第16 章 其它传感器简介.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,16,章,其它传感器简介,传感器种类繁多，本课不可能全部讲述，同时传感器发展迅速，教材不可能全部包含，书与发展相差一段时间。,1,16.1常用的其它传感器,1.光电式传感器（教材第10章）,2.固态图像传感器（教材第11章）,3.光导纤维传感器（教材第12章）,4.气敏传感器,5.湿敏传感器,6.,生物传感器,7.,机器人传感器,8.,化学传感器,2,16.1.1气敏传感器,气敏传感器可以检测气体中的特定成分，并将其变换成相应的电信号输出。,气敏传感器可分为半导体气敏传感器、固体电解质气敏传感器、浓差电池型气敏传感器和组合电位型气敏传感器等多种类型，常见的是半导体气敏传感器。,大多气敏传感器工作时需要加热（一般工作在200,400,）,。,3,16.1.2,湿敏传感器,湿敏传感器主要有,半导体及陶瓷系列湿敏传感器、电解质系列湿敏传感器和有机物及高分子聚合物系列湿敏传感器。,湿度是比较难检测的物理量，其原因是由于湿气信息传递比较复杂。迄今为止，已有几十种湿敏元件，但是人们对湿敏传感器的研究，远不如对温度等其他传感技术研究得那么精确和完善。,另外，湿敏元件必须靠与水接触，因此，其,不能密封、隔离，必须直接暴露于待测的环境中,，很难制作成长期稳定、可靠的湿敏元件。,4,16.1.3湿-气多功能传感器,在某一温度下可精确测量相对湿度，而在某一温度范围内可检测气体的浓度。,16.1.4湿-温多功能传感器,采用特殊加工工艺，湿敏元件具有电容和电阻两种特性，电容随温度变化，而电阻则随湿度变化。,5,16.1.5,液体浓度传感器,它是通过测量液体的电导，而间接地得到液体的浓度。液体浓度检测在工业生产中应用广泛。,电解质溶液与金属导体一样，也是电的良导体。电导率的大小不仅与液体的性质有关，还与液体的浓度有关，同一种液体，若浓度不同，其导电性能也不同。在低浓度区和高浓度区电导率与浓度为单值函数，而在中浓度区电导率与浓度的关系不是单值函数。,液体温度对于电导率的影响非常严重，测量电极的等效电容对测量结果也会产生影响，都需进行修正。,6,16.1.6生物传感器,20世纪70年代以来，生物医学工程迅猛发展，作为检测生物体内化学成分的各种生物传感器不断出现。,将生物工程技术与电子技术结合起来，利用生物体中的奇特功能，制造出类似于生物感觉器官功能的各种传感器，是当前国内外传感器技术研究的重要课题。,生物传感器原理,生物传感器是利用各种生物或生物物质做成的、用以检测与识别生物体内的化学成分的传感器。生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等。,7,生物传感器的基本原理如图所示。它由生物敏感膜和变换器构成。被测物质经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应（物理、化学变化），产生物理、化学现象或产生新的化学物质，使相应的变化起将其转换成可定量和可传输、处理的电信号。,电信号,物理,化学,变化,生物敏感膜,被测物质,热,产生 光,声,电化学器件,热敏元件,光敏元件,声敏元件,8,16.1.7 超导传感器,1911年发现水银超导现象，1986年发现稀土氧化物超导体。,超导现象：,当温度接近绝对零度时（最新研究临界温度可达130K），某些材料的电阻几乎为零。,超导技术应用于传感器，其最大的特点是噪声小，具有极高的灵敏度。,目前有超导红外传感器、超导可见光传感器、超导微波传感器、超导磁场传感器、超导图像传感器等。,9,16.1.8 液晶传感器,液晶是1888年发现的一种新的物质，它既有液体的流动性，又具有晶体的光学异向性。其分子呈长形或其他规则形状，具有各向异性的物理特征，在一定温度范围内分子规则排列。,液晶的光学异向性：,（1）双折射,（2）二色性,（3）旋光性,液晶分子呈各向异性，具有强的电偶极矩的容量极化特性。因此，液晶受电场、磁场、热能及声能等作用时，都能引起光学效应，利用这些效应可以制成各种液晶传感器。,10,16.1.9 非晶态合金传感器,非晶态合金是上个世纪70年代末发展起来的一种新型功能材料，它具有丰富明显的物理效应。自问世以来，人们就开始将它作为传感器功能材料来研究，现在非晶态合金传感器用于各种物理量检测的很多领域。,非晶态是相对晶态而言，它不像晶态那样具有原子排列周期性。非晶态合金是一种长程无序、短程有序的结构。非晶态合金材质均匀，机械、化学和电磁性能优良，非常适合于制作多功能的新型传感器。,11,非晶态合金具有良好力学、磁学、电学和化学性能，因此可以利用非晶态合金制成各种传感器。非晶态合金传感器的产生，使得传感器理论与技术得到了新的发展。,无论哪一种传感器，敏感元件是关键，敏感元件的基本性能取决于相应的敏感材料。在某种意义上，材料问题是发展传感器技术的最重要问题。敏感材料一般是金属材料、半导体材料、无机材料和有机材料。,12,16.1.10 机器人传感器,机器人传感器是一类具有特定用途的仿生传感器，它的作用是使机器人可像人一样具有理解环境，掌握外界情况，并做出决策以适应外界环境变化而进行工作的能力。,机器人传感器主要有：,视觉、距离觉、听觉、力觉、触觉、滑觉、压觉、位置、速度、温度、平衡、姿态传感器等等。,13,与一般的传感器相比，机器人传感器的特点是：,（1）具有人的五官对应的功能；,（2）各种传感器之间联系密切；,（3）传感器与信息处理之间联系密切；,（4）传感器不仅要求体积小、易于安装，而且对敏感材料的柔性和功能有特殊要求。,14,16.2 闭环传感器,前面各章介绍的都是由敏感元件、传感元件和测量电路串联构成的开环系统。,开环测量系统框图,由控制理论可知：,（1）开环串联系统的灵敏度为各个环节的灵敏度之积，即,（2）开环串联系统的误差为各个环节的误差之和，即,K,1,K,2,K,n,15,若要提高开环串联系统的精度，则必须提高每个环节的精度，降低每个环节的误差将给生产制造带来困难，而闭环系统不但可以解决这一问题，而且还具有其它一些优点。,16.2.1 闭环传感器的工作原理,由传感器和反馈环节组成的闭环传感器如下图,反馈测量系统框图,敏感元件,传感器,检测放大,反向传感器,电量输出,被测量,16,前向环节的传递函数 ，为惯性环节，反馈传感器的传递函数为,，则闭环系统的传递函数框图如下：,闭环传递函数为,17,由上式可见：,（1）由 ，当取 时，,，所以闭环传感器的精度和稳定性，完全取决于,反馈传感器的传递函数,值，与前向环节无关,（不等权），克服了开环传感器的等权精度。,（2）由 有 ，所以可以提高检测速度，使动态特性大为改善。,（3）由 ，当 时，则 ，所以是平衡状态下测量，零位误差很小。因为是差值测量，所以线性特性好，非线性误差小。,（4）闭环系统可以采用电方法调整传感器的阻尼比和固有频率，比调整传感器机械参数灵活方便。,18,16.2.2 力平衡式闭环传感器,力平衡式闭环传感器利用反馈控制技术来测量加速度，测量原理如下图,19,加速度作传感器被固定在被测物体上，当被测物体运动时，惯性质量块因受到惯性力而产生相对壳体的位移，差动式电容传感器将位移信号转换成电信号，经放大后，电流,I,0,反馈给磁电式力发生器的线圈，线圈产生的磁力作用于质量块上，与质量块上的惯性力相平衡，使质量块回到零位。,详见单成祥、牛彦文、张春编著的传感器原理与应用,20,通过建立,力平衡式闭环加速度传感器的运动数学模型，得到闭环传递函数，分析闭环传递函数可以得到：,（1）力平衡式闭环加速度传感器静态灵敏度取决于反馈系数与前向通道无关,（2）检测输出U,o,电压与a加速度成正比,（3）闭环固有频率比开环固有频率大,（4）闭环阻尼比小于开环阻尼比,（5）加入校正环节可以大大改善系统动态特性,21,16.3 传感器的使用,在测试系统中，传感器是直接获取信息的环,节，它与待测对象直接发生关系，待测对象的参,数通过它实现转换，进入测试系统。因此，一切,测量过程都是建立在传感器这个基础之上。,不同参数需要不同响应机理的传感器，不同,测量对象需要选用不同类型结构的传感器，不同,环境需要选用合适该类环境的传感器。,传感器的使用主要包括传感器的选择和合理,使用两部分。,22,16.3.1 传感器不失真检测条件,对任何一个传感器或,测试系统，总是希望它,们具有良好的响应特性，即精度高、灵敏度高、,输出波形无失真的浮现输入波形。,设传感器输出 和输入 满足,其中 和 是常数，上式说明该传感器的输出波,形与输入波形相似。不同是幅值放大了 倍，时,间 滞后了 。对上式取傅里叶变换有,23,若输出波形不失真的复现输入波形，则传感,器的频率响应特性,应满足：=常数,也就是说，理想传感器的幅频特性应当是常数，,相频特性应当是线性关系，但传感器的输出滞后,输入一定的时间 。,对于二阶系统阻尼比 ，在00.58,范围内，幅值特性 的变化不会超过5%，相频、,特性 也接近于直线。,24,16.3.2 传感器的合理选择,传感器的品种很多，对于同一种被测量，可,以选用不同的传感器。例如，测量位移，可以选,择应变片传感器、电容式传感器、电感式传感器、,磁传感器等等。选用传感器时应考虑的因素很,多，但选用时不一定要满足所有的要求，应根据,被测量参数的变化范围、变化过程、传感器的性,能指标、环境因素等方面综合考虑，侧重点应有,所不同。,25,主要从以下几个方面考虑：,（1）测试条件，主要包括测试目的、被测试量,的特性、测试范围、输入信号范围和带宽、测量,精度要求、测量所需时间。,（2）传感器性能，主要包括精度、稳定性、响,应速度、输出量类型（模拟量、频率或数字量）、,对被测物体产生的负载效应、校正周期等等。,（3）使用条件，主要包括环境条件（温度、适,度、振动等）、测量时间、所需功率、与其他设,备的连接、备件与维修等等。,26,1.确定传感器的类型,对于同一种被测量，有多种原理的传感器可供选用，需要根据被测量的特点和传感器使用条件考虑几个问题：,被测量量对传感器体积要求；信号的引出方法（有线或无线）；测量方法（接触或非接触、在线或离线测量等）。,27,2.灵敏度的选择,通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。但要注意的是，传感器的灵敏度越高，外界干扰越容易混入，因此要考虑外界干扰问题，传感器的信噪比越大越好。当被测量是矢量时，应要求传感器在该方向灵敏度高，而横向灵敏度要小。,此外，灵敏度与测量范围相关，灵敏度的选择不应使传感器进入非线性区，更不能进入饱和区。,测量范围除了考虑被测信号外，还要考虑干扰信号，二者叠加不能进入非线性区,。,28,3.频率响应特性,传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围。在满足信号动态变化要求的基础上，没必要追求过高的频率特性。,4.线性范围,传感器工作在线性范围内，是保证测量精度的基本条件。实际上，任何传感器都很难保证其绝对线性，其线性度是相对的，在许可的范围内，可在近似线性区域内应用，会给测量带来极大地方便。,29,5.稳定性,在传感器使用一段时间后，其性能保持不变的,能力称为传感器的稳定性。影响传感器稳定性的因,素，除了传感器本身外，主要是传感器的使用环境。,湿度、尘埃、磨损、振动等等外界因素。,6.精度,传感器的精度决定了测试系统的精度，对整个,系统有直接的影响。传感器精度高其价格也比较,高，且使用条件也比较苛刻。工业中某些过程中的,参数测量精度要求并不高，而对可靠性要求超过测,量精度要求，因此，应根据实际需求确定传感器的,精度，不要盲目追求测量的高精度。,30,16.3.3 传感器的合理使用,选择了满足测试需求的传感器，正确合理地,使用传感器也非常重要。,1.线性化及补偿,（1）硬件线性化及补偿,（2）软件线性化及补偿,2.采取抗干扰措施,主要方法是屏蔽和隔离,31,(1)屏蔽,屏蔽技术是利用金属材料对于电磁波具有较,好的吸收或反射能力来进行抗干扰。,1)静电屏蔽，用导体做成屏蔽外壳，并把外,壳接地。,2)电磁屏蔽，采用到点良好的金属材料做成,屏蔽层，高频电磁场在金属内产生电，由涡流产,生的磁场抵消或消弱干扰磁场的影响。,3)低频磁屏蔽，采用高导磁材料做屏蔽层，,是低频干扰磁通限制在磁阻很小的屏蔽层内。屏,蔽层要有一定的厚度，以减少磁阻。,32,（2）隔离,隔离是抑制干扰的有效手段之一，目的是,破坏干扰途径、切断噪声耦合通道，一般分为空,间隔离和器件性隔离。,1）功能电路间合理布局,2）信号线之间用地隔开,3）信号隔离放大器、信号隔离变压器,33,（3）接地,接地是为了保证人身及设备的安全和抑制干,扰。（地线分为实际地和虚地两大类，实际地接,大地，虚地不接大地。）,保安地线、模拟量地线、数字量地线、信号,源地线、负载地线分别设置，一点互连。,（4）浮置,电路不接大地。,（5）滤波,信号滤波、电源滤波和数字滤波。,34,