先进传感器技术

电阻式温度传感器
•半导体温度传感器
热敏电阻：由MnO,NiO等金属氧化物制成的陶瓷半导体，
其阻值随温度变化大，灵敏度高，响应快，体积小， 成本低，广泛应用。缺点是线性度差，难以作精密测 量。典型温度为-60—300 ℃,最高温度可到600 ℃ 温敏二极管（或晶体管）：利用晶体管的PN结的结电 压与温度具有良好的线形关系制成。 将温敏二极管与外围电路集成制成集成化温度传感器， 具有小型化、方便和成本低廉。广泛应用
y( t ) A0 x( t 0 )
A0和0为常数，则输出波形无失真的复现输入波形。
Y ( j ) A0e j 0 X ( j )
Y ( j ) H ( j ) A0e j0 X ( j )
即 A() = A0 = 常数 () = - 0
先进传感技术
课程内容
1 2 3 4 5 5 6 7 绪论 传感理论基础 传感器构成论 传感器的应用基础 压电式传感器 超声波传感器 光电式传感器 光纤测量技术 2 4 4 4 4 2 4 4
2
2
第二章 传感理论基础
2.1 2.2 2.3 信息获取与信息感知 自然规律与传感器 传感器的基础效应
工作寿命 保修期 保险期 平均无故障时 间 绝缘电阻 耐压水平等
3 传感器
3. 传感器的基本要求
具备能量转化功能，能监测出反映设备状态 特征量的变化 具有良好的静态特性和动态特性。
静态特性：灵敏度、分辨率、线形度、准确度、 稳定性等 动态特性：频率特性，响应速度等
对被测设备影响小，吸收待测系统能量小 可靠性好、寿命长
传感器工作原理
测量环境 被测信号 检出器
输入匹配
放大、变换
输出
xi
狭义传感器 广义传感器 信号预处理部分
yo
红外辐射传感器
1．红外辐射：红光以外的光线，波长0.76～1000μm。
近 0.01 0.39 中 远 1000 微 波 无 线 微 波
105 106
紫外线 X射线
0.76 2.5 25 可 见 红外线 光
•光纤温度传感器
传光型、功能型 抗干扰力强，可测高电位及设备内部温度
拉曼散射效应（振幅调制）
旋光效应（相位调制）
相位变化（干涉法）
相位变化（反射法）
•红外温度传感器
把被测物体红外辐射的能量转换为相应的电信号
测量设备表面的温度、生成温度分布的热象图 特点：夜视性、透烟雾性、非接触性、反应快 目前已广泛应用于导线、CT/PT、套管等接头、电 缆终端、零值绝缘子、断路器内部缺陷、电容发热、 避雷器温度分布、变压器、发电机过热等
传感器的特性
理想传感器
y = kx
非线性传感器
y = f(x )
f(x) 通常是单调的.
实际传感器
y=f(x,N)
N 为环境变量，包括温度、湿度、振动、大 气情况等。
传感器在任一基准状态（x0 , N0）处的变化
f S F ( x0 , N 0 ) x
传感器灵敏度 传感器的漂移
线性度
max eL 100% y FS
o
max
xm x
y
ຫໍສະໝຸດ Baidu
y
o
x
o
x
(a) y = a1x
y
(b) y = a2x2+ a4x4 + •••
y
o
x
o
x
(c) y = a3x3+ a5x5 + ••• (d) y = a1x1+ a2x2+ a3x3 •••
迟滞效应
迟滞效应表示在输入值增长（正行程）或减小 （逆行程）过程中，统一输入量得到不同的输出。 迟滞大小通常由实验确定： H=(yH)max / yFS *100%
2 2 2
2. 统计法
将系统误差与随机误差进行综合。 系统误差的极限值(y)max为实测曲线相对拟合 直线的最大偏差。 随机误差以标准偏差的形式给出，
2 ( y ) i i 1 P
一次测量共m点 共进行n次测量 P=m· n
标准偏差

P 1
=2~3
综合静态误差
( y) max es 100% yFS
传感器的传递函数
H ( S ) L[h( t )] L[ y( t )] Y ( S ) L[ x ( t )] X ( S )
b0 b1S bm 1S m 1 bm S m a0 a1S an1S n1 an S n
•振动传感器
位移传感器 在探头上产生电磁场，当被测表面与探头之间发生 相对位移时，系统能量发生变化。广泛用于重型电 机机座的振动和偏心度 速度传感器 测10Hz-1kHz内的振动最有效。发生振动时，传感 器的外壳和线圈与磁铁块之间发生相对位移，线圈 中产生感应电势。特点是输出信号大,缺点是不够 坚固,常用于测量电机振动的总均方值
f f y x N x N
f y 0 N N
传感器的静态特性
静态特性表示传感器在输入量处于稳定状态时 的输出-输入关系。 环境要求 可测量范围 线性度 迟滞效应 输出特性 分辨率 稳定性 静态误差
使用环境要求
温度范围 湿度范围
传感器无失真条件为：幅频特性应当是常数； 相频特性应当是线性关系。
传感器基本性能指标
基本参数 量程指标 量程、过载能力。 灵敏度指标 灵敏度、分辨率、 满量程输出、输入输 出阻抗。 精度指标 误差、线性度、 重复性、阈值、 稳定 性。 动态性能指标 频率特性、时间常 数、阻尼系数、响应 时间、衰减率等 环境参数 温度指标 工作温度范 围 温度漂移 抗振指标 抗振幅度 冲振允许频 率 大气环境 湿度 气压 可靠性指标 其他指标 电源 供电方式 电源电压 电源稳定 性 功耗 结构 外形尺寸 重量 材质 安装方式
任意信号都可通过傅立叶变换分解成 正弦信号 各次谐波来分析。主要用于分析系统 的频率特性，称为“频率响应法”。 阶跃信号是瞬间突变信号，是测试信 号中最难以复现的一种，主要用于分 析系统的时域特性，称为“瞬态响应 法”
标准测试信号 阶跃信号
1. 传感器的频率响应特性
当输入信号为正弦时，且传感器是稳定的则可用j 代替传感器传递函数H(s)中的变量s。
传统传感器
温度
光强度 机械振动
热电偶
光电二极管 超声传感器 罗克夫斯基线圈 气体传感器 电感式位移传感器 电容式液位计 水晶厚度传感 器
直流电压 直流电流
交流电压 交流电流 电阻 电感 电容 频率
放电脉冲
气体含量 位移 液位 厚度
温度传感器
热电偶
原理：利用温差电效应，将两种不同金属丝（或 半导体）两端连接起来，在其回路中就会产生热 电动势。 特点：结构简单，对待测物温度影响小、热容小， 响应快，测量范围为-273～3000℃ 缺点：灵敏度低、重复性差、线形差 例如，铜-康铜热电偶，测量范围-250～400℃； 在400时热电动势为20mV。
（2）相频特性
2. 传感器的瞬态响应特性
x
xi
y b a t trs
yo
t
tst

上升时间trs：由稳定值的10%到90%所需时间。


响应时间tst ：由开始输入到输出稳定所需的时间。
过调量（过冲）：第一次超过稳定值出现的最大偏差。 衰减度 ：振荡幅值衰减的速度。
传感器无失真检测条件
如果传感器的输出y ( t )和x ( t ) 输入满足以下关系
2.4
2.5
传感器的新型敏感材料
弹性敏感元件
什么是传感器？
对反映表征事物或现象状态的物理量（如电、热、机 械、化学等各种能量形式的信息）进行变送和转换的 器件或装置。
传感什么？
脉冲电流
超声波 电信号 远红外 温度 气体含量
类型
功能：温度、湿度、振动、电流、电压（场）、气体 浓度等等 转换过程能量来源：有源型和无源型 发展阶段：结构型、物性型、智能传感器
零点漂移 灵敏度漂移
漂移的指标

静态误差
是评价传感器静态特性的综合指标，指传感器在满 量程内，任一点输出值相对其理论值的可能偏离程度。 1. 误差合成 将非线性误差eL、滞后误差eH和重复性误差eR进行 综合。 代数法 几何法
e s ( e L e H e R )
es ( e L e H e R )
Y ( j ) b0 b1 ( j ) bm 1 ( j ) m 1 bm ( j ) m H ( j ) X ( j ) a0 a1 ( j ) an1 ( j ) n1 an ( j ) n
因此，可将H( j )定义为传感器的频率响应特性
y
(yh )max
o
x
输出特性
传感器的输出特性主要参数为输出阻抗Zo Zo =
输出开路电压 输出短路电流
输出阻抗是衡量传感器带负载能力的重 要参数，一般要求输出阻抗越小越好。
稳定性
稳定性指传感器在长时间内保持原有性能的能力。 漂移 y =f ( x, t ,T )


t — 时间 T — 温度


0
y( t )e jt dt x ( t )e jt dt
0
H ( j ) H ( j ) e j A( )e j
（1）幅频特性: 增益A — 传感器对检测信号的放大或衰减倍率。 带宽 — 传感器的增益保持在一定值上的频率范围。 时间常数 ：一阶传感器特征量， 越小，频带越 宽。 固有频率0：二阶传感器特征量。
x ( t ) y ( t )
i 1 i i 1 i
n
n
因此，分析线性时不变系统时，总是可以将复杂 的激励信号分解成若干简单的激励。 频率保持特性 当线性时不变系统的输入为某一频率时，则系 统的稳态响应也为同频信号。
传感器的动态模型
dy d n1 y dny a0 y a1 an1 n1 an n dt dt dt dx d m1 x dmx b0 x b1 bm1 m1 bm m dt dt dt
1010 109 108 107 106 105 104 103 102 101
1
101
102
103
104
波长/μm
任何温度高于绝对零度（-273.16℃）的物体，都会发射或 吸收红外线，即红外辐射。当达到热平衡时，散发和吸收的辐 射一样多。物体红外辐射的强度和波长分布取决于物体的温度 和辐射率等。
传感器动态特性
由于传感器总存在惯性、阻尼等因素，使传感 器的输出不仅与输入量有关，而且与输入量的变化 速度和加速度有关。
y=f(x,N)
y ( t )= f [ x( t ), N( t ) ]
动态模型
传递函数 传感器无失真检测条件
动态模型
传感器简化为线性常系数时不变系统，因此传感 器具有以下两个重要特性： 可加性
x
b0 b1S bm1S m1 bm S m a0 a1S an1S n1 an S n
y
动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响 应特性，我们总是希望传感器的输出量随时间的变化 关系能够完全复现输入量随时间的变化关系。 实际的被测信号是多种多样的，无法一一模仿。 工程上通常采用标准信号函数的方法来评定传感器的 动态特性指标。
系数a0, a1, •••, an和b0, b1, •••, bn均与传感器 的结构有关
传递函数
如果y(t)是时间变量t 的函数，并且当t 0时，y(t) =0，则函数y(t)的拉普拉斯变换 Y(S)的定义为 St
Y ( S ) y( t )e dt
0
传感器的动态模型的拉氏变换
Y ( S )( a0 a1S an1S n1 an S n ) X ( S )( b0 b1S bm1S m1 bm S m )
海拔高度或大气压
振动
可测量范围
任何传感器都有其相应的测量范围：
xm xH xL
如果超过传感器的上限 xH 响应的线性性变差 传感器损坏
如果低于传感器的下限 xL
低于噪声或误差限制，y f(x)
线性度
灵敏度 S=dy/dx 线性传感器灵敏度 S 不随输入 x 变化。
y yFS