振荡。
如果在稳态响应值(y(t)/k=1)上下取10%的误差带,而定义响应曲线进入这个误差带(再不越出)的时间为建立时间,那么当=0.6时建立时间最短,约为2.4/n,若误差带取5%,则=0.70.8最好。
图1.12给出了各种情况下的阶跃响应曲线。
由图可知,固有频率n越高则响应曲线上升越快,而阻尼比越大,则过冲现象减弱,当1则完全没有过冲,也不存在振荡。
如果在稳态响应值(y(t)/k=1)上下取10%的误差带,而定义响应曲线进入这个误差带(再不越出)的时间为建立时间,那么当=0.6时建立时间最短,约为2.4/n,若误差带取5%,则=0.70.8最好。
3)二阶系统的频率响应若一个起始静止的系统,其输入为单位幅度的正弦信号,则其,得,随着时间的推移,第二项将逐渐消失,直到稳定,稳态响应的幅频特性和相频特性分别为,伯德图如图1.13所示。
当1/时,在n附近振幅具有峰值,即产生共振现象,越小峰值越高。
=n时,相位有90滞后,最大相位滞后为180,越大,相位滞后变化越平稳。
4.任意输入作用下传感器的动态响应设g(t)是具有常系数线性系统的脉冲(冲激)响应。
即当单位脉冲函数(t)为驱动函数输入到线性,图1.13二阶系统的伯德图,图1.13二阶系统的伯德图,系统输入为单位脉冲函数时,输出的时间响应函数为g(t),如图1.14所示。
与此类似,发生在t0时刻且幅值为的脉冲A(t-t0)的响应是Ag(t-t0)。
设某任意输入f(t)如图1.15所示,求其输入该系统后的时间响应h(t)。
为此,把f(t)分解为许许多多接连着的梯形脉冲,把f(t)的响应看作为这些梯形脉冲的响应。
而当时间间隔变小时,每一脉冲所产生的响应,便近似地等于由幅值与脉冲面积相等的脉冲所产生的响应。
图1.14,图1.15,第一个脉冲的面积为f(0),它的响应近似于幅值为f(0)的脉冲f(0)(t)的响应,即f(0)g(t)。
与此相类似,第二个脉冲的面积为f(),它的响应近似于第二个脉冲f()(t-)的响应,即f()g(t-)。
第一个脉冲的面积为f(0),它的响应近似于幅值为f(0)的脉冲f(0)(t)的响应,即f(0)g(t)。
与此相类似,第二个脉冲的面积为f(),它的响应近似于第二个脉冲f()(t-)的响应,即f()g(t-)。
图1.14线性系统的脉冲响应,其中函数g(t)中的时间滞后,是由于第二个脉冲发生在时刻,更一般地,与第n+1个脉冲相对应的脉冲发生在时刻n,这个脉冲在时刻t的响应是,求和得到所有脉冲的响应,它是h(t)的近似值:
为求出h(t)的精确值,令趋于零;因n=,从而n趋于无限大。
这样d,n,从而上述和式便变成了积分式可见,系统的时间响应,就是该系统的脉冲响应与驱动函数f(t)的卷积。
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