傳感器技術基礎第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.1自動測控系統(tǒng)與傳感器第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日世界是由物質組成的，表征物質特性或其運動形式的參數(shù)很多，根據物質的電特性，可分為電量和非電量兩類。非電量不能直接使用一般電工儀表和電子儀器測量，非電量需要轉換成與非電量有一定關系的電量，再進行測量。實現(xiàn)這種轉換技術的器件叫傳感器。自動檢測和自動控制系統(tǒng)處理的大都是電量,需通過傳感器對通常是非電量的原始信息進行精確可靠的捕獲和轉換為電量。第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日

1.1自動測控系統(tǒng)與傳感器

1.1.1自動測控系統(tǒng)自動檢測和自動控制技術是人們對事物的規(guī)律進行定性了解和定量掌握以及預期效果控制所從事的一系列的技術措施。自動測控系統(tǒng)是完成這一系列技術措施之一的裝置，它是檢測和控制器與研究對象的總和。通?？煞譃殚_環(huán)與閉環(huán)兩種自動測控系統(tǒng)。第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日測量電路傳感器電源指示儀記錄儀伺服控制

圖1-1開環(huán)自動測控系統(tǒng)框圖

被測量第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日調節(jié)元件給定元件信息處理檢測電路執(zhí)行元件傳感器對象輸出顯示記錄－＋－圖1-2閉環(huán)自動測控系統(tǒng)框圖

第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日

一個完整的自動測控系統(tǒng)，一般由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置或調節(jié)執(zhí)行裝置、電源四部分組成。

第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.1.2傳感器傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號的部分。第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日敏感元件轉換元件輔助電源接口電路圖1-3傳感器組成框圖非電物理量電信號第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日

壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等是敏感元件與轉換元件兩者合二為一的傳感器傳感器轉換能量的理論基礎都是利用物理學、化學學、生物學現(xiàn)象和效應來進行能量形式的變換。被測量和它們之間的能量的相互轉換是各種各樣的。第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日機械能光能電磁能化學能熱能圖1-4傳感器的能量轉換關系第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日傳感器技術就是掌握和完善這些轉換的方法和手段。是涉及：傳感器能量轉換原理、傳感器材料選取與制造、傳感器器件設計、傳感器開發(fā)和應用等多項綜合技術。第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.2傳感器的分類第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.2傳感器的分類傳感器有許多分類方法，但常用的分類方法有兩種：一種是按被測輸入量來分；另一種是按傳感器的工作原理來分。第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.2.1按被測量分類這一種方法是根據被測量的性質進行分類，如：溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器、轉矩傳感器等。第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日

這種分類方法把種類繁多的被測量分為：基本被測量和派生被測量兩類。見表1-1。例如力可視為基本被測量，從力可派生出壓力、重量、應力、力矩等派生被測量。當需要測量這些被測量時，只要采用力傳感器就可以了。

第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日表1-1基本被測量和派生被測量基本被測量派生被測量位移線位移長度、厚度、應變、振動、磨損、不平度角位移旋轉角、偏轉角、角振動速度線速度速度、振動、流量、動量角速度轉速、角振動加速度線加速度振動、沖擊、質量角加速度角振動、扭矩、轉動慣量力壓力重量、應力、力矩時間頻率周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布溫度熱容量、氣體速度、渦流光光通量與密度、光譜分布濕度水氣、水分、露點第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日

這種分類方法：優(yōu)點是比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據其用途選用。缺點是沒有區(qū)分每種傳感器在轉換機理上有何共性和差異，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.2.2按傳感器工作原理分類這一種分類方法是以工作原理劃分，將物理、化學、生物等學科的原理、規(guī)律和效應作為分類的依據。這種分類法：優(yōu)點是對傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器的深入研究分析。缺點是不便于使用者根據用途選用。

第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日具體劃分為：1.電學式傳感器電學式傳感器是應用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。2.磁學式傳感器磁學式傳感器是利用鐵磁物質的一些物理效應而制成。主要用于位移、轉矩等參數(shù)的測量。第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日3.光電式傳感器光電式傳感器是利用光電器件的光電效應和光學原理而制成。主要用于光強、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。4.電勢型傳感器電勢型傳感器是利用熱電效應、光電效應、霍耳效應等原理而制成。主要用于溫度、磁通、電流、速度、光強、熱輻射等參數(shù)的測量。第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.電荷傳感器電荷傳感器是利用壓電效應原理而制成。主要用于力及加速度的測量。6.半導體傳感器半導體傳感器是利用半導體的壓阻效應、內光電效應、磁電效應、半導體與氣體接觸產生物質變化等原理而制成。主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日

7.諧振式傳感器諧振式傳感器是利用改變電或機械的固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成。主要用來測量壓力。8.電化學式傳感器電化學式傳感器是以離子導電原理為基礎而制成，可分為電位式傳感器、電導式傳感器、電量式傳感器、級譜式傳感器和電解式傳感器等。電化學式傳感器主要用于分析氣體成分、液體成分、溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導率及氧化還原電位等參數(shù)的測量。第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日還有：按能量的關系分類，即將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器；按輸出信號的性質分類，即將傳感器分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，便于與計算機聯(lián)用，且抗干擾性較強，例如：盤式角度數(shù)字傳感器，光柵傳感器等。第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.3傳感器的數(shù)學模型第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.3傳感器的數(shù)學模型傳感器作為感受被測量信息的器件，總是希望它能按照一定的規(guī)律輸出有用信號,因此,需要研究其輸入-輸出之間的關系及特性，以便用理論指導其設計、制造、校準與使用。理論和技術上表征輸入-輸出之間的關系通常是以建立數(shù)學模型來體現(xiàn)，這也是研究科學問題的基本出發(fā)點。第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.3.1傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型靜態(tài)數(shù)學模型是指在靜態(tài)信號作用下，傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關系。如果不考慮遲滯特性和蠕動效應，傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型一般可以用n次多項式來表示：

y=a0+a1x+a2x2+···+anxn

式中x為輸入量；y為輸出量；

a0為零輸入時的輸出，也叫零位輸出；

a1為傳感器線性項系數(shù)也稱線性靈敏度，常用K或S表示；

a2,

a3,

···,an為非線性項系數(shù)，其數(shù)值由具體傳感器非線性特性決定。

第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日傳感器靜態(tài)數(shù)學模型有三種有用的特殊形式：1.理想的線性特性

通常是所希望的傳感器應具有的特性，只有具備這樣的特性才能正確無誤地反映被測的真值。2.僅有偶次非線性項

其線性范圍較窄，線性度較差，靈敏度為該曲線的斜率，一般傳感器設計很少采用這種特性。第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日3.僅有奇次非線性項

其線性范圍較寛，且相對坐標原點是對稱的，線性度較好，靈敏度為該曲線的斜率。使用時一般都加以線性補償措施，可獲得較理想的線性特性。第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.3.2傳感器的動態(tài)數(shù)學模型在實際測量中，大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號。傳感器的動態(tài)數(shù)學模型是指：在隨時間變化的動態(tài)信號作用下，傳感器輸出-輸入量間的函數(shù)關系，通常稱為響應特性。動態(tài)數(shù)學模型一般采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日

1.微分方程忽略了一些影響不大的非線性和隨機變量等復雜因素后，可將傳感器作為線性定常數(shù)系統(tǒng)來考慮，因而其動態(tài)數(shù)學模型可以用線性常系數(shù)微分方程來表示，其解得到傳感器的暫態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應。

式中：x(t)為輸入量，y(t)為輸出量。

為結構常數(shù)。第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日對上式兩邊取拉普拉斯變換，則得：

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)為：

2.傳遞函數(shù)第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日

等號右邊是一個與輸入無關的表達式，只與系統(tǒng)結構參數(shù)有關，可見傳遞函數(shù)H(s)是描述傳感器本身傳遞信息的特性，即傳輸和變換特性。由輸入激勵和輸出響應的拉普拉斯變換求得。當傳感器比較復雜或傳感器的基本參數(shù)未知時，可以通過實驗求得傳遞函數(shù)。第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.4傳感器的特性與技術指標第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.4傳感器的特性與技術指標傳感器測量靜態(tài)量表現(xiàn)為靜態(tài)特性，測量動態(tài)量表現(xiàn)為動態(tài)特性。1.4.1靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能來描述。1.線性度線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差。第三十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日

圖1-5傳感器的線性度第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日由圖可見，除（a）為理想特性外，其它都存在非線性，都應進行線性處理。常用的方法有：理論直線法、端點線法、割線法、最小二乘法和計算程序法等。2.靈敏度靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖1-6（a）所示，其

sn=y/x第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日圖1-6傳感器的靈敏度第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日非線性傳感器的靈敏度是一個隨工作點而變的變量，如圖1-6（b）所示，其

sn=dy/dx=df(x)/dx3.重復性重復性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-7所示。傳感器輸出特性的不重復性主要由傳感器的機械部分的磨損、間隙、松動，部件的內磨擦、積塵，電路元件老化、工作點漂移等原因產生。第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日圖1-7傳感器的重復性第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日不重復性極限誤差由下式表示：

EZ=?MAX/yFS·100%

4.遲滯現(xiàn)象傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減小）期間，輸出-輸入特性曲線不一致的程度，如圖1-8所示。在行程環(huán)中同一輸入量xi對應的不同輸出量yi和yd的差值叫滯環(huán)誤差，最大滯環(huán)誤差與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率EMAX：

EMAX=?m/yFS·100%

第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日圖1-8傳感器的遲滯現(xiàn)象第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日5.分辨力傳感器的分辨力是在規(guī)定測量范圍內所能檢測的輸入量的最小變化量。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分數(shù)表示。6.穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)定性，指在室溫條件下，經過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征穩(wěn)定程度。第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日7.漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關的不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.4.2動態(tài)特性在動態(tài)（快速變化）的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準確地響應和再現(xiàn)被測信號的變化。也就是說，傳感器要有良好的動態(tài)特性。最常用的是通過幾種特殊的輸入時間函數(shù)，例如階躍函數(shù)和正弦函數(shù)來研究其響應特性，稱為階躍響應法和頻率響應法。

第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日

1.階躍響應特性給傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號：

其輸出特性稱為階躍響應特性，如圖1-9所示。由圖可衡量階躍響應的幾項指標。

第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日圖1-9傳感器階躍響應特性第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日(1)最大超調量(2)延遲時間(3)上升時間(4)峰值時間(5)響應時間第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日2.頻率響應特性給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同初相位為零的正弦信號，其輸出的正弦信號的幅值和相位與頻率之間的關系，則為頻率響應曲線。例子：下圖為一彈簧阻尼器組成的機械壓力傳感器，分析該傳感器的頻率響應。第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日圖1-10機械壓力傳感器第五十頁，共六十五頁，2022年，8月28日系統(tǒng)輸入量為作用力，令其與彈簧剛度成正比，。

系統(tǒng)輸出量為彈簧形變產生的位移。

根據牛頓第三定律，作用力與阻尼器磨擦力、彈簧力的反作用力相等，即：

；

。

式中：；第五十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日可得一階機械壓力傳感器動態(tài)數(shù)學模型：左右兩邊取拉普拉斯變換，移項后可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

，

令可得頻率響應函數(shù)、幅頻特性、相頻特性分別為：式中：為時間常數(shù)。第五十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日

幅頻特性、相頻特性如圖1-11所示。由圖可見，時間常數(shù)τ越小，頻率特性越好。時間常數(shù)τ很小時，幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率成線性關系。第五十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日圖1-11一階傳感器的頻率特性在時間常數(shù)τ很小時，輸出位移能真實地反應輸入作用力的變化規(guī)律，與作用力頻率無關。第五十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.5傳感器的材料與制造第五十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.5傳感器的材料與制造傳感器是利用材料的固有特性或開發(fā)的二次功能特性，再經過精細加工而成的。傳感器的材料和制造是傳感器性能和質量的關鍵。1.5.1傳感器的材料1.半導體材料（1）單晶硅（2）多晶硅（3）非晶體硅第五十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日（4）硅藍寶石（5）化合物半導體2.陶瓷材料3.石英材料4.金屬氧化物及合金材料（1）ZnO薄膜（2）非晶態(tài)磁性合金材料（3）形狀記憶合金材料5.無機材料6.有機材料第五十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日7.生化材料8.高分子敏感材料9.合成材料10.智能材料（1）能夠檢測并且可以識別外界或內部的刺激強度的感知功能；（2）能夠響應外界變化的驅動功能；（3）能夠按照設定的方式選擇和控制響應；（4）反應比較靈敏、及時和恰當；（5）當外部刺激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態(tài)。第五十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日1.5.2傳感器制造技術傳感器制造技術主要是微系統(tǒng)技術，也叫微機械加工技術。不僅微系統(tǒng)的部件是用微機械加工制成，而且用這些部件組合成系統(tǒng)也是用微機械加工的。1.部件及子系統(tǒng)加工2.系統(tǒng)的集成包括底盤、組裝和連線加工3.