第一章 模拟电子 传感器技术知识 .pptVIP

* 精密仪器与光电子工程学院 yiwenma@tju.edu.cn 马艺闻 传感器技术 目的: 1 掌握传感器的基本理论, 工作原理,主要性能及其特点 2 能够合理选择和使用传感器 主要讲: 1 传感器的一般特性 2 电阻式传感器 3 电容传感器 4 光电式传感器 教材?: 强锡富主编．传感器，第三版． 北京： 机械工业出版社，2001 第一章 传感器技术概述 一、什么是传感器？ 二、传感器的组成？ 三、传感器分类？ §1 绪论 定义（国家标准GB7665-87）： 别名：变送器，发送器，传送器 英文：transducer ，sensor 能 够感受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。 是一种器件或装置; 能感受到被测量，即输入(物理量、化学量、或 者生物量） 能输出信号，即输出量（一般是电量）； 输入与输出按照一定的规律转换，即精确的对应 关系。 定义分析： 最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。 3.传感器的分类— — 按工作原理分 传感器 物理型传感器 化学型传感器 生物型传感器 物性型传感器 结构型传感器 物理型：利用某些变换元件的物理性质以及某些 功能材料的特殊物理性能制成的传感器。 化学型: 利用电化学反应原理，把无机和有机化 学物质的成份、浓度等信息转换为电 信号的传感器。 生物型：利用生物活性物质选择性识别和测定生 物化学物质的传感器。 物理型传感器 物性型：利用某些功能材料本身所具有的 内在特性或效应把测量量直接转 换为电量的传感器。 结构型：以结构为基础，通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换实现把被测量转换为电量 其他分类方式 ◎根据传感器的能量转换情况：能量控制型传感器和能量转换型传感器 ◎根据物理原理分类：电参量式、磁电式、压电式、光电式、气电式、热电式、波式、射线式和半导体式等 ◎根据输出信号：模拟式和数字式 实际上，人体的五官即生物传感器，感受外界环境信息，转换成人脑能处理的信号。 讨论：你的身边有哪些传感器？如何工作？ §2 传感器的一般特性 1、传感器特性的概念 2、评价传感器特性的指标 线性度、灵敏度、迟滞、重复性、 分辨力 一、传感器一般特性 y＝f（x） y－输出；x－输入 传感器特性：主要是指输出与输入之间的关系。 特性 静特性：输入为常量或变化较慢 （表示被测量处于稳定状态时的输出输入关系） y＝f（x） 动特性：输入随时间较快变化 y＝f [x（t）] k = y/x = constant x = 0 时，y = 0 y＝f（x）= k x 理想特性： x y y＝f（x ，N） 实际特性： N – 外界因素（如温度、湿度、振动等）及误差因素等 x y y＝f（x）= a0 + a1 x 1 + a2 x 2 + …+ an x n 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在 不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示： a0 – 零点输出，x = 0 时，y(0) = a0 . 这种现象称为“漂移”。 a1 – 理论灵敏度。 a2 、 a3 、…、 an 非线性项系数。 二、静态特性指标 1、线性度(非线性误差) y—输出量； x—输入量； 线性化 为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法(包括硬件或软件补偿)进行线性化处理。考虑到这些办法都比较复杂，所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度 通常用相对误差γL表示： ?Lmax x y yFS γL=±(ΔLmax/yFS)×100 ΔLmax一最大非线性误差； yFS—满量程输出。 a)理论拟合 b)过零旋转拟合 c)端点连线拟合 d)端点连线平移拟合 直线拟合方法 设拟合直线方程： 最小二乘拟合法 y=kx+b 若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为 最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即 Δi=yi-(kxi+b) 对k和b一阶偏导数等于零，求出b和k的表达式 即得到k和b的表达式 将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值ΔLmax即为非线性误