第2章智能传感器系统中经典传感技术基础.ppt
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1、目 录,第1章 概 述 第2章 智能传感器系统中经典传感技术基础 第3章 不同集成度智能传感器系统介绍 第4章 智能传感器的集成技术 第5章 智能传感器系统智能化功能的实现方法 第6章 通信功能与总线接口 第7章 智能技术在传感器系统中的应用 第8章 智能传感器系统的设计与应用 第9章 无线传感器网络技术概述,第2章 智能传感器系统中经典传感技术基础,要 点: 传感器系统的基本特性; 几种传感器的工作原理; 提高传感器性能的技术途径。,2.1 传感器系统的基本特性,智能化技术的主要任务之一是:提高传感器的精度,改善传感器的性 能(安装、使用、维护、寿命),它的重要性在于提高经济效益,改善控 制
2、水平。 通过对传感器系统静态、动态特性的分析,了解决定传感器性能及精 度的静态、动态技术指标和基本参量。 首先我们了解一下传感器的基本知识。目前已研制出来的传感器有几 千种,广泛应用于各个领域,传感器的分类有这样几种方式。 按信号转换效应分: 物理型(电容式压力传感器);化学型(气敏);生物型(利用生物 效应,如电阻的变化、产生热、生成新的物质在生物酶的作用下),按构成原理分: 结构型(转换特性由形状和尺寸决定); 物性型(由传感器材料特性决定,如热电偶由塞贝克函数决定)。 按构成传感器敏感元件材料分: 半导体、陶瓷、有机材料。 按应用的用途(实际中用及比较多的) 温度,压力(电输出信号),光
3、光输出信号。 传感器的运作: 1) 接触型(电偶)、非接触型(红外测量)。 2) 能量转换型(热敏电阻)、能量控制型(光敏电阻)。 3) 转换原理、多重变换(热辐射温度计)。,对传感器系统基本特性的研究,基于两个方面的目的; 1) 用它作为一个测量系统 基于已知的系统特性和测量输出信号了解输入信号特性。 2) 用于传感器系统本身的研究、设计与建立。 根据输入信号是随时间变化还是不变化,基本特性分静态特性和动态 特性,它是由系统内部自身的参数决定的。 2.1.1 静态特性 静态特性又称“刻度曲线”、“标定曲线”, 表达式: 1、 静态特性的基本参数 1)零位 当x0时, 的值 2)量程 Y(FS
4、),又称“满度值”,输出标准化的传感器系统(又称“变送器”) 对于模拟量,零位: ,上限值: ,量程Y(FS)16mA。数字量:尚无标准。 3)灵敏度 a) b)相对灵敏度: 或 c)灵敏度与静态特性(线性与非线性);灵敏度的高与低。 d)交叉灵敏度的概念 多输入( , , )单输出( )系统 智能传感器系统可以依靠强大的软件功能降低交叉灵敏度对测量结果 的影响(如采用数据融合技术)。,4)分辨率 表征系统有效分辨输入量最小变化量的能力。 具有A/D转换器的传感器系统,分辨率为一个量化值q对应的输入变化 量,对于实际测量,要求:噪声电平 q/2。 智能传感器系统可寻取软、硬件的方式来抑制噪声,
5、提高分辨率。比 如先测出零输入的噪声信号,然后减去 。 2、 静态特性的性能指标 1)迟滞 表征系统在全量程范围内,输入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两个静态特性不一致的程度,如磁滞曲线。 相对误差: 100,2)重复性 系统输入量按同一方向作全量程、连续多次变动时,静态特性不 一致的程度。 相对误差: 100 R:多次循环同向行程输出量的最大绝对误差,见上图。 3)线性度 系统静态特性对选定的拟合曲线的接近程度。,相对误差: 100 拟合直线的方法: a)理论线性度; b)平均选点线性度; c)端基线性度; d)最小二乘法线性度。 对应上述几种方式拟合直线表达式: a) b) c)
6、 d),差方均: 为最小值,亦即: , 4)系统的总精度为量程范围内的基本误差与满度值Y(FS)之比的百分数。,传感器技术的主要任务之一就是致力于改善静态特性。 静态特性是在标准试验条件下获得的,在实际使用中,由于环境条件 的改变还将产生附加误差,其中温度附加误差是主要的。 5)温度系数与温度附加误差 a)零位温度系数( ) T:传感器系统工作温度变化范围。 未经补偿的压阻式压力传感器 / 例如:量程Y(FS)=100mv, T =60, 则温度附加误差的相对值6(满量程)。 b)灵敏度温度系数 及其温度附加误差 未经补偿的压阻式压力传感器: / 5 /),T60时, 引起的温度附加误差的相对
7、值:(63)%。 传统的传感器改善传感器的温度稳定性比较费时费力,经过补偿后, 、 均可减小一个数量级。 智能传感器系统主要采用软件补偿技术及数据融合技术。 2.1.2 动态特性 系统的动态特性反映了测量动态信号的能力,这里主要讨论系统动态 特性、信号频率范围与动态误差的相应关系。 动态特性用数学模型来描述,有三种形式: 时域中的微分方程,复频域中的传递函数(差分方程、状态方程), 频率域中的频率特性。 1、 微分方程 常见的传感器系统是一个一阶或二阶系统,高阶系统由二者合成。 1) 一阶系统,如热电偶测温元件。 2) 二阶系统 压力传感器的弹性敏感元件可等效为质量弹簧阻尼力学系统。 标准形式
8、: 谐振频率: ,固有频率:,2、 传递函数 1)一阶系统: 2)二阶系统: 3、 频率特性 频率特性是拉氏变换因子s的实部为零的拉氏变换,又称傅氏变换。 1)一阶系统: 2)二阶系统,* 一阶系统: 幅频特性: 对数幅频特性: 相频特性: * 二阶系统: 相频特性: 4、 动态误差 假定,输入信号: 输出信号: , 直流放大倍数为1,动态幅值误差可表示为: 表示0时的幅频特性的模,结合上述频率特性表达式可得: 1)一阶系统: 频率越高,动态幅值误差越大,当 , 要减少,时间常数要足够小。 2)二阶系统: 目标频率越高,误差越大,希望 越大越好。由 可知,减少m,可增大 。 采用微机械加工技术
9、可实现微米数量级尺寸,使微型化的压阻式压力 传感器固有频率1MHz以上,而传统压力传感器固有频率 只有几十KHz。,研究传感器的动态性能时,为避免复杂数学上带来的困难,通常都忽 略了传感器的非线性,把传感器简化为一个集中参数系统。 用常系数线性常微分方程来描述: 传感器的物理模型,通常分别用零阶、一阶、二阶来描述。 例如: 电位器传感器为零阶 热敏传感器为一阶 加速度传感器为二阶,作业2: 一个二阶传感器系统,要想改善其动态特性,应如何进 行,试用不同的模型形式具体分析之。,几种传感器动态特性分析方法: 1、 脉冲响应函数法 对于线性传感器,任意形式的输入x(t)看成是由无数个“脉冲”叠 加组
10、成, ,对应每一个脉冲输入,传感器都有一个响 应 , 因此总输出 是 , 之和: :脉冲响应函数 2、 传感器动态模型的分类 1)参数量与非参数量型,2)连续系统与离散系统模型 参数模型是个表达式,而非参数模型是条曲线。 3、 动态建模方法: 1)机理分析法 根据各种基本理论,对传感器的转换原理进行分析和抽象,提出模型,列出微分方程。 2)实验建模法 对传感器进行动态标定,采集输入、输出数据;采用系统辨识,时间序列分析和沃尔什变换等方法,建立其差分方程或微分方程形式的数学模型。,实验建模法的特点: a) 需要动态标定如数据采集、记录设备; b) 要选择合适的标定方法如激励信号,既要简单、易行,
11、又要能充 分考核传感器的动态特性。 c) 其模型不直接反映传感器的结构和原理; d) 所建模型便于与实验结果对照,准确、可靠。,2.2 几种传感器的工作原理,这里主要介绍几种易于采用标准集成化工艺来实现的传感器,如: 结构型; 谐振式; 电荷耦合器件(CCD)及指纹传感器; 气敏传感器。 2.2.1 结构型传感器 工作原理与传统的结构型传感器完全一样,由两部分构成: 1)等效机械系统,将被测量变换为中间变量; 2)变换器,将中间变量变换为输出量。,主要介绍基于半导体压阻效应的电阻式变换器和基于电容效应的电容 式变换器。可测:压力,加速度等参量。 1、 基于压阻效应的电阻变换器 1)压阻效应 指
12、半导体材料受到应力(西格玛)作用时,其电阻率发生明显变化的现象。 电阻率相对变化: :材料的压阻系数( Si约为4080 ) 电阻丝的电阻值: ,若受拉力F作用时, 增加 , (截面半径)减少 ,电阻率 增大 ,则有: 由材料力学:,由虎克定律: 将 , 代入 得: a)金属材料: 无压阻效应: , , ; b)半导体材料的压阻系数很大:,1)基于压阻效应的变换器 半导体硅材料的特性:具有良好的压阻特性和优良的弹性性能,加工工艺:半导体扩散工艺,离子注入工艺;制作型式:p型硅电阻条。 电阻条在应力作用下的相对变化量: 压阻系数应具有明显的各向异性,在不同的晶面、晶向上其压阻系数 不同。 三种晶
13、面: 如下图,硅晶体结构: 硅晶胞,晶格常数为:a; 硅是共价键,四方体结构,硅原子之间共有两个电子; 晶面:节点的排列完全相同; 相邻面之间距离相等;一簇晶面可以把所有节点都包括进去;晶面不 同,晶面上的节点密度(原子密度)就不同;晶面一般用晶面指数来标 记。 取最小截距的整数值的晶面指数称为密勒指数。截距为负数,指数上 划“一”作为标记:(100),(010),(001)晶面簇100。 晶轴:对称性较高的晶向。 晶格间距:,晶体中所取的方向不同,其物理、化学性质不同,形成了晶体的各向 异性: (100) 5.42 腐蚀速率,最快 (110) 3.83 快 (111) 3.13 慢 晶向:取
14、与晶面垂直的法线方向表示:100,110,111。 一簇对应的晶向:, , 。 物理型传感器与物质常数:,压阻效应的数学表达式 晶体中受到应力作用,在晶胞中电场分量 是电流密度 应力 的函数。 ,i、j、k、l均为1,2,3;不考虑压电效应和 恒流供电: 压阻系数: 我们把 与零应力时的电阻率 的比值定义为压阻系数,即: 1)基本压阻系数 作用在Si晶体的应力,有三个独立的垂直应力分量,和三个独立的剪切应力分量 (见下图) 应力 所引起的电阻率相对变化为: 电阻率变化量、压阻系数、应力三者之间的关系: 在晶轴座标系中,三个晶轴是完全等效 的, , 考虑垂直应力不产生剪切压阻效应,剪切应力不产生
15、垂直压阻效应。 压阻系数矩阵变为:,:纵向压阻系数, :横向压阻系数, :剪切压阻系数 、 、 统称为晶轴座标系的压阻系数。 2)任意座标系(非晶轴座标系)的压阻系数: 用横向压阻系数 (指电流方向与应力方向垂直)和纵向压阻系数 (电流方向与应力方向一致)表示:,, , :纵向方向余弦; , , :横向方向余弦。 2、 基于电容效应的电容变换器 1)平板电容器 ,:介电常数,:板板间隙。 集成传感器中制作电容变换器主要采用改变S和的方法实现。 2)电容式变换器 a)变间隙式电容变换器 i)输入输出特性 或 之间的关系 在被测参量的作用下,动电极发生位移,产生变形, (S=0) , ,当 时,展
16、开的幂级数为: 输入输出的关系存在严重的非线性。 ii) 灵敏度 : 近似值: ,与 的平方成反比, 越小,灵敏度越高。 iii) 理论线性度 理想的拟合曲线方程: 拟合偏差: 最大拟合偏差:,理论线性度误差: , 越小,线性度越差。 线性度误差的产生,源于灵敏度的非常数。 b)变面积式电容变换器 i)输入输出特性: (0) ii)灵敏度: 常数 iii)理论线性度: 上面我们介绍了基于“压阻效应”和“电容效应”的变换器,下面我们介绍以此为基础的传感器。 3、 压力传感器 1)压阻式压力传感器,常见的微机械压力传感器类型,常用的弹性敏感元件有:周边固支的圆形、方形和矩形膜片。电阻 改变量与相应
17、部位膜片的应力成正比,下面我们推导这种关系: a)周边固支圆形膜片 根据弹性力学理论: 径向应力: 切向应力: r0, , 达到最大值: r0.635a, 0;r0.812a, 0; ra, , 的绝对值最大。,, 一般选001,011,211 三个晶面族的晶面制作压敏电阻。 i)若按下图在膜片上的同一应力区沿(1 0) 或(1 1 0)晶向制作P型硅电阻,此时电阻的压阻 系数最大。,纵向压阻系数: 横向压阻系数: :剪切压阻系数,由实验测定。 对于电阻 、 而言: 纵向应力: ;横向应力: ,则: 对于电阻 、 而言: 纵向应力: ;横向应力: ,则:,由上式可见,在压力P的作用下,电阻的变
18、化与半径成正变,与膜片 厚度成反变。当ra时,即在边缘处电阻变化是最大。 解释横向、纵向与径向、切向的关系。 由于 、 与 、 有相同的变化量,但符号相反,适合于构 成全桥差动电路。 灵敏度: ii)若压阻电阻分别位于正、负应力区: 选用N型硅(110)晶面作弹性膜片, 沿(110)晶向的直径上制作四个等值P型 硅电阻,如右图所示。此时: 纵向压阻系数: 横向压阻系数:,引起电阻改变量的符号取决于应力的方向。 , 通过合理的设计电阻条的长度和位置,可以保证: , 即四个电阻条的平均应力相等。在P的作用下,四个电阻的变化量相等, 而符号相反,构成差动全桥输出。 平均应力的计算公式: 除了圆形膜片
19、外,还有周边固支的方形、矩形膜片,它们均可建立: , k:与压阻系数有关的常数。,b)动态性能 周边固支圆形弹性膜片的固有频率: :硅的密度; :弹性模量; 0.35:硅的泊松比; 模的横向刚度系数。 当a0.045 ,h108 , 2.268 横向刚度系数: ,F:压力,W:中心挠度。 中心挠度:,c)保证线性的基本条件 i)中心挠度W不能太大,要保证好的线性关系: 这时 ,另外,上述一些公式的推导是建立在小挠度 理论的基础上的,应力较大时这种线性关系便不成立,硅的破坏应力: ,要求 ,亦即: ,这时: , 上述两个公式是对被测压力量程的要求。 ii)采用E型结构 d)硅弹性膜片对性能的影响
20、 正方形、长方形膜片的输出灵敏度高于圆形;圆形膜片精度高,低微 压力、高压力性能好;小型化和易于批量生产的角度,方形优于圆形。,作业3: 为什么方形膜片的输出灵敏度高,而圆形膜片精度高, 试分析之。 作业4: 若在(2 1 1)晶面上制作P型硅 电阻,请问按下图在膜片上的同一应 力区沿什么晶向制作,此时电阻的压 阻系数最大,是多少?,2)电容式压力传感器 变换形式: 与压阻式压力传感器相比的优点:灵敏度高; 温度稳定性好;压力量程低。 a)圆形膜片压力敏感电容变换器 , b:铝电极半径,电容器的电容: ,当 时, ,其中, 。 举例说明: 22m,a500m,b350m,h20m 当 时, ,
21、 , 。 i)输入输出特性 ii)压力灵敏度,与压阻式的比较: 按上例的参数: 说明:电容式压力传感器比压阻式压力传感器灵敏度高。 b) 动态性能 取决于弹性敏感元件,应该与压阻式压力传感器一致。 4、加速度传感器 1)测量加速度的方法(原理) 压阻式,电容式,压电式,利用的基本上是mkb机械系统,只是变换器输出的参量不同, 。,在惯性式加速度计的力学模型中,我们需要了解的是其特性与参量间 的关系: mkb机械力学系统完成对被测加速度 转换为中间变 量(,变形位移y)的任务,配以不同形式的检测或y的变换器则构成 不同形式的加速度传感器。 2)基于压电效应的加速度传感器 压电效应是可逆的,压电传
22、感器是一种典型的“双向传感器”。 a)正压电效应:沿一定方向对某些电介质加力而使其变形,在一定表面上产生电荷,外力去掉,又重新回到不带电的状态。 b)逆压电效应:在电介质的极化方向施加电场,电介质在一定方向上产生机械变形或机械应力。,c)缺点:无静态输出,要求有很高的电输出阻抗,需用低电容的低噪声电缆,工作温度25。 输出电荷表达式: ,d:压电系数 压电式加速度传感器:,3)伺服式加速度计 又称力平衡式加速度计,具有负反馈环节。 优点:大大改善加速度计的动态性能与静态精度。 在下图中假设: 转换系数为1,则闭环系统的前向通道的传递函数:,无反馈时,输出电压u在一定频带范围内( )与 惯性力f
23、或者说被测加速度a)成正比。 有反馈时,I(s)是一个反向传感器, 与u成正比,方向与 相 反,当系统处于动态平衡时, ,质量块位移量极小。 反向传感器传递函数: 常数 闭环传递函数: , 以加速度a为输入,电压u为输出: , , ,,对于上述系统总传递函数,我们可作如下讨论: a)该系统仍为一个二阶系统; i) ,固有角频率扩大了 倍。 ii) 阻尼比 减少了 倍。 iii) 0时,静态增益为 ,减少了 倍。 b) 闭环系统的静态精度 系统的相对误差: 若: 10, 20, 1 则:-0.5。,2.2.2 谐振式频率输出型传感器 谐振式传感器需要解决的问题: 谐振式与被测对象之间关系的建立:
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