传感器原理及应用课件(全)全书教学教程完整版电子教案最全幻灯片.pptx

传感器原理及应用传感器原理及应用01绪论目目录录02传感器的理感器的理论及技及技术基基础 03物理量物理量传感器感器04化学化学传感器感器05生物生物传感器感器06微机微机电（MEMS）传感器感器07集成集成传感器感器08传感器在物感器在物联网中的网中的应用用第一章绪论1.1物联网与传感器物联网的三个层次是感知层、网络层、应用层，其中感知层是物联网的数据和物理实体基础在感知层中，传感器技术最为关键，是物联网中获得环境动态变化信息的唯一途径，依靠传感器准确、可靠、实时地采集信息并进行转化处理与传输，为物联网应用提供可供分析处理和应用的实时数据物联网是与应用密切相关的，从应用需求来看，物联网主要面向的是公共管理、行业、个人（大众）市场三大应用领域图1物联网架构层示意图1.2传感器的基本概念1.2.1-1.2.2 传感器的概念与组成根据我国国家标准（GB/T7665-2005传感器通用术语）中，传感器的定义是：传感器是指能感受被测量信息并将其按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成国际电工委员会（IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee）对传感器的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。

图2传感器系统的框图1.2传感器的基本概念1.2.3 传感器的分类按工作原理分为：物理传感器、化学传感器、生物传感器、MEMS传感器、集成传感器表1传感器种类及工作原理传感器种类工作原理可被测定的非电学量敏力电阻，热敏电阻半导体传感器阻值变化力，重量，压力，加速度，温度，湿度，气体电容传感器电容量变化力，重量，压力，加速度，液面，湿度感应传感器电感量变化力，重量，压力，加速度，转矩，磁场霍尔传感器霍尔效应角度，力，磁场压电传感器，超声波传感器压电效应压力，加速度，距离热电传感器热电效应烟雾，明火，热分布光电传感器光电效应辐射，角度，位移，转矩1.2传感器的基本概念1.1.3 传感器的分类按有无外界供能分为：有源传感器、无源传感器图3有源(a)和无源(b)传感器的信号流程1.2传感器的基本概念1.1.3 传感器的分类按输出信号的类型分为：模拟式、数字式传感器模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号，其输出信号中的信息一般以信号的幅度表达数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）准数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)，输出为矩阵波信号，其频率或占空比随被测参量变化而变化。

开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号1.2传感器的基本概念1.1.3 传感器的分类在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件按所应用的材料分为：按照其所用材料的类别可分为金属、聚合物、陶瓷和混合物；按材料的物理性质可分为导体、绝缘体、半导体和磁性材料；按材料的晶体结构可分为单晶、多晶和非晶材料a)(b)(c)(d)图4 (a) 金属传感器 (b) 陶瓷传感器 (c) 半导体传感器 (d) 单晶传感器1.2传感器的基本概念1.1.3 传感器的分类按制造工艺分为：MEMS集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器和陶瓷传感器等a)(b)图5 (a) 集成传感器 (b) 薄膜材料传感器集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上相应敏感材料的薄膜形成的厚膜传感器是利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片上制成的陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产1.3传感器的功能与地位传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器视觉声敏传感器听觉气敏传感器嗅觉化学传感器味觉压敏、温敏、流体传感器触觉1.4传感器的发展现状与趋势改善传感器的性能，可采用的技术途径有：差动技术，平均技术，补偿与修正技术，屏蔽、隔离与干扰抑制，稳定性处理等主要特点及发展趋势表现在以下几个方面：发现利用新现象、新效应传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展工业自动化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求就越高，相应地测量程度要求也就越高发展智能型传感器智能型传感器被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能是传感器的发展方向课后习题1.1综述你所理解的传感器概念1.2一个可供实用的传感器有哪几部分构成？各部分的功用是什么？试用框图标示出你所理解的传感器系统1.3结合传感器技术在未来社会中的地位、作用及其发展方向，综述你的见解传感器原理及应用传感器原理及应用01绪论目目录录02传感器的理感器的理论及技及技术基基础 03物理量物理量传感器感器04化学化学传感器感器05生物生物传感器感器06微机微机电（MEMS）传感器感器07集成集成传感器感器08传感器在物感器在物联网中的网中的应用用第二章传感器的理论及技术基础2.1传感器的基础效应光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化的这类现象统称为光电效应（Photoelectriceffect）。

图1外光电效应示意图2.1.1 光电效应1.外光电效应在光照射下物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子能量而从表面释放出来的现象，称为外光电效应(Externalphotoelectriceffect)，被释放的电子称为光电子，所以外光电效应又称为电子发射效应光子具有能量，每个光子的能量可表示为；能量守恒定律为2.1传感器的基础效应图2电子能带图2.内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率 发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，多发生于半导体内根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：1）光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度2.1传感器的基础效应图3PN结图2）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫做光生伏特效应根据其产生电势的机理可分为四种：结光电效应：在探测器处于开路的情况下，少数载流子积累在PN结附近，降低势垒高度，产生一个与平衡结内自建场相反的光生电场。

横向光电效应：如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势光磁电效应：半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面之间产生电势的现象贝克勒耳效应：当光照射浸在电解液中的两个相同电极中的任意一个电极时，在两个电极间产生电势的现象2.1传感器的基础效应磁电效应(Magnetoelectriceffect)包括电流磁效应和狭义的磁电效应图4(a)霍尔效应示意图(b)霍尔元件示意图2.1.2 磁电效应1.霍尔效应置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应导体板两侧形成的电势差UH称为霍尔电压霍尔系数a) （b) 2.1传感器的基础效应图5磁阻效应磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长宽比愈小，磁阻效应愈大2.1传感器的基础效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移），同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。

图6压电效应示意图2.1.3 压电、压阻效应 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变这种机械能转为电能的现象，称为“正压电效应”当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应），可将电能转换为机械能2.1传感器的基础效应纳米材料的表面效应（Surfaceeffect）是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比纳米材料具有非常大的界面界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使材料具有新奇的界面效应2.1.4 表面效应和界面效应 例如：粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g2.2传感器的基本特性2.2.1 传感器的静态特性1.传感器静态特性的方程表示方法传感器的静态特性是指传感器在静态工作条件下的输入输出特性若在不考虑滞后、蠕变的条件下，传感器的静态模型一般可用多项式来表示，即。

图7传感器的静态特性曲线图2.2传感器的基本特性2.静态特性的曲线表示法图线能表示出传感器特性的变化趋势以及何处有最大或最小的输出，传感器灵敏度何处高，何处低做曲线图的步骤大体是：图纸选择、坐标分度、描数据点、描曲线、加注解说明传感器的静态特性曲线可绘在直角坐标中，根据需要，也可以采用对数或半对数坐标x轴永远表示被测量，y轴则永远代表输出量坐标的最小分格应与传感器的精度级别相应图8同一特性不同分度所绘曲线比较(a)分度比较合理，(b)纵轴分度过细，(c)纵轴分度过粗2.2传感器的基本特性3.传感器的主要静态性能指标传感器的静态特性是通过各静态性能指标来表示的，它是衡量传感器静态性能优劣的重要依据1） 灵敏度(sensitivity)灵敏度（静态灵敏度）K 是传感器或检测仪表在稳态下输出量的变化量与输入量的变化量之比：如果输入输出特性为线性的传感器或仪表，则灵敏度是一个有单位的量，其单位决定于传感器输出量的单位和输入量的单位以及有关的电源电压的单位例如：某位移传感器，当电源电压为1V时，每1mm位移变化引起的输出电压变化为100mV，则其灵敏度可表示为100mV/(mmV)2.2传感器的基本特性2）分辨率分辨率也称灵敏度阈值，即引起输出量产生可观测的微小变化所需的最小输入量。

存在灵敏度阈值的原因有两个一个是输入的变化量通过传感器内部被吸收，因而反映不到输出端上去；第二个原因是传感器输出存在噪声3） 线性度传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称为传感器的线性度，又称非线性误差线性度就是用来评价传感器的实际输入输出特性对理论拟合的线性输入输出特性的接近程度的一个性能指标，即传感器特性的非线性程度的参数图9线性度曲线图yF.S.传感器的满量程输出值（F.S.是fullscale的缩写）ymax校准曲线与拟合直线的最大偏差2.2传感器的基本特性图10迟滞曲线图4）迟滞（迟环）在相同工作条件下做全量程范围校准时，正行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输入特性曲线不重合迟滞是由于磁性材料的磁化和材料受力变形，机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等2.2传感器的基本特性图11重复性曲线图5） 重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次测试时,所得特性曲线不一致的程度ymax为ymax1和ymax2这两个偏差中的较大者因重复性误差属随机误差，故按标准偏差来计算重复性指标更合适，用max表示各校准点标准偏差中的最大值，则重复性误差可表示为：标准偏差。