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1、第三章 傳感器技術(shù),3-1 基礎(chǔ)知識 一、定義：傳感器是一種能把特定的被測信息（物理、化學(xué)、生物量）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。 傳感器技術(shù) 原理 器件設(shè)計(jì) 開發(fā)和應(yīng)用的綜合技術(shù) 工程學(xué)：多學(xué)科（敏感材料學(xué)、微細(xì)加工、傳感器技術(shù)）交叉滲透。,,,傳感器結(jié)構(gòu)及分類,1、構(gòu)成 被測量 有用非電量 有用電量 結(jié)構(gòu)特性： 有源自源型（熱電偶、壓電器件） 無源激勵源 外加輔助能源。電、磁、光、核等。磁電、霍爾、紅外測距等。 無源外源型 變換電路（俗稱信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換）電橋、放大器、調(diào)制器等。,,,,,4類結(jié)構(gòu) 補(bǔ)償型 用于排除環(huán)境干擾（一只環(huán)境另一只被測量）應(yīng)變壓力、固態(tài)電阻 差動

2、結(jié)構(gòu)補(bǔ)償型。與補(bǔ)償型完全相同；轉(zhuǎn)換元件按照同一被測量，作反向轉(zhuǎn)換，消除干擾因素 不同傳感器補(bǔ)償。熱偶補(bǔ)償、壓電補(bǔ)償片上的溫度和加速度干擾補(bǔ)償。 復(fù)合型。以上若干種復(fù)合。,分類, 按基本效應(yīng) （物、化、生） 按原理 （結(jié)構(gòu)、物性） 按能量關(guān)系 （自源能量、外源能量） 按作用原理 （應(yīng)變片、電容、壓電、熱電） 按輸入量 （位移、壓力、流量、溫度、氣體組分） 按輸出量 （模擬、數(shù)字） 按功能材料 （半導(dǎo)體、陶瓷、光纖、高分子薄膜） 新型傳感器 （生物傳感器、集成傳感器、智能傳感器、機(jī)器人、仿生傳感器等）,發(fā)展趨勢,1、傳感器需求廣泛、普及高新（尖端技術(shù)）需求最勝、信息處理、各種檢測、工業(yè)控制、

3、環(huán)境污染、光能應(yīng)用。 2、開發(fā)新型傳感器。新原理、高靈敏、生化類 3、集成化、多功能：利用固態(tài)功能介質(zhì)（單晶硅、電解質(zhì)、強(qiáng)磁體）；多參數(shù)、立體（三維、多維）、功能芯片：傳感器+放大器+PC 4、智能化：含檢測轉(zhuǎn)換、記憶、存儲、分析處理、自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng) 5、生物器官傳感器（仿生傳感器）：利用仿生學(xué)原理。如：狗嗅覺（靈敏度為人的106 倍），蛇的接近覺（感知0.001）。,傳感器的數(shù)學(xué)模型（各種參數(shù)模型為主）,1、靜態(tài)模型 代數(shù)方程：反映傳感器的靜態(tài)特性 其中：xi 輸入 y 輸出量 a0：零位輸出 a1：傳感器靈敏度 ak(2n) ：非線性系數(shù) 條件：靜態(tài)條件下x 1）線性 2）二

4、階 n階非線性 3）特定 指數(shù)、對數(shù)型,,2、動態(tài)模型（反映傳感器的動態(tài)特性） 微分方程 一般傳感器 b00，b1m=0 傳遞函數(shù) （常用）可查產(chǎn)品手冊,,,,,四、傳感器的特性指標(biāo),1、靜態(tài)指標(biāo) 線性度 （非線性，用相對誤差表示） ：輸出平均值與擬合直線間的最大偏差 ：（Full Scan）理論滿量程輸出值,,,,, 遲滯性 用正反量程輸出的最大差值表示,,, 重復(fù)性 a：置信系數(shù)，取2：置反概率為95.4%； 取3：置反概率位99.73% 計(jì)算： ）貝賽斯公式法 ）極差法 極差系數(shù)；d2: 1.41;d10：3.18

5、,,,,,,, 靈敏度 分辨率 x最小變化量 靜態(tài)誤差（精度指標(biāo)） 閾值 即傳感器的死區(qū)（非線性死區(qū)） 穩(wěn)定性（標(biāo)定有效期如一級溫度計(jì)，半年；二級，一年） 漂移,,,,2、動態(tài)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性 階躍特性 速度特性 加速度特性 固介頻率 阻尼系數(shù)、頻率范圍、時間常數(shù)、臨界頻率等。,,五、傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn),1、標(biāo)定：利用基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行標(biāo)度（按標(biāo)定有效期） 校準(zhǔn)：在使用和存儲后進(jìn)行性能復(fù)測 2、標(biāo)定系統(tǒng)：被測量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器（活塞式壓力沖、測力器、恒流源、標(biāo)準(zhǔn)砝碼） 標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)（設(shè)備器件） 信號調(diào)壓器及顯示記錄系統(tǒng) 標(biāo)定權(quán)限,,3、力值傳遞系統(tǒng)為例 允許誤差（

6、標(biāo)定） 單位部門 0.001% 國家基準(zhǔn)測力機(jī) 基準(zhǔn)器 （中國計(jì)量科學(xué)研究院） 0.01% 一等標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī) 一等標(biāo)準(zhǔn)器 （國防科委、部省一級計(jì)量站） 0.1% 二等標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī) 二等標(biāo)準(zhǔn)器 （ 市、企業(yè)計(jì)量站） 0.30.5% 三等標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī) 三等標(biāo)準(zhǔn)器 1% 工程測試 測試用力傳感器 4、靜態(tài)動態(tài)標(biāo)定（國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn) 84年）,3-2 常用傳感器（不涉及分析與綜合）,（R C L） （I V Q） 外源 激勵 自源或激勵源 一、電阻式傳感器（電阻應(yīng)變式、熱電阻

7、、壓阻、光阻） 1、熱電阻 （金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)） 測量溫度變化的轉(zhuǎn)換元件，用于溫度檢測補(bǔ)償傳感器等、廣泛應(yīng)用,, 金屬熱電阻 a) 鉑電阻 Pt100 、Pt1000、pt10 穩(wěn)定、高精度、價格貴、近似線性、可作為1級2級標(biāo)準(zhǔn) -190660 R0（1+At+Bt2 +C（t-100）t3 ） Rt= (-1900) Ro(1+At+Bt2 (0660) 溫度系數(shù)： A=3.96847*10-3 1/ B=-5.847*10-7 1/ 2 C=-4.22*10-12 1/ 4,,,b）銅電阻 線性 -50150 Rt

8、=R0（1+At+Bt2+Ct3） C) 銦電阻 （低溫?zé)犭娮瑁? -269-258 靈敏度高，重現(xiàn)性差 錳電阻: -271-210 靈敏度高, 熱敏電阻 （半導(dǎo)體熱電阻）靈敏度 ，A大，體積小（響應(yīng)快） a)、NTC 負(fù)溫度系數(shù) A為負(fù)-100300 b)、PTC 高溫度系數(shù) A為正 c)、CTR 臨界溫度系數(shù) d)、封裝及用途 家用電器，醫(yī)療衛(wèi)生，輔助測量,, PN結(jié)（激勵源） -20+50 AD590AD592,,2、電阻應(yīng)變片 1）利用金屬材料：應(yīng)變電阻效應(yīng) 金屬材料的電阻 a）F作用下： 軸向應(yīng)變= （單位?。? 電阻率 應(yīng)變電阻：,,,,,b) 勃底特茲明

9、 C：材 加工常數(shù) Km:應(yīng)變靈敏系數(shù)（基本為線性的）,2）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型,a）組成及基本形狀（體積較小） 絲狀 敏感柵 電阻100 箔頭 材料：各種金屬、合金 基底 引線 蓋層 粘結(jié)劑,,,b)分類（較多） 材料 康銅（Cu55 Ni45）敏感柵結(jié)構(gòu)：單軸、多軸、應(yīng)變片 鎳鉻（Ni80 Cr20）基底材料：紙質(zhì)、膠基、金屬基 卡碼合金 制柵工藝 鉑 鉑銀合金（Pt0、Ir20）使用溫度 低（-30 以下）、常（-30 +60 ）中高（+350 以上）,3）應(yīng)變片的特性,a)靜態(tài)特性（前介紹過） 蠕變和零漂 反映穩(wěn)定性指標(biāo)，應(yīng)變極限 b）動態(tài)

10、特性：應(yīng)變片的感受（應(yīng)變隨時間變化時的響應(yīng)） 對正弦應(yīng)變波的響應(yīng) 對脈沖（階躍）應(yīng)變波的響應(yīng) 疲勞壽命（N）N：105107,,c）溫度效應(yīng) 原因：敏感柵材料的影響 K：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（取Km) :試件與敏感柵的材料的線膨脹系數(shù) 熱補(bǔ)償,4）應(yīng)變計(jì)式傳感器（應(yīng)變儀）,a、,,b、應(yīng)變電橋（惠斯登電橋） 按激勵：直流、交流 按輸入模式：單臂 單模 雙臂 共模 雙臂 差模 等共10種,5）電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用,a）測力傳感器：稱重、地中衡 柱（筒）式、柱環(huán)式（載力大） 、懸梁式（小載、高靈） 、輪帽式（線性、高靈敏、結(jié)構(gòu)復(fù)雜） b）壓力傳感器 流體壓力 單一

11、式：應(yīng)片直接粘于受壓彈性膜片或筒上 組合式：受壓彈性元件和應(yīng)變彈性元件組合而成 c）位移式傳感器 被測位移是轉(zhuǎn)度或彈性元件的應(yīng)變 加速度傳感器 扭距傳感器,二、電容傳感器,結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、非接觸測量、抗高溫、輻射、振動等。 1）原理及結(jié)構(gòu) a) 介電常數(shù)(相對） 真空介電常數(shù)（絕對）,,b) 變極距： 差動式變極距 c) 變面積 d）變介質(zhì),2）應(yīng)用及存在問題,特點(diǎn)：分辨力極高，寬范圍，動態(tài)特性好，過載力強(qiáng)。數(shù)字測量有應(yīng)用前景（微信息化） 數(shù)字卡尺（測位移10m 0150mm）物位測量（腐蝕、輻射性） 存在問題：邊緣效應(yīng)、靜電引力、寄生電容、溫度影響,三、

12、變磁阻式傳感器,1、原理與結(jié)構(gòu) a、L=W2/Rn L=W20eS/l Rc:線圈內(nèi)阻（銅耗電阻） Re：鐵心渦流損耗 Rh：磁滯損耗 S：磁通載面積 0真空磁導(dǎo)率 e磁場磁導(dǎo)率,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,b)結(jié)構(gòu) 變氣隙式 變面積式 改變S，銜鐵 水平移動 螺管式 差動式 自感 互感 電渦流式 壓磁式,,,2、自感式磁動傳感器（可用于精細(xì)測量，改善非線性）,a、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,b)電橋電路 輸出端對稱變壓器電橋 變壓器次級作為平衡臂電橋電橋

13、開路時全線性，應(yīng)用廣泛 R：Z1、Z2的內(nèi)阻 激勵電源：調(diào)頻電路，用以產(chǎn)生100KHz交流電源,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,c）特點(diǎn) 感應(yīng)電勢大、不需要按放大電路，測量范圍寬，精度較高 缺點(diǎn)：非線性（不開路時），溫度影響，激勵電源穩(wěn)定性要求 3、應(yīng)用 a) 位移尺寸測量 b) 壓力 c) 力，力矩 d) 振動,四、能量轉(zhuǎn)換型傳感器：自源、激勵源,將待測量 動量（位移、壓力等） 傳感器 感生電動勢（微電流等） 1、自源型 1）磁電式： 結(jié)構(gòu) 性能特點(diǎn) 應(yīng)用 永久磁鐵、運(yùn)動線

14、圈 可雙向轉(zhuǎn)換，功率大 測振 誤差補(bǔ)償（溫度，非線性） 簡單零位及性能穩(wěn)定 速度 磁場穩(wěn)定性 頻帶101KHz 力發(fā)生器（逆向）,,,,2）壓電式,結(jié)構(gòu) 性能特點(diǎn) 應(yīng)用 離子型晶體（石英、鈦酸鋇） 靈敏度高、分辨率高 振動（占80%） 壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù) 線性好、壽命長 測力（主要） 機(jī)電耦合系數(shù)、絕緣電阻 體積小、剛度好 （沖擊、振動 加速度、人血壓計(jì)、微位移計(jì)） 居里點(diǎn) 近測、遙測 3）熱電式 K型、U型 最廣泛、工業(yè)使用

15、 測溫 U型 需溫度補(bǔ)償及導(dǎo)線補(bǔ)償 （管道流量 熱電繼電器、氣體分析儀）,,熱電偶 EAB（T0）實(shí)現(xiàn)方法 a) 直接法：利用熱電阻或PN結(jié)產(chǎn)生與熱電偶相同的熱電勢（電橋、恒流源） b) 間接法:測量T0， EAB（T0）=校正系數(shù)*T0 c) 冰點(diǎn)補(bǔ)償（試驗(yàn)用）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2、激勵源式（光電、紅外、激光、微波）,1）光電式結(jié)構(gòu) 兩種光通量生成方式 X1：待測引起的光源的光通變化 X2：待測引起的光源的調(diào)制光通變化,,a、光源：按光波長分類（光譜傳感器） 光譜儀 紅外光源：（白熾燈+濾光片） 氣體放電光

16、源：（原子輻射光譜不同 線光譜和帶光譜） 碳弧、低（高）水銀燈、納弧、氙弧燈 發(fā)光二極管（發(fā)展快、前途好）低功耗、高亮度 新型光源（國家、省攻關(guān)） 紅外、可見光波段（4001000nm，紅外8001800） 激光 CO2（：10.6m)光雷達(dá) Ar+ (0.516m) Na:YAG 固體,,,,,光源特性： 輻射特性：相于性（白熾燈：非相于源；激光器：相干源） 光譜特性：輻射中心的波長 輻射光譜寬： 光電特性：激勵的電與光輻射關(guān)系（雙向均可） 噪聲電平：散粒噪聲、光子性產(chǎn)生、平均觀測、在一定時間間隔光源所發(fā)出N個光子，在連續(xù)時間內(nèi)實(shí)際發(fā)射的光子數(shù)有 變化,,b)光

17、電傳感器 外光：光電管，光電倍增管 內(nèi)光：半導(dǎo)體器件，光敏電阻，光敏二極管（紅外接收管），光電池,2）光電傳感器特性,a、光照特性,,b.光譜特性（光譜響應(yīng)） 指相對靈敏度k與入射光波長之間的關(guān)系,,c、響應(yīng)時間（動態(tài)特性） 對于調(diào)制型光電傳感器;f上限響應(yīng)時間-1 d、其他。峰值探測率（最初用于紅外）暗光源描述 NEP 溫度特性 伏安特性（輸出）,3)新型傳感器,a、SPD ：光位置傳感器單維，二維，三維 機(jī)械加工中定位 運(yùn)動分析 機(jī)器人視覺系統(tǒng) 交通監(jiān)測,3)新型傳感器,b、CCD:電荷耦合器（charge coupled ） CTD：電荷轉(zhuǎn)移器（charg

18、e transfer ） 二者為固態(tài)圖像傳感器 在硅襯底上生成120mm的SiO2層 Al沉積形成MOS，電容式轉(zhuǎn)移器件 線性CCD圖像傳感器：兩列結(jié)構(gòu) 一列為光敏主陣列 一列為CCD,,,線性CCD圖像傳感器：兩列結(jié)構(gòu) 一列為光敏主陣列 并行之間有轉(zhuǎn)移柵 一列為CCD 特點(diǎn)：簡單，高空間分辨率（宇宙 探測攝像等） 面型CCD圖像傳感器：多陣列，掃描裝置 按感光區(qū)，信號存儲，輸出轉(zhuǎn)移分有三大類 i)行掃描發(fā)生器，圖像模糊 ii)存儲區(qū)串行輸出:簡單，轉(zhuǎn)移單元可富集（集成加工）分 辨率1024x1024 20萬 300萬

19、 iii)感光+輸出轉(zhuǎn)移：圖像最好 ，攝像頭,,,三.微流控分析及微流空芯片傳感器,1、微流倉分析系統(tǒng)（TAS，Micro told analysis systerm） 90年代瑞士：Manz,Wiodmen在微機(jī)電加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展。 特點(diǎn)： 芯片 lab-on-a-chip Loc微流芯片技術(shù)microfludic chips 分析傳感器分析實(shí)驗(yàn)室芯片上fc+c 高度學(xué)科交叉：微加工技術(shù)+生命科學(xué)+光學(xué)，材料學(xué)等+計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 在微米道路上，研究，傳導(dǎo)，吹附，微區(qū)反應(yīng) 應(yīng)用，分析領(lǐng)域,2、發(fā)展及趨勢,1、瑞士：毛細(xì)管電脈 90年代初 2、94年，（美）橡樹嶺同學(xué)實(shí)驗(yàn)室，Ramsay在毛

20、細(xì)管電脈上提高性能及應(yīng)用 3、荷蘭，Enchede,首屆TAS大會（94年） （95年）加州大學(xué)，Berkeley分析，實(shí)現(xiàn)高速DNA測序 首爾TAS企業(yè)，calipes,Tech公司（95.9）美（哈佛大學(xué)），Whilesides研究化 （ 96年） 聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）+電脈,2、發(fā)展及趨勢,4、專利之戰(zhàn)（98年）99年 慈善（Agelent）與Caliper聯(lián)合，微分fc 2001 核酸蛋白質(zhì)芯片（56中芯片） 2002 DNA芯片市場（成功用于人類 基因組計(jì)劃） 2000，5 第四屆TAS會議在荷舉行 2001，10 美（Monterey）舉行 2001 英國皇家化學(xué)會主編Lab-

21、on-a-cjip創(chuàng)刊,2、發(fā)展及趨勢,5、趨勢 微陣列化 毛細(xì)管分離L-L萃取過濾，無膜擴(kuò)散，多種分離手段 單通道多感單行檢測，達(dá)384道 檢測手段多樣化：單分子，單細(xì)胞 微流空分析的計(jì)算機(jī)模擬及理論發(fā)展 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 成果：北大，浙大，等,2、發(fā)展及趨勢,6、加工技術(shù) 芯片材料：硅芯片，玻璃，石英，高聚物，復(fù)合材料 加工技術(shù)：光刻（蝕刻），高聚合物（模塑，激光熱蝕），軟光刻。鍵合 微流體驅(qū)動與控制：微泵（熱氣動，壓電，靜電），微閥，進(jìn)樣系統(tǒng),2、發(fā)展與趨勢,7、微流控芯片傳感器 熒光，激光（LIF Laser induced fluorescence） 吸收光 化學(xué)發(fā)光 電化學(xué)檢測 質(zhì)譜檢

22、測,Senaco AS100 聲傳感器Senaco AS100 聲傳感器檢測從設(shè)備（聲傳感器）和移動物料之間高頻聲波的變化。它檢測和對固體流動到受阻的變化立刻作出反應(yīng)，物料有沒有或設(shè)備故障，如過濾器袋破裂，這就允許操作員提早采取預(yù)防措施和避免損失嚴(yán)重的事故,BB系列波紋管式,MicroSAM，西門子最新推出的在線過程氣相色譜儀，它為工業(yè)應(yīng)用帶來了一種嶄新的外形設(shè)計(jì) - 小巧。結(jié)合現(xiàn)代硅顯微機(jī)械加工技術(shù)和信譽(yù)卓著的西門子 Maxum edition 型氣相色譜儀的 EZCHrom軟件，使 MicroSAM 真正做到了外形小巧而同時具備更強(qiáng)大的功能和更廣泛的用途。 ------橄欖球大小的 Mic

23、roSAM 可做到 CSA Division 1 和 ATEX 100 Zone1級防爆，非常耐用并可直接安裝在采樣點(diǎn)處。,,半導(dǎo)體激光器 （LD）,調(diào)制光譜抗粉塵、水分影響,,四、應(yīng)用,模擬式（年代較長），物位測量 開關(guān)式：轉(zhuǎn)速表，物體計(jì)量 數(shù)字式 CCD的應(yīng)用：精密尺寸測量（三維CCD） 熱軋板寬測量 工件，傷痕，表面污垢 掌紋，指紋識別,五、數(shù)字傳感器,有別于A/D 計(jì)算機(jī)，其輸出可直接為計(jì)算機(jī)（C）讀取 特點(diǎn)：高精度（可相當(dāng)于32位A/D） 穩(wěn)定性高 動態(tài)性高 易于多回路,五、 數(shù)字傳感器,1.分類 數(shù)字量輸出（絕對式編碼器，部分CCD，

24、CTD） 脈沖量輸出（增量式編碼器，感應(yīng)同步器，光柵，磁柵） 頻率形式（石英晶體頻率式，彈性振體頻率式，RC頻率式）,五、 數(shù)字傳感器,2.編碼器：高精度，高分辨率（絕對式） 原理：增量式絕對式編碼器(接觸式) 包括編碼盤與旋轉(zhuǎn)軸，沿徑向固定若干敏感元件（電刷n個，電刷數(shù)為數(shù)字量的n位，每位可由角度分區(qū)得出復(fù)位改變狀態(tài)） 16進(jìn)制分度為 360/16=22.5 10進(jìn)制分度為360 / 10=36 由每個分度的 導(dǎo)電位置的設(shè)置不同還可直接輸出格雷碼，ASC碼等,五、 數(shù)字傳感器,2.編碼器：高精度，高分辨率（絕對式） 用途及特點(diǎn) 接觸式年代較長，要求機(jī)械加工精度及接觸電阻，用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的角度測量。光電式發(fā)展較快，LBJ微型光電編碼器，2048/轉(zhuǎn)用于轉(zhuǎn)速測量線位移。,