傳感器與檢測(cè)技術(shù)第2章傳感器概述

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1、第 2 章 傳 感 器 概 述第 2 章 傳 感 器 概 述 第 2 章 傳 感 器 概 述2.1 傳 感 器 的 基 本 概 念2.1.1 傳 感 器 的 定 義 與 組 成 1. 傳 感 器 的 定 義 傳 感 器 的 英 文 是 “ Sensor ” ,來(lái) 源 于 拉 丁 語(yǔ)“ Sense ” ,意 思 是 “ 感 覺(jué) ” 、 “ 知 覺(jué) ” 等 。 傳 感 器 的 通 俗定 義 可 表 述 為 “ 信 息 拾 取 的 器 件 或 裝 置 ” 。 其 嚴(yán) 格 定 義 在 國(guó)家 標(biāo) 準(zhǔn) GB7665 87 中 的 表 述 是 “ 能 感 受 規(guī) 定 的 被 測(cè) 量 并 按照 一 定 的 規(guī)

2、 律 轉(zhuǎn) 換 成 可 用 信 號(hào) 的 器 件 或 裝 置 ,通 常 由 敏 感 元件 和 轉(zhuǎn) 換 元 件 組 成 ” ,包 含 以 下 幾 方 面 的 意 思 : (1)傳 感 器 首 先 是 一 種 測(cè) 量 器 件 或 裝 置 ,它 的 作 用 體 現(xiàn) 在測(cè) 量 上 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (2 )傳 感 器 定 義 中 所 謂 “ 規(guī) 定 的 被 測(cè) 量 ” ,一 般 是 指 非 電量 信 號(hào) ,主 要 包 括 各 種 物 理 量 、 化 學(xué) 量 和 生 物 量 等 ,在 工 程 中常 需 要 測(cè) 量 的 非 電 量 信 號(hào) 有 力 、 壓 力 、 溫 度 、 流 量 、 位

3、移 、速 度 、 加 速 度 、 轉(zhuǎn) 速 、 濃 度 等 。 (3 )傳 感 器 定 義 中 所 謂 “ 可 用 信 號(hào) ” 是 指 便 于 傳 輸 、 轉(zhuǎn)換 及 處 理 的 信 號(hào) ,主 要 包 括 氣 、 光 和 電 等 信 號(hào) ,現(xiàn) 在 一 般 是 指電 信 號(hào) (如 電 壓 、 電 流 等 各 種 電 參 數(shù) )。 由 于 非 電 量 信 號(hào) 不 能像 電 信 號(hào) 那 樣 可 由 電 工 儀 表 和 電 子 儀 器 直 接 測(cè) 量 ,所 以 就 需要 利 用 傳 感 器 技 術(shù) 實(shí) 現(xiàn) 由 非 電 量 到 電 量 的 轉(zhuǎn) 換 。 (4 )傳 感 器 的 輸 入 和 輸 出 信 號(hào) 應(yīng)

4、該 具 有 明 確 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 ,并 且 應(yīng) 保 證 一 定 的 精 度 。 (5 )傳 感 器 也 稱(chēng) 為 變 換 器 ( Transducer )、 轉(zhuǎn) 換 器( Converter )、 檢 測(cè) 器 ( Detector )和 變 送 器 ( Transmitter )等 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 2. 傳 感 器 的 組 成 傳 感 器 的 種 類(lèi) 繁 多 ,其 工 作 原 理 、 性 能 特 點(diǎn) 和 應(yīng) 用 領(lǐng) 域各 不 相 同 ,故 結(jié) 構(gòu) 、 組 成 差 異 很 大 。 由 于 電 量 具 有 便 于 傳 輸 、轉(zhuǎn) 換 、 處 理 、 顯 示 等 特 點(diǎn) ,因

5、此 傳 感 器 輸 出 信 號(hào) 通 常 是 電 信號(hào) 形 式 (如 :電 壓 、 電 流 等 各 種 電 參 數(shù) ),即 傳 感 器 將 非 電 量 轉(zhuǎn)換 成 電 量 輸 出 。 所 以 傳 感 器 通 常 由 敏 感 元 件 、 轉(zhuǎn) 換 元 件 及 基本 轉(zhuǎn) 換 電 路 三 部 分 組 成 ,如 圖 2 1 所 示 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 1 傳 感 器 組 成 框 圖 第 2 章 傳 感 器 概 述 (1 )敏 感 元 件 。 敏 感 元 件 是 指 傳 感 器 中 能 直 接 感 受 被 測(cè)量 的 變 化 ,并 且 輸 出 與 被 測(cè) 量 成 確 定 關(guān) 系 的 某

6、一 個(gè) 物 理 量 的元 件 。 如 彈 性 敏 感 元 件 將 力 轉(zhuǎn) 換 為 位 移 或 應(yīng) 變 輸 出 。 (2 )傳 換 元 件 。 轉(zhuǎn) 換 元 件 是 指 傳 感 器 中 能 將 敏 感 元 件 輸出 的 物 理 量 轉(zhuǎn) 換 成 適 于 傳 輸 或 測(cè) 量 的 電 信 號(hào) 的 元 件 。 (3 )基 本 轉(zhuǎn) 換 電 路 。 基 本 轉(zhuǎn) 換 電 路 是 指 將 電 路 參 數(shù) 轉(zhuǎn) 換成 能 便 于 測(cè) 量 的 電 量 的 電 路 。 由 于 傳 感 器 的 輸 出 信 號(hào) 一 般 都 很 微 弱 ,需 要 有 信 號(hào) 調(diào) 理電 路 ,對(duì) 電 量 進(jìn) 行 放 大 、 運(yùn) 算 、 分 析

7、及 特 殊 處 理 等 ,此 外 ,傳 感器 的 工 作 必 須 有 輔 助 的 電 源 ,因 此 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 以 及 所 需 的電 源 都 應(yīng) 作 為 傳 感 器 組 成 的 一 部 分 。 隨 著 半 導(dǎo) 體 集 成 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ,現(xiàn) 在 有 的 集 成 傳 感 器 已 把 敏 感 元 件 、 轉(zhuǎn) 換 元 件 、 基 本轉(zhuǎn) 換 電 路 和 信 號(hào) 調(diào) 理 電 路 都 集 中 到 傳 感 器 殼 體 內(nèi) 。 第 2 章 傳 感 器 概 述2. 1. 2 傳 感 器 的 分 類(lèi) 1. 按 被 測(cè) 物 理 量 分 類(lèi) 按 被 測(cè) 量 的 性 質(zhì) 進(jìn) 行 分 類(lèi) ,有 利 于

8、準(zhǔn) 確 表 達(dá) 傳 感 器 的 用途 ,對(duì) 人 們 系 統(tǒng) 地 使 用 傳 感 器 很 有 幫 助 。 如 位 移 傳 感 器 用 于測(cè) 量 位 移 等 。 本 書(shū) 主 要 就 是 按 這 一 分 類(lèi) 方 法 作 為 編 寫(xiě) 體 系 來(lái)介 紹 各 種 類(lèi) 型 的 傳 感 器 的 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 2. 按 傳 感 器 工 作 原 理 分 類(lèi) 按 工 作 原 理 分 類(lèi) 是 傳 感 器 最 常 見(jiàn) 的 分 類(lèi) 方 法 ,這 種 分 類(lèi)方 法 將 物 理 、 化 學(xué) 、 生 物 等 學(xué) 科 的 原 理 、 規(guī) 律 和 效 應(yīng) 作 為 分類(lèi) 的 依 據(jù) ,有 利 于 對(duì) 傳 感 器

9、 工 作 原 理 的 闡 述 和 對(duì) 傳 感 器 的 深入 研 究 與 分 析 。 如 電 感 式 傳 感 器 、 電 容 式 傳 感 器 等 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 3. 按 傳 感 器 轉(zhuǎn) 換 能 量 的 情 況 分 類(lèi) 按 照 傳 感 器 的 能 量 轉(zhuǎn) 換 情 況 ,傳 感 器 可 分 為 能 量 控 制 型和 能 量 轉(zhuǎn) 換 型 傳 感 器 兩 大 類(lèi) 。 能 量 轉(zhuǎn) 換 型 :又 稱(chēng) 發(fā) 電 型 ,不 需 外 加 電 源 而 將 被 測(cè) 能 量轉(zhuǎn) 換 成 電 能 輸 出 ,這 類(lèi) 傳 感 器 有 壓 電 式 、 熱 電 偶 、 光 電 池 等 。 能 量 控 制 型 :

10、又 稱(chēng) 參 量 型 ,需 外 加 電 源 才 能 輸 出 電 能 量 。這 類(lèi) 傳 感 器 有 電 阻 、 電 感 、 霍 爾 式 等 傳 感 器 以 及 熱 敏 電 阻 、光 敏 電 阻 、 濕 敏 電 阻 等 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 4. 按 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 分 類(lèi) 按 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 構(gòu) 成 可 分 為 結(jié) 構(gòu) 型 、 物 性 型 和 復(fù) 合 型 傳感 器 。 (1 )結(jié) 構(gòu) 型 :被 測(cè) 參 數(shù) 變 化 引 起 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 變 化 ,使 輸 出電 量 變 化 ,利 用 物 理 學(xué) 中 場(chǎng) 的 定 律 和 運(yùn) 動(dòng) 定 律 等 構(gòu) 成 ,如 電 感式 、

11、 電 容 式 。 這 類(lèi) 傳 感 器 的 特 點(diǎn) 是 其 性 能 以 傳 感 器 中 元 件 相對(duì) 結(jié) 構(gòu) (位 置 )的 變 化 為 基 礎(chǔ) ,而 與 其 材 料 特 性 關(guān) 系 不 大 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (2 )物 性 型 :利 用 某 些 物 質(zhì) 的 某 種 性 質(zhì) 隨 被 測(cè) 參 數(shù) 變 化 的 原理 構(gòu) 成 。 傳 感 器 的 性 能 與 材 料 密 切 相 關(guān) ,如 壓 電 傳 感 器 、 各種 半 導(dǎo) 體 傳 感 器 等 。 這 類(lèi) 傳 感 器 的 “ 敏 感 元 件 ” 就 是 材 料本 身 ,無(wú) 所 謂 “ 結(jié) 構(gòu) 變 化 ” ,因 此 ,通 常 具 有 響

12、 應(yīng) 速 度 快 的 特 點(diǎn) ,而 且 易 于 實(shí) 現(xiàn) 小 型 化 、 集 成 化 和 智 能 化 。 (3 )復(fù) 合 型 傳 感 器 則 是 結(jié) 構(gòu) 型 和 物 性 型 傳 感 器 的 組 合 ,同時(shí) 兼 有 二 者 的 特 征 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 5. 按 傳 感 器 輸 出 信 號(hào) 的 形 式 分 類(lèi) (1 )模 擬 式 :傳 感 器 輸 出 為 模 擬 量 。 (2 )數(shù) 字 式 :傳 感 器 輸 出 為 數(shù) 字 量 ,如 編 碼 器 式 傳 感 器 。下 面 列 出 根 據(jù) 被 測(cè) 量 、 測(cè) 量 原 理 、 傳 感 基 理 、 輸 出 形 式 和 電源 形 式 等

13、進(jìn) 行 的 分 類(lèi) 表 ,如 表 2 1 所 示 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 第 2 章 傳 感 器 概 述2. 1. 3 傳 感 器 的 命 名 與 代 號(hào)1. 傳 感 器 的 命 名 第 2 章 傳 感 器 概 述 第 2 章 傳 感 器 概 述2. 傳 感 器 的 代 號(hào) 圖 2 2 傳 感 器 產(chǎn) 品 代 號(hào) 及 格 式 第 2 章 傳 感 器 概 述 (1 )主 稱(chēng) :傳 感 器 代 號(hào) C 。 (2 )被 測(cè) 量 :用 一 個(gè) 或 兩 個(gè) 漢 語(yǔ) 拼 音 的 第 一 個(gè) 大 寫(xiě) 字 母 標(biāo)記 。 常 用 的 被 測(cè) 量 代 碼 如 表 2 3 所 示 。 第 2 章 傳 感

14、 器 概 述表 2 3 被 測(cè) 量 代 號(hào) 舉 例 第 2 章 傳 感 器 概 述 ( 3 )轉(zhuǎn) 換 原 理 :用 一 個(gè) 或 兩 個(gè) 漢 語(yǔ) 拼 音 的 第 一 個(gè) 大 寫(xiě) 字 母標(biāo) 記 。 轉(zhuǎn) 換 原 理 代 碼 如 表 2 4 所 示 。 (4 )序 號(hào) :用 一 個(gè) 阿 拉 伯 數(shù) 字 標(biāo) 記 ,廠 家 自 定 ,用 來(lái) 表 征 產(chǎn)品 設(shè) 計(jì) 特 性 、 性 能 參 數(shù) 、 產(chǎn) 品 系 列 等 。 當(dāng) 產(chǎn) 品 性 能 參 數(shù) 不 變 ,僅 在 局 部 有 改 動(dòng) 或 變 動(dòng) 時(shí) ,其 序 號(hào) 可 在 原 序 號(hào) 后 面 順 序 地 加注 大 寫(xiě) 字 母 A 、 B 、 C 等 (其 中

15、 I 、 Q 不 用 )。 例 如 :應(yīng) 變 式 位 移 傳 感 器 : CWYYB 20 ;光 纖 壓 力 傳 感 器 : CY GX 2 。 第 2 章 傳 感 器 概 述表 2 4 轉(zhuǎn) 換 原 理 代 號(hào) 舉 例 第 2 章 傳 感 器 概 述 3. 傳 感 器 的 圖 形 符 號(hào) 圖 形 符 號(hào) 通 常 用 于 圖 樣 或 技 術(shù) 文 件 中 ,表 示 一 個(gè) 設(shè) 備 或概 念 的 圖 形 、 標(biāo) 記 或 字 符 。 由 于 它 能 象 征 性 或 形 象 化 地 標(biāo) 記信 息 ,因 此 可 以 越 過(guò) 語(yǔ) 言 障 礙 ,直 接 地 表 達(dá) 設(shè) 計(jì) 者 的 思 想 和意 圖 ,在 實(shí)

16、際 中 應(yīng) 用 廣 泛 。 傳 感 器 的 圖 形 符 號(hào) 是 電 氣 圖 用 圖 形 符 號(hào) 的 一 個(gè) 組 成 部 分 。 1994 年 2 月 1 日 國(guó) 家 批 準(zhǔn) 實(shí) 施 的 GB / T14479 1993 傳感 器 圖 用 圖 形 符 號(hào) 是 與 國(guó) 際 接 軌 的 。 按 照 此 規(guī) 定 ,傳 感 器的 圖 形 符 號(hào) 由 符 號(hào) 要 素 正 方 形 和 等 邊 三 角 形 組 成 ,如 圖 2 3 所示 。 其 中 ,正 方 形 表 示 轉(zhuǎn) 換 元 件 ,三 角 形 表 示 敏 感 元 件 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 3 傳 感 器 的 圖 形 符 號(hào) 第 2

17、 章 傳 感 器 概 述 在 使 用 這 種 圖 形 符 號(hào) 時(shí) 應(yīng) 注 意 以 下 幾 個(gè) 問(wèn) 題 : (1 )表 示 轉(zhuǎn) 換 原 理 的 限 定 符 號(hào) 應(yīng) 寫(xiě) 進(jìn) 正 方 形 內(nèi) ,表 示 被 測(cè)量 的 限 定 符 號(hào) 應(yīng) 寫(xiě) 進(jìn) 三 角 形 內(nèi) ,如 圖 2 4 ( a )所 示 。 (2 )無(wú) 須 強(qiáng) 調(diào) 具 體 的 轉(zhuǎn) 換 原 理 時(shí) ,傳 感 器 的 圖 形 符 號(hào) 可 以簡(jiǎn) 化 ,如 圖 2 4 ( b )所 示 。 (3 )對(duì) 于 傳 感 器 的 電 氣 引 線 ,應(yīng) 根 據(jù) 接 線 圖 設(shè) 計(jì) 需 要 ,從 正方 形 的 三 條 邊 線 垂 直 引 出 。 如 果 引 線

18、需 要 接 地 或 接 殼 體 、 接 線 板 ,應(yīng) 按 照 GB4728.2 中 的 規(guī) 定 繪 制 ,如 圖 2 5所 示 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 4 傳 感 器 的 圖 形 符 號(hào) 說(shuō) 明 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 5 傳 感 器 的 電 氣 引 線 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 6 用 文 字 符 號(hào) 表 示 方 式 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 7 典 型 傳 感 器 的 圖 形 符 號(hào) 第 2 章 傳 感 器 概 述2. 1. 4 傳 感 器 技 術(shù) 的 發(fā) 展 趨 勢(shì) 1. 傳 感 器 技 術(shù) 的 特 點(diǎn) (1 )涉 及 多

19、學(xué) 科 與 技 術(shù) ,包 括 材 料 科 學(xué) 、 精 密 機(jī) 械 、 微 電子 、 微 機(jī) 械 加 工 工 藝 、 材 料 力 學(xué) 、 彈 性 力 學(xué) 、 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 、物 理 學(xué) 、 生 物 化 學(xué) 、 測(cè) 試 技 術(shù) 等 。 (2 )品 種 繁 多 ,被 測(cè) 參 數(shù) 包 括 熱 工 量 、 電 工 量 、 化 學(xué) 量 、物 理 量 、 機(jī) 械 量 、 生 物 量 、 狀 態(tài) 量 等 。 (3 )應(yīng) 具 有 高 穩(wěn) 定 性 、 高 可 靠 性 、 高 重 復(fù) 性 、 低 遲 滯 、快 響 應(yīng) 和 良 好 的 環(huán) 境 適 應(yīng) 性 。 (4 )應(yīng) 用 領(lǐng) 域 廣 泛 ,無(wú) 論 是 高 新

20、 技 術(shù) ,還 是 傳 統(tǒng) 產(chǎn) 業(yè) ,都 需要 應(yīng) 用 大 量 的 傳 感 器 。 (5 )應(yīng) 用 要 求 千 差 萬(wàn) 別 ,有 的 量 大 面 廣 ,有 的 專(zhuān) 業(yè) 性 很 強(qiáng) ;有 的 要 求 高 精 度 ,有 的 要 求 高 穩(wěn) 定 性 ,有 的 要 求 高 可 靠 性 ;有 的要 求 耐 振 動(dòng) ,有 的 要 求 防 爆 ,等 等 。 (6 )發(fā) 展 相 對(duì) 緩 慢 。 研 制 一 旦 成 熟 ,其 生 命 力 強(qiáng) ,如 應(yīng) 變 式傳 感 技 術(shù) 已 有 70 多 年 的 歷 史 ,目 前 仍 然 占 有 重 要 的 地 位 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 2. 傳 感 器 技 術(shù)

21、 發(fā) 展 趨 勢(shì) 近 年 來(lái) 傳 感 器 技 術(shù) 發(fā) 展 的 主 要 趨 勢(shì) 表 現(xiàn) 在 以 下 六 個(gè) 方 面 。 1 )新 材 料 、 新 功 能 的 開(kāi) 發(fā) 應(yīng) 用 傳 感 器 材 料 是 傳 感 器 技 術(shù) 的 重 要 基 礎(chǔ) ,無(wú) 論 是 何 種 傳 感器 ,都 要 選 擇 恰 當(dāng) 的 材 料 來(lái) 制 作 ,而 且 要 求 所 使 用 的 材 料 具 有優(yōu) 良 的 機(jī) 械 特 性 ,不 能 有 材 料 缺 陷 。 近 年 來(lái) ,在 傳 感 器 技 術(shù) 領(lǐng)域 ,所 應(yīng) 用 的 新 型 材 料 主 要 有 以 下 幾 種 : (1 )半 導(dǎo) 體 硅 材 料 。 半 導(dǎo) 體 硅 材 料 包

22、 括 單 晶 硅 、 多 晶 硅 、非 晶 硅 、 硅 藍(lán) 寶 石 等 。 由 于 硅 材 料 具 有 相 互 兼 容 的 、 優(yōu) 良 的電 學(xué) 特 性 和 機(jī) 械 特 性 ,因 此 ,采 用 硅 材 料 研 制 各 種 類(lèi) 型 的 硅 微結(jié) 構(gòu) 傳 感 器 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (2 )石 英 晶 體 材 料 。 石 英 晶 體 材 料 包 括 壓 電 石 英 晶 體 和熔 凝 石 英 晶 體 (又 稱(chēng) 石 英 玻 璃 ),它 具 有 極 高 的 機(jī) 械 品 質(zhì) 因 數(shù) 和非 常 好 的 溫 度 穩(wěn) 定 性 。 同 時(shí) ,天 然 的 石 英 晶 體 還 具 有 良 好 的壓 電

23、 特 性 。 因 此 ,可 采 用 石 英 晶 體 材 料 來(lái) 研 制 一 些 微 型 化 的高 精 密 傳 感 器 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (3 )功 能 陶 瓷 材 料 。 近 年 來(lái) ,一 些 新 型 傳 感 器 是 利 用 某 些 精 密陶 瓷 材 料 的 特 殊 功 能 來(lái) 達(dá) 到 測(cè) 量 目 的 的 ,因 此 ,探 索 已 知 材 料 的 新的 功 能 或 研 究 具 有 新 功 能 的 新 材 料 都 對(duì) 研 制 這 類(lèi) 新 型 傳 感 器 有 著十 分 重 要 的 意 義 。 隨 著 材 料 學(xué) 和 物 理 科 學(xué) 的 進(jìn) 步 ,目 前 已 經(jīng) 能 夠 按著 人 為

24、 的 設(shè) 計(jì) 配 方 ,制 造 出 所 要 求 性 能 的 功 能 材 料 。 例 如 氣 體 傳 感器 的 研 制 ,就 可 以 用 不 同 配 方 混 合 的 原 料 ,在 精 密 調(diào) 制 化 學(xué) 成 分 的基 礎(chǔ) 上 ,經(jīng) 高 精 度 成 型 燒 結(jié) 而 成 為 對(duì) 某 一 種 或 某 幾 種 氣 體 進(jìn) 行 識(shí) 別的 功 能 識(shí) 別 陶 瓷 ,用 以 制 成 新 型 氣 體 傳 感 器 。 這 種 功 能 陶 瓷 材 料 的進(jìn) 步 意 義 非 常 大 ,因 為 盡 管 半 導(dǎo) 體 硅 材 料 已 廣 泛 用 于 制 作 各 種 傳 感器 ,但 其 有 著 工 作 上 限 溫 度 低 的

25、 缺 點(diǎn) ,限 制 了 其 應(yīng) 用 范 圍 。 按 上 述方 法 可 自 由 配 方 燒 結(jié) 而 成 的 功 能 陶 瓷 材 料 不 僅 具 有 半 導(dǎo) 體 材 料 的 特 點(diǎn) ,而 且 其 工 作 溫 度 上 限 很 高 ,大 大 地 拓 展 了 其 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 所 以開(kāi) 發(fā) 新 型 功 能 材 料 是 發(fā) 展 傳 感 技 術(shù) 的 關(guān) 鍵 之 一 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 2 )微 機(jī) 械 加 工 工 藝 的 發(fā) 展 傳 感 器 有 逐 漸 小 型 化 、 微 型 化 的 趨 勢(shì) ,這 些 為 傳 感 器 的應(yīng) 用 帶 來(lái) 了 許 多 方 便 。 以 IC 制 造 技 術(shù)

26、發(fā) 展 起 來(lái) 的 微 機(jī) 械 加工 工 藝 可 使 被 加 工 的 敏 感 結(jié) 構(gòu) 的 尺 寸 達(dá) 到 微 米 、 亞 微 米 級(jí) ,并 可 以 批 量 生 產(chǎn) ,從 而 制 造 出 微 型 化 而 價(jià) 格 便 宜 的 傳 感 器 。微 機(jī) 械 加 工 工 藝 主 要 包 括 : (1 )平 面 電 子 加 工 工 藝 技 術(shù) ,如 光 刻 、 擴(kuò) 散 、 沉 積 、 氧 化 、濺 射 等 。 (2 )選 擇 性 的 三 維 刻 蝕 工 藝 技 術(shù) ,如 各 向 異 性 腐 蝕 技 術(shù) 、外 延 技 術(shù) 、 犧 牲 層 技 術(shù) 、 LIGA 技 術(shù) ( X 射 線 深 層 光 刻 ,電 鑄成

27、 型 ,注 塑 工 藝 的 組 合 )等 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (3 )固 相 鍵 合 工 藝 技 術(shù) ,如 Si Si 鍵 合 ,它 是 通 過(guò) 對(duì) 兩 個(gè) 需要 對(duì) 接 基 片 的 表 面 進(jìn) 行 活 化 處 理 ,在 室 溫 下 把 兩 個(gè) 熱 氧 化 硅片 面 對(duì) 面 的 接 觸 ,再 經(jīng) 一 定 溫 度 的 退 火 即 可 使 兩 硅 片 鍵合 為 一 體 ,鍵 合 可 以 實(shí) 現(xiàn) 硅 一 體 化 結(jié) 構(gòu) ,且 強(qiáng) 度 、 氣 密 性 好 。 (4 )機(jī) 械 切 割 技 術(shù) ,制 造 硅 微 機(jī) 械 傳 感 器 時(shí) ,是 把 多 個(gè) 芯 片制 作 在 一 個(gè) 基 片 上

28、 ,因 此 ,需 要 將 每 個(gè) 芯 片 用 分 離 切 斷 技 術(shù) 分割 開(kāi) 來(lái) ,以 避 免 損 傷 和 殘 余 應(yīng) 力 。 (5 )整 體 封 裝 工 藝 技 術(shù) ,將 傳 感 器 芯 片 封 裝 于 一 個(gè) 合 適 的腔 體 內(nèi) ,隔 離 外 界 干 擾 對(duì) 傳 感 器 芯 片 的 影 響 ,使 傳 感 器 工 作 于較 理 想 的 狀 態(tài) 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 3 ) 傳 感 器 的 多 功 能 化 發(fā) 展 一 般 的 傳 感 器 多 為 單 個(gè) 參 數(shù) 測(cè) 量 的 傳 感 器 ,近 年 來(lái) ,出 現(xiàn) 了 利用 一 個(gè) 傳 感 器 實(shí) 現(xiàn) 多 參 數(shù) 測(cè) 量 的 多 功

29、 能 傳 感 器 。 如 一 種 同 時(shí) 檢 測(cè) Na+ 、 K + 和 H + 離 子 的 傳 感 器 ,可 檢 測(cè) 血 液 中 的 鈉 、 鉀 和 氫 離 子的 濃 度 ,對(duì) 診 斷 心 血 管 疾 患 非 常 有 意 義 。 該 傳 感 器 的 尺 寸 為 2.5mm 0.5mm 0. 5mm ,可 直 接 用 導(dǎo) 管 送 到 心 臟 內(nèi) 進(jìn) 行 檢 測(cè) 。 氣 體 傳 感 器 在 多 功 能 方 面 的 進(jìn) 步 最 具 代 表 性 。 如 一 種 多 功 能氣 體 傳 感 器 能 夠 同 時(shí) 測(cè) 量 H 2S 、 C8H 18 、 C10H20O 、 NH3四 種 氣體 。 該 傳 感

30、 器 的 敏 感 結(jié) 構(gòu) 共 有 6 個(gè) 用 不 同 敏 感 材 料 制 成 的 部 分 ,其敏 感 材 料 分 別 是 ZnO 、 SnO2、 WO3 、 ZnO ( Pt )、 WO3 ( Pt )、SnO2( Pb ),它 們 分 別 對(duì) 上 述 四 種 被 測(cè) 氣 體 均 有 響 應(yīng) ,但 其 相 應(yīng) 的 靈敏 度 差 別 很 大 ,利 用 其 從 不 同 敏 感 部 分 輸 出 的 差 異 ,即 可 測(cè) 出 被 測(cè)氣 體 的 濃 度 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 4 )傳 感 器 的 智 能 化 發(fā) 展 隨 著 微 處 理 器 技 術(shù) 的 進(jìn) 步 ,傳 感 器 技 術(shù) 正 在

31、向 智 能 化 方向 發(fā) 展 ,這 也 是 信 息 技 術(shù) 發(fā) 展 的 必 然 趨 勢(shì) 。 所 謂 智 能 化 傳 感器 ,就 是 將 傳 感 器 獲 取 信 息 的 功 能 與 微 處 理 器 的 信 息 分 析 、處 理 等 功 能 緊 密 結(jié) 合 在 一 起 的 傳 感 器 。 由 于 微 處 理 器 具 有 計(jì)算 與 邏 輯 判 斷 功 能 ,故 可 以 方 便 地 對(duì) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 濾 波 、 變 換 、校 正 補(bǔ) 償 、 存 儲(chǔ) 記 憶 、 輸 出 標(biāo) 準(zhǔn) 化 等 ,同 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) 必 要 的 自 診斷 、 自 檢 測(cè) 以 及 通 信 與 控 制 等 功 能 。 此 外 ,近 年

32、 來(lái) ,一 些 專(zhuān) 家 、 學(xué) 者 提 出 了 模 糊 傳 感 器 、 符 號(hào)傳 感 器 的 新 概 念 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 5 )傳 感 器 模 型 及 其 仿 真 技 術(shù) 針 對(duì) 傳 感 器 技 術(shù) 的 發(fā) 展 特 點(diǎn) ,傳 感 器 技 術(shù) 充 分 體 現(xiàn) 了 綜合 性 。 涉 及 敏 感 元 件 輸 入 /輸 出 特 性 規(guī) 律 的 參 數(shù) 越 來(lái) 越 多 、影 響 傳 感 器 輸 入 /輸 出 特 性 的 環(huán) 節(jié) 越 來(lái) 越 多 。 因 此 ,分 析 、 研究 傳 感 器 的 特 性 ,設(shè) 計(jì) 、 研 制 傳 感 器 的 過(guò) 程 ,甚 至 在 選 用 、 對(duì)比 傳 感

33、器 時(shí) ,都 要 對(duì) 傳 感 器 的 工 作 機(jī) 理 進(jìn) 行 有 針 對(duì) 性 的 建 立模 型 和 進(jìn) 行 深 入 細(xì) 致 的 模 擬 計(jì) 算 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 6 )傳 感 器 的 網(wǎng) 絡(luò) 化 傳 感 器 的 網(wǎng) 絡(luò) 化 是 傳 感 器 技 術(shù) 領(lǐng) 域 近 些 年 發(fā) 展 起 來(lái) 的 一項(xiàng) 新 興 技 術(shù) ,它 利 用 TCP / IP協(xié) 議 ,使 現(xiàn) 場(chǎng) 測(cè) 量 數(shù) 據(jù) 就 近 通 過(guò)網(wǎng) 絡(luò) 與 網(wǎng) 絡(luò) 上 有 通 信 能 力 的 節(jié) 點(diǎn) 直 接 進(jìn) 行 通 信 ,實(shí) 現(xiàn) 了 數(shù)據(jù) 的 實(shí) 時(shí) 發(fā) 布 和 共 享 。 由 于 傳 感 器 自 動(dòng) 化 、 智 能 化 水 平

34、 的 提高 ,多 臺(tái) 傳 感 器 聯(lián) 網(wǎng) 已 推 廣 應(yīng) 用 ,虛 擬 儀 器 、 三 維 多 媒 體 等 新技 術(shù) 已 開(kāi) 始 實(shí) 用 化 。 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 化 的 目 標(biāo) 就 是 采 用 標(biāo) 準(zhǔn) 的網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議 ,同 時(shí) 采 用 模 塊 化 結(jié) 構(gòu) 將 傳 感 器 和 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 有 機(jī) 地結(jié) 合 起 來(lái) ,實(shí) 現(xiàn) 信 息 交 流 和 技 術(shù) 維 護(hù) 。 總 之 ,近 年 來(lái) 傳 感 器 技 術(shù) 得 到 了 較 快 的 發(fā) 展 ,同 時(shí) 推 動(dòng) 了各 行 各 業(yè) 各 個(gè) 領(lǐng) 域 的 技 術(shù) 發(fā) 展 與 進(jìn) 步 。 有 理 由 相 信 :傳 感 器 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ,必 將

35、為 信 息 技 術(shù) 領(lǐng) 域 及 其 他 技 術(shù) 領(lǐng) 域 的 新 發(fā) 展 、新 進(jìn) 步 帶 來(lái) 新 的 動(dòng) 力 與 活 力 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 2. 2 傳 感 器 的 一 般 特 性2. 2. 1 傳 感 器 的 靜 態(tài) 特 性 當(dāng) 被 測(cè) 對(duì) 象 處 于 靜 態(tài) ,也 即 傳 感 器 的 輸 入 量 為 常 量 或 隨時(shí) 間 作 緩 慢 變 化 時(shí) ,傳 感 器 輸 出 與 輸 入 之 間 呈 現(xiàn) 的 關(guān) 系 稱(chēng) 為靜 態(tài) 特 性 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 靜 態(tài) 特 性 是 通 過(guò) 在 使 用 前 對(duì) 傳 感 器 進(jìn) 行 標(biāo) 定 或 定 期 校 驗(yàn)獲 得 的 。

36、靜 態(tài) 標(biāo) 準(zhǔn) 工 作 條 件 規(guī) 定 是 指 沒(méi) 有 加 速 度 、 振 動(dòng) 、 沖擊 (除 非 這 些 參 數(shù) 本 身 就 是 被 測(cè) 量 );環(huán) 境 溫 度 一 般 為 室 溫(20 5 ) ;相 對(duì) 濕 度 不 大 于 85% ;大 氣 壓 力 為( 10137 7800 ) Pa ( 760 60 ) mmHg )的 情 況 。 由 高 精 度 輸 入 量 發(fā) 生 器 給 出 一 系 列 數(shù) 值 已 知 的 、 準(zhǔn) 確 的 、不 隨 時(shí) 間 變 化 的 輸 入 量 xi ( i =1 , 2 , n ),用 高 精 度 測(cè) 量 系 統(tǒng)測(cè) 定 被 校 傳 感 器 對(duì) 應(yīng) 輸 出 量 y

37、 i ( i =1 , 2 , n ),從 而 得 出(yi , xi)系 列 值 得 出 的 數(shù) 表 、 曲 線 或 所 求 得 的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 表 征的 被 校 傳 感 器 的 輸 入 輸 出 關(guān) 系 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 1. 靈 敏 度 ( Sensitivity ) 傳 感 器 靈 敏 度 是 傳 感 器 輸 出 變 化 量 與 引 起 此 變 化 的 輸 入變 化 量 之 比 ,表 示 傳 感 器 對(duì) 被 測(cè) 量 變 化 的 反 應(yīng) 能 力 ,如 圖 2 8 所 示 。 圖 2 8 靈 敏 度 第 2 章 傳 感 器 概 述 從 圖 2 8 ( a )可 以

38、看 出 ,線 性 傳 感 器 的 特 性 曲 線 是 一 條直 線 ,其 靈 敏 度 是 該 直 線 的 斜 率 ,為 一 個(gè) 常 數(shù) 。 直 線 的 斜 率 越大 ,線 性 傳 感 器 的 靈 敏 度 K 越 高 ,即 (2 1 ) 從 如 圖 2 8 ( b )可 以 看 出 ,對(duì) 于 非 線 性 傳 感 器 ,其 靈 敏 度 K 是 一 個(gè) 隨 工 作 點(diǎn) 而 變 的 變 量 ,不 是 常 數(shù) ,即 (2 2 ) 第 2 章 傳 感 器 概 述 從 靈 敏 度 定 義 可 知 ,靈 敏 度 是 一 個(gè) 有 量 綱 的 數(shù) 。 當(dāng) 討 論 某一 靈 敏 度 時(shí) ,必 須 確 切 地 說(shuō) 明

39、 它 的 單 位 。 例 如 ,壓 力 傳 感 器 的 靈敏 度 用 K P 表 示 ,單 位 是 mV / Pa 。 若 輸 入 與 輸 出 量 的 量 綱 相同 ,則 靈 敏 度 無(wú) 量 綱 ,此 時(shí) 常 用 “ 放 大 倍 數(shù) ” 一 詞 代 替 靈 敏 度 。當(dāng) 某 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 是 由 靈 敏 度 分 別 為 K1、 K2、 K3等 多 個(gè) 相 互 獨(dú) 立的 環(huán) 節(jié) 組 成 時(shí) ,系 統(tǒng) 的 總 靈 敏 度 K為 (2 3 ) 式 (2-3 )表 明 某 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 的 總 靈 敏 度 等 于 各 個(gè) 環(huán) 節(jié) 靈 敏 度的 乘 積 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 2. 線

40、性 度 ( Linearity ) 傳 感 器 的 線 性 度 是 指 傳 感 器 的 輸 出 與 輸 入 之 間 數(shù) 量 關(guān) 系的 線 性 程 度 。 從 傳 感 器 的 性 能 來(lái) 看 ,希 望 其 輸 出 與 輸 入 的 關(guān)系 具 有 線 性 特 性 ,這 樣 可 以 使 顯 示 儀 表 刻 度 均 勻 ,在 整 個(gè) 測(cè) 量范 圍 內(nèi) 具 有 相 同 的 靈 敏 度 ,并 且 不 必 采 用 線 性 化 環(huán) 節(jié) ,從 而 簡(jiǎn)化 傳 感 器 的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 。 但 實(shí) 際 的 傳 感 器 由 于 存 在 著 遲 滯 、 蠕變 、 摩 擦 等 因 數(shù) 的 影 響 ,使 輸 出 與 輸 入

41、 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系 為 非 線 性 ,為 了 標(biāo) 定 和 數(shù) 據(jù) 處 理 方 便 ,要 對(duì) 傳 感 器 的 輸 出 與 輸 入 的 關(guān) 系曲 線 進(jìn) 行 線 性 化 處 理 。 在 被 測(cè) 量 處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 時(shí) ,若 傳 感 器 的 非 線 性 不 嚴(yán) 重 ,輸入 量 變 化 范 圍 較 小 時(shí) ,可 用 一 條 直 線 (切 線 或 割 線 )近 似 地 代 表 實(shí) 際 曲 線 的 一 段 ,使 傳 感 器 的 輸 入 輸 出 特 性 線 性 化 ,這 種 方 法叫 擬 合 直 線 法 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 傳 感 器 的 線 性 度 也 稱(chēng) 為 非 線 性 誤 差

42、 L ,其 表 示 方 法 是 在全 量 程 范 圍 內(nèi) 實(shí) 際 特 性 曲 線 與 擬 合 直 線 之 間 的 最 大 偏 差 值 Lmax與 滿(mǎn) 量 程 輸 出 值 Y FS ( FS 是 FullScale 滿(mǎn) 量 程 的 縮 寫(xiě) )之比 的 百 分 數(shù) 來(lái) 表 示 ,即 (2 4)顯 然 ,選 取 的 擬 合 直 線 不 同 ,所 得 的 線 性 度 值 也 不 同 。 選 擇 擬 合直 線 應(yīng) 保 證 獲 得 盡 量 小 的 非 線 性 誤 差 ,并 考 慮 使 用 與 計(jì) 算 方 便 。常 用 的 擬 合 直 線 方 法 有 以 下 幾 種 : (1 )理 論 直 線 法 。 通

43、常 取 零 點(diǎn) ( 0% )為 起 始 點(diǎn) ,滿(mǎn) 量 程 輸 出(100% )為 終 止 點(diǎn) ,連 接 這 兩 點(diǎn) 的 直 線 (y = kx )即 為 理 論 直 線 。 如圖 2 9 ( a )所 示 ,以 傳 感 器 的 理 論 特 性 線 作 為 擬 合 直 線 ,它 與 實(shí) 際 測(cè) 試 值 無(wú) 關(guān) 。 該 方 法 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 簡(jiǎn) 單 、 方 便 ,但 通 常 Lmax很 大 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (2 )端 點(diǎn) 線 法 。 取 傳 感 器 標(biāo) 定 出 的 零 點(diǎn) 輸 出 平 均 值 為 起始 點(diǎn) ,滿(mǎn) 量 程 輸 出 平 均 值 為 終 止 點(diǎn) ,連 接 這 兩 點(diǎn)

44、 的 直 線 (y =a0 + kx )為 端 基 擬 合 直 線 。 如 圖 2-9 ( b )所 示 ,以 此 直 線 為 基 準(zhǔn) 可計(jì) 算 出 實(shí) 際 曲 線 與 擬 合 曲 線 的 偏 差 程 度 。 這 種 方 法 很 簡(jiǎn) 便 ,但 Lmax也 很 大 。 (3 )端 點(diǎn) 平 移 法 。 以 傳 感 器 校 準(zhǔn) 曲 線 兩 端 點(diǎn) 間 的 連 線 平移 所 得 的 直 線 作 擬 合 直 線 ,該 直 線 能 保 證 傳 感 器 正 反 行 程 校準(zhǔn) 曲 線 對(duì) 它 的 正 、 負(fù) 偏 差 相 等 并 且 最 小 ,如 圖 2-9 (c )所 示 。 (4 )最 小 二 乘 法 。

45、這 種 方 法 按 最 小 二 乘 原 理 求 取 擬 合 直線 ,該 直 線 能 保 證 傳 感 器 校 準(zhǔn) 數(shù) 的 殘 差 平 方 和 最 小 。 雖 然 最小 二 乘 法 的 擬 合 精 度 很 高 ,但 校 準(zhǔn) 曲 線 相 對(duì) 擬 合 直 線 的 最 大 偏 差 絕 對(duì) 值 并 不 一 定 最 小 ,最 大 正 、 負(fù) 偏 差 的 絕 對(duì) 值 也 不 一定 相 等 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 9 不 同 的 擬 合 方 法 第 2 章 傳 感 器 概 述 3. 遲 滯 ( H ysteresis ) 傳 感 器 的 遲 滯 特 性 是 在 輸 入 量 由 小 到 大 (

46、正 行 程 )及 輸入 量 由 大 到 小 (反 行 程 )變 化 期 間 其 輸 入 輸 出 特 性 曲 線 出 現(xiàn)的 不 重 合 程 度 。 也 就 是 說(shuō) ,盡 管 輸 入 為 同 一 輸 入 量 ,但 輸 出信 號(hào) 的 大 小 卻 不 相 等 ,這 個(gè) 差 值 稱(chēng) 為 遲 滯 誤 差 H ,如 圖2 10 所 示 。 傳 感 器 的 遲 滯 誤 差 的 表 示 方 法 是 用 正 、 反 向 輸 出 量 的 最大 偏 差 H max與 滿(mǎn) 量 程 輸 出 YFS的 之 比 的 百 分 數(shù) 來(lái) 表 示 ,即(2 5 ) 第 2 章 傳 感 器 概 述 4. 重 復(fù) 性 ( Repeata

47、bility ) 重 復(fù) 性 是 指 傳 感 器 在 輸 入 量 按 同 一 方 向 作 全 量 程 連 續(xù) 多次 變 化 時(shí) ,所 得 特 性 曲 線 不 一 致 的 程 度 。 各 條 特 性 曲 線 越 靠近 ,則 說(shuō) 明 重 復(fù) 性 越 好 。 傳 感 器 輸 出 特 性 曲 線 的 重 復(fù) 特 性 如 圖 2 11 所 示 。 圖 2 11 中 ,正 行 程 的 最 大 重 復(fù) 性 偏 差 為 Rmax1,反 行 程的 最 大 重 復(fù) 性 偏 差 為 Rmax2 。 傳 感 器 的 重 復(fù) 性 也 稱(chēng) 為 重 復(fù)誤 差 R ,其 表 示 方 法 是 重 復(fù) 性 偏 差 (取 這 兩

48、個(gè) 最 大 偏 差 中 之 較大 者 為 Rmax)與 滿(mǎn) 量 程 輸 出 YFS之 比 的 百 分 數(shù) ,即 ( 2 6 ) 第 2 章 傳 感 器 概 述2. 2. 2 傳 感 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 1. 傳 感 器 的 頻 率 響 應(yīng) 特 性 由 控 制 理 論 可 知 ,在 初 始 條 件 為 零 時(shí) ,傳 感 器 輸 出 的 傅 里葉 變 換 和 輸 入 的 傅 里 葉 變 換 之 比 ,即 為 頻 率 響 應(yīng) 函 數(shù) 。 這 樣傳 感 器 的 頻 率 響 應(yīng) 函 數(shù) 為 (2 7 )式 中 , a 0 、 a1 、 、 an 及 b0 、 b1 、 、 bm 是 與 傳 感 器

49、結(jié) 構(gòu) 特性 有 關(guān) 的 常 數(shù) 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 12 典 型 對(duì) 數(shù) 幅 頻 特 性 第 2 章 傳 感 器 概 述2. 傳 感 器 的 階 躍 響 應(yīng) 特 性當(dāng) 給 靜 止 的 傳 感 器 輸 入 一 個(gè) 單 位 階 躍 信 號(hào)時(shí) ,其 輸 出 信 號(hào) 稱(chēng) 為 階 躍 響 應(yīng) 。 衡 量 階 躍 響 應(yīng) 的 指 標(biāo) 如 圖 2 13 所 示 ,模 擬 傳 感 器 的 動(dòng) 態(tài) 特 性 指 標(biāo) 如 表 2 5 所 示 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 13 一 階 、 二 階 系 統(tǒng) 的 階 躍 響 應(yīng) 曲 線 第 2 章 傳 感 器 概 述 第 2 章

50、傳 感 器 概 述2. 3 傳 感 器 的 性 能 指 標(biāo)2. 3. 1 傳 感 器 的 主 要 性 能 指 標(biāo) 傳 感 器 的 優(yōu) 劣 一 般 通 過(guò) 若 干 主 要 性 能 指 標(biāo) 來(lái) 表 征 。 除 了前 面 已 介 紹 的 特 性 參 數(shù) ,如 線 性 度 、 遲 滯 、 重 復(fù) 性 、 靈 敏 度 、頻 率 特 性 、 階 躍 響 應(yīng) 特 性 外 ,還 常 用 測(cè) 量 范 圍 、 量 程 、 零 位 、分 辨 力 、 閾 值 、 輸 入 /輸 出 電 阻 、 穩(wěn) 定 性 、 漂 移 、 準(zhǔn) 確 度 、過(guò) 載 能 力 、 可 靠 性 以 及 與 環(huán) 境 相 關(guān) 的 參 數(shù) 、 使 用

51、條 件 等 。 (1 )測(cè) 量 范 圍 ( MeasuringRange ):傳 感 器 所 能 測(cè) 量 到 的 最小 輸 入 量 X min 與 最 大 輸 入 量 X max之 間 的 范 圍 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (2 )量 程 ( Span ):又 稱(chēng) “ 滿(mǎn) 度 值 ” ,表 征 傳 感 器 測(cè) 量 范 圍的 上 限 值 Xmax與 下 限 值 Xmin 的 代 數(shù) 差 Xmax - Xmin ;當(dāng) 輸 入 量在 量 程 范 圍 以 內(nèi) 時(shí) ,傳 感 器 正 常 工 作 ,并 保 證 預(yù) 定 的 性 能 。 (3 )零 位 ( Zero ):當(dāng) 輸 入 量 為 零 時(shí)

52、,傳 感 器 的 輸 出 量 不 為 零的 數(shù) 值 。 零 位 值 應(yīng) 從 測(cè) 量 結(jié) 果 中 設(shè) 法 消 除 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (4 )分 辨 力 ( Resolution ):表 征 傳 感 器 能 檢 測(cè) 到 被 測(cè) 量 的最 小 變 化 量 的 能 力 ,是 一 個(gè) 有 量 綱 的 數(shù) 。 即 被 測(cè) 量 的 變 化 小于 分 辨 力 ,則 傳 感 器 無(wú) 反 應(yīng) 。 對(duì) 于 數(shù) 字 式 傳 感 器 或 儀 表 ,一 般可 以 認(rèn) 為 其 指 示 值 的 最 后 一 位 數(shù) 值 就 是 它 的 分 辨 力 。 例 如 ,當(dāng) 某 位 (常 稱(chēng) 3 位 半 )數(shù) 字 式

53、電 子 溫 度 計(jì) 的 示 值 +180.6 ,該 溫 度 計(jì) 的 分 辨 力 為 0. 1 ,則 被 測(cè) 溫 度 的 變 化 量 小 于 0.1 時(shí) ,數(shù) 字 式 溫 度 計(jì) 的 最 后 一 位 數(shù) 不 變 ,仍 指 示 原 值 。 將分 辨 力 除 以 儀 表 的 滿(mǎn) 度 量 程 ,再 以 百 分 數(shù) 表 示 時(shí) 則 稱(chēng) 為 分 辨率 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (5 )閾 值 ( Threshold ):表 征 當(dāng) 一 個(gè) 傳 感 器 的 輸 入 從 零 開(kāi) 始極 緩 慢 地 增 加 ,能 使 傳 感 器 的 輸 出 端 產(chǎn) 生 可 測(cè) 變 化 量 的 最 小被 測(cè) 輸 入 量

54、值 ,即 零 點(diǎn) 附 近 的 分 辨 力 。 有 的 傳 感 器 在 零 位附 近 有 嚴(yán) 重 的 非 線 性 ,形 成 所 謂 “ 死 區(qū) ” ( DeadBand ),則 將 死區(qū) 的 大 小 作 為 閾 值 ;更 多 情 況 下 ,閾 值 主 要 取 決 于 傳 感 器 噪 聲的 大 小 ,因 而 有 的 傳 感 器 只 給 出 了 噪 聲 電 平 。 閾 值 大 的 傳感 器 其 遲 滯 誤 差 一 定 大 ,而 分 辨 力 未 必 差 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (6 )輸 入 與 輸 出 電 阻( InputResistanceandOutputResistance ):輸

55、 入 電 阻 與 輸 出 電 阻對(duì) 于 組 成 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 的 各 環(huán) 節(jié) 甚 為 重 要 。 前 一 環(huán) 節(jié) 的 輸 出 電 阻相 當(dāng) 于 后 一 環(huán) 節(jié) 的 信 號(hào) 源 內(nèi) 阻 ,后 一 環(huán) 節(jié) 的 輸 入 電 阻 相 當(dāng) 于前 面 環(huán) 節(jié) 的 負(fù) 載 。 若 希 望 前 級(jí) 輸 出 信 號(hào) 無(wú) 損 失 地 傳 送 給 后級(jí) ,根 據(jù) 全 電 路 歐 姆 定 律 可 知 信 號(hào) 源 的 內(nèi) 阻 應(yīng) 為 零 ,即 前 級(jí) 環(huán)節(jié) 對(duì) 后 級(jí) 環(huán) 節(jié) 而 言 相 當(dāng) 于 理 想 電 壓 源 ,其 內(nèi) 阻 即 輸 出 電 阻 應(yīng)為 0 ;后 續(xù) 輸 入 電 阻 承 接 了 全 部 電 壓 信

56、號(hào) ,故 輸 入 電 阻 理 想 值為 。 這 樣 前 后 環(huán) 節(jié) 為 獨(dú) 立 環(huán) 節(jié) ,各 環(huán) 節(jié) 之 間 不 需 要 阻 抗 變換 器 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (7 )穩(wěn) 定 性 ( Stability ):傳 感 器 在 相 當(dāng) 長(zhǎng) 時(shí) 間 內(nèi) 仍 保 持 其性 能 的 能 力 。 測(cè) 試 時(shí) 先 將 傳 感 器 輸 出 調(diào) 至 零 點(diǎn) 或 某 一 特 定 點(diǎn) ,相 隔 4h 、 8h 或 一 定 的 工 作 次 數(shù) 后 ,再 讀 出 輸 出 值 ,前 后 兩次 輸 出 值 之 差 即 為 穩(wěn) 定 性 誤 差 。 穩(wěn) 定 性 一 般 以 室 溫 條 件 下 經(jīng)過(guò) 規(guī) 定 時(shí)

57、間 間 隔 后 ,傳 感 器 的 輸 出 與 起 始 標(biāo) 定 時(shí) 的 輸 出 之 間的 差 異 來(lái) 表 示 ,有 時(shí) 也 有 用 標(biāo) 定 的 有 效 期 來(lái) 表 示 ;可 用 相 對(duì)誤 差 表 示 ,也 可 用 絕 對(duì) 誤 差 表 示 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 (8 )漂 移 ( Drift ):在 外 界 的 干 擾 下 ,在 一 定 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) ,傳感 器 輸 出 量 存 在 著 有 與 被 測(cè) 輸 入 量 無(wú) 關(guān) 的 、 不 需 要 的 變 化 。漂 移 包 括 零 點(diǎn) 漂 移 (表 明 零 點(diǎn) 不 穩(wěn) 定 的 漂 移 )與 靈 敏 度 漂 移 (表明 靈 敏 度 有

58、變 化 的 漂 移 ),如 圖 2 14 所 示 。 零 點(diǎn) 漂 移 或 靈 敏 度 漂 移 又 可 分 為 時(shí) 間 漂 移 (時(shí) 漂 )和 溫 度漂 移 (溫 漂 )。 時(shí) 漂 是 指 在 規(guī) 定 條 件 下 ,零 點(diǎn) 或 靈 敏 度 隨 時(shí) 間 的緩 慢 變 化 ;溫 漂 為 周 圍 溫 度 變 化 引 起 的 零 點(diǎn) 或 靈 敏 度 漂 移 。測(cè) 試 時(shí) 先 將 傳 感 器 置 于 一 定 的 溫 度 (如 室 溫 )下 ,將 其 輸 出 調(diào) 至零 點(diǎn) 或 某 一 特 定 點(diǎn) ,使 溫 度 上 升 或 下 降 一 定 的 度 數(shù) (如 5 或 10 )再 讀 出 輸 出 值 ,前 后 兩

59、 次 輸 出 值 之 差 即 為 溫 漂 誤 差 。 漂移 反 映 了 傳 感 器 工 作 的 穩(wěn) 定 性 ,對(duì) 于 需 要 長(zhǎng) 時(shí) 間 運(yùn) 行 的 傳 感 器 ,這 個(gè) 指 標(biāo) 更 為 重 要 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 圖 2 14 傳 感 器 的 漂 移 第 2 章 傳 感 器 概 述 第 2 章 傳 感 器 概 述 (9 )精 度 ( Accuracy ):表 征 傳 感 器 在 其 全 量 程 內(nèi) 任 一 點(diǎn) 的輸 出 值 與 其 理 論 輸 出 值 的 偏 離 程 度 ,是 評(píng) 價(jià) 傳 感 器 靜 態(tài) 性 能的 綜 合 性 指 標(biāo) 。 測(cè) 量 誤 差 越 小 ,傳 感 器

60、的 精 度 越 高 。 傳 感 器 的 精 度 S 用 其 量 程 范 圍 內(nèi) 的 最 大 基 本 誤 差 與 滿(mǎn)度 量 程 輸 出 之 比 的 百 分 數(shù) 來(lái) 表 示 ,基 本 誤 差 是 傳 感 器 在 規(guī) 定的 正 常 工 作 條 件 下 所 具 有 的 測(cè) 量 誤 差 ,由 系 統(tǒng) 誤 差 和 隨 機(jī) 誤差 兩 部 分 組 成 。 其 遲 滯 誤 差 與 線 性 誤 差 所 表 示 的 誤 差 為 傳 感器 的 系 統(tǒng) 誤 差 ,重 復(fù) 性 所 表 示 的 誤 差 為 隨 機(jī) 誤 差 ,即 (2 8 )式 中 , x為 測(cè) 量 范 圍 內(nèi) 允 許 的 最 大 基 本 誤 差 。 第 2

61、 章 傳 感 器 概 述 (10 )過(guò) 載 能 力 ( Overloadcapacity ):表 征 傳 感 器 在 不 致 引起 規(guī) 定 性 能 指 標(biāo) 永 久 改 變 的 條 件 下 ,允 許 超 過(guò) 測(cè) 量 范 圍 的 能力 。 一 般 用 被 測(cè) 量 超 過(guò) 測(cè) 量 上 限 (或 下 限 )的 允 許 值 與 量 程 的百 分 比 。 (11 )可 靠 性 ( Reliability ):傳 感 器 在 規(guī) 定 工 作 條 件 下 和 規(guī)定 時(shí) 間 內(nèi) 保 持 原 技 術(shù) 性 能 的 能 力 ,包 括 工 作 壽 命 、 平 均 無(wú) 故障 時(shí) 間 、 保 險(xiǎn) 期 、 疲 勞 性 能 、

62、 絕 緣 電 阻 、 耐 壓 等 指 標(biāo) 。發(fā) 生 故 障 的 速 率 用 平 均 無(wú) 故 隨 時(shí) 間 MTBFMeanTimeBetweenFailures )來(lái) 估 計(jì) 。 (2 9 ) 例 如 ,某 傳 感 器 在 90000h 的 運(yùn) 行 中 發(fā) 生 了 12 次 故 障 ,則MTBF=90000/12=7500h 。 MTBF 說(shuō) 明 發(fā) 生 一 次 故 障 的 平 均 時(shí) 間 間 隔 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 單 位 時(shí) 間 內(nèi) (一 般 以 小 時(shí) 計(jì) )發(fā) 生 故 障 的 平 均 次 數(shù) 稱(chēng) 為 平均 故 障 率 ,用 表 示 : (2 10 ) 根 據(jù) 傳 感 器

63、所 用 元 件 的 各 自 故 障 率 和 元 件 所 處 不 同 工 作 條 件(工 作 強(qiáng) 度 )和 加 權(quán) 系 數(shù) ,可 以 計(jì) 算 出 儀 表 的 故 障 率 ,從 而 得 到 儀 表 的 MTBF 。 此 外 ,儀 表 的 MTBF 也 可 直 接 通 過(guò) 可 靠 性 實(shí) 驗(yàn) 或 現(xiàn) 場(chǎng) 運(yùn) 行等 實(shí) 驗(yàn) 方 法 來(lái) 估 計(jì) 。 在 選 用 傳 感 器 時(shí) ,不 應(yīng) 片 面 追 求 其 線 性 度 要 好 、 靈 敏 度 要 高 、遲 滯 要 小 、 重 復(fù) 性 要 優(yōu) 、 分 辨 力 要 強(qiáng) ,而 是 要 根 據(jù) 檢 測(cè) 的 具 體 要 求 ,首 先 保 證 主 要 性 能 指 標(biāo)

64、 。 一 般 傳 感 器 的 工 作 要 求 是 :高 精 度 、 低 成本 、 高 靈 敏 度 、 穩(wěn) 定 性 好 、 工 作 可 靠 、 抗 干 擾 能 力 強(qiáng) 、 動(dòng) 態(tài) 特 性 良好 、 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 使 用 維 護(hù) 方 便 、 功 耗 低 等 。 特 別 應(yīng) 注 意 穩(wěn) 定 性 指 標(biāo) , 這 樣 才 有 可 能 利 用 電 路 或 計(jì) 算 機(jī) 對(duì) 傳 感 器 誤 差 進(jìn) 行 補(bǔ) 償 或 修 正 ,使傳 感 器 成 本 低 又 能 達(dá) 到 較 高 精 度 。 第 2 章 傳 感 器 概 述 第 2 章 傳 感 器 概 述 第 2 章 傳 感 器 概 述 第 2 章 傳 感 器

65、概 述2. 3. 2 傳 感 器 工 作 要 求 各 種 傳 感 器 的 變 換 原 理 、 結(jié) 構(gòu) 、 使 用 目 的 、 環(huán) 境 條 件 雖 各 不 相同 ,但 對(duì) 它 們 的 主 要 性 能 要 求 都 是 一 致 的 。 這 些 主 要 性 能 要 求 如 下 : (1 )足 夠 的 容 量 :傳 感 器 的 工 作 范 圍 或 量 程 足 夠 大 ;具 有 一 定 的 過(guò)載 能 力 。 (2 )靈 敏 度 高 ,精 度 適 當(dāng) :傳 感 器 的 輸 出 信 號(hào) 與 被 測(cè) 信 號(hào) 有 確 定 的關(guān) 系 (通 常 為 線 性 ),且 比 值 要 大 ;傳 感 器 的 靜 態(tài) 響 應(yīng) 與

66、 動(dòng) 態(tài) 響 應(yīng) 的 準(zhǔn)確 度 能 滿(mǎn) 足 要 求 。 (3 )響 應(yīng) 速 度 快 ,工 作 穩(wěn) 定 ,可 靠 性 好 。 (4 )使 用 性 和 適 應(yīng) 性 強(qiáng) :體 積 小 ,重 量 輕 ,動(dòng) 作 能 量 小 ,對(duì) 被 測(cè) 對(duì) 象 的 狀 態(tài) 影 響 小 ;內(nèi) 部 噪 聲 小 而 又 不 易 受 外 界 干 擾 的 影 響 ;其 輸 出 力 求采 用 通 用 或 標(biāo) 準(zhǔn) 形 式 ,以 便 與 系 統(tǒng) 對(duì) 接 。 (5 )使 用 經(jīng) 濟(jì) :成 本 低 ,壽 命 長(zhǎng) ,便 于 使 用 、 維 修 和 校 準(zhǔn) 。 第 2 章 傳 感 器 概 述2. 3. 3 改 善 傳 感 器 性 能 的 主 要 技 術(shù) 途 徑 1. 穩(wěn) 定 性 技 術(shù) 傳 感 器 作 為 長(zhǎng) 期 測(cè) 量 或 反 復(fù) 使 用 的 元 件 ,其 穩(wěn) 定 性 尤 為重 要 ,甚 至 超 過(guò) 精 度 指 標(biāo) 。 因 為 后 者 只 要 知 道 誤 差 的 規(guī) 律 就可 進(jìn) 行 補(bǔ) 償 或 修 正 ,前 者 則 不 然 。 造 成 傳 感 器 不 穩(wěn) 定 的 原 因 是 隨 時(shí) 間 推 移 或 環(huán) 境 條 件 變 化 ,構(gòu) 成