1、0101绪论绪论目目录录0202传感器的理论及技术基础传感器的理论及技术基础 0303物理量传感器物理量传感器0404化学传感器化学传感器0505生物传感器生物传感器0606微机电（微机电（MEMS）传感器传感器0707集成传感器集成传感器0808传感器在物联网中的应用传感器在物联网中的应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（Photoelectric effect）。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
2、电效应(External photoelectric effect)，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 。Eh212ehm2.1 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
3、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3 PN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
4、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(Magnetoelectric effect)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。,
5、霍尔系数 。cosHHR IBUdHR（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
6、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（Surface effect）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18
7、0m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。2.2 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 。2n012nyaa xa xa x图7 传感器的静态特性曲线图 351135ay=a xby=a x+a x+a x+（）；（）；2423124123cy=a x+a x+a x+dy=a x+a x+a x+（）；（）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
8、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
9、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。yKxxyK 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
10、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。max/100%LFSeyy 图9 线性度曲线图 yF.S.传感器的满量程输出值（F.S.是full scale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
11、等。maxF S1100%2hyey.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ymax 1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：标准偏差可以根据贝塞尔公式来计算：zmaxF S100%eyy./maxzF.S.(2 3)100%ey21=1niiyyn2.2 传感器的基本特性 6）静态误差 静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度，是评价传感
12、器静态特性的综合指标。a.用非线性、迟滞、重复性误差表示 b.系统误差加随机误差 用ymax表示校准曲线相对于拟合直线的最大偏差，即系统误差的极限值；用表示按极差法计算所得的标准偏差。222sLhzeeee smaxFS100%eyy.(|)/2.2 传感器的基本特性 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。2.2.2 传感器的动态特性 例
13、：动态测温 设环境温度为T0，水槽中水的温度为T，而且 TT0，传感器突然插入被测介质中；用热电偶测温，理想情况测试曲线T是阶跃变化的；实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程。图12 测温示意图2.2 传感器的基本特性 2.2.2 传感器的动态特性 1.传感器的动态数学模型 传感器系统的方程为(线性时不变系统)：1110111101ddddddddddddnnnnnnmmmmmmyyyaaaa ytttxxxbbbb xttt 1)传递函数 设x(t)、y(t)的拉氏变换分别为X(s)、Y(s)，两边取拉氏变换，并设初始条件为零，得 11101110nnnnmmmmY sa sa sas
14、aX sb sbsbs b()()()()研究一个复杂系统时，只要给系统一个激励x(t)并通过实验求得系统的输出y(t)，则由 H(s)=Ly(t)/Lx(t)即可确定系统的特性。11101110mmmmnnnnb sbsbsbY sH sX sa sasa sa()()()式中，s为复变量，s=b+j，b0。定义Y(s)与X(s)之比为传递函数，并记为H(s)，则2.2 传感器的基本特性()=arcta)n/()IRHH 称为传感器的相频特性，表示输出超前输入的角度；通常输出总是滞后于输入，故总是负值。2)频率响应函数 对于稳定系统，令s=j，得 H(j)系统的频率响应函数，简称频率响应或频
15、率特性。将频率响应函数改写为：jRIjjeHHHA()()()()()22RIjAHHH()|()|()()称为传感器的幅频特性，表示输出与输入幅值之比随频率的变化。研究传感器的频域特性时主要用幅频特性。2.2 传感器的基本特性 3)冲击响应函数 单位脉冲函数d(t)的拉氏变换为故以d(t)为输入时系统的传递函数为 再对上式两边取反拉氏变换，并令 L-1H(s)=h(t)，则有通常称 h(t)为系统的冲击响应函数。对于任意输入x(t)所引起的响应y(t)，可利用两个函数的卷积关系，即响应y(t)等于脉冲响应函数h(t)与激励x(t)的卷积，即 所以，冲击响应函数也可以描述系统的动态特性。00e
16、 de1ststt sLttt()()()|HsY s sY s()()/()()11h tLH sL Y sy t()()()()00()()()()()d()()dtty th tx thx txh t2.2 传感器的基本特性 2.传感器的频率响应 传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。1)一阶传感器的频率响应一阶传感器微分方程：灵敏度归一化之后：100()()dy taa yb x tdt10n00/(/aaSba令称为时间常数），10dydytay tx ta图13 一阶传感器频率响应特性曲线图2.2 传感器的基本特性
17、 2）二阶传感器的频率响应二阶传感器的微分方程：传感器的频率响应特性好坏，主要取决于传感器的固有频率和阻尼比。当时：A()l，幅频特性平直，输出与输入为线性关系；()很小，()与为线性关系。此时，系统的输出y(t)真实准确地再现输入x(t)的波形，这是测试设备应有的性能。图14 二阶传感器的幅频特性和相频特性曲线图221002ddddyyaaa ya xtt2.2 传感器的基本特性 3）频率响应特性指标 频带 传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数 用时间常数来表征一阶传感器的动态特性，
18、越小，频带越宽。固有频率n 二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。2.2 传感器的基本特性 221/1sinndy tett 2.2 传感器的基本特性 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率n。固有频率n由传感器主要结构参数所决定，n越高,传感器的响应越快。阻尼比直接影响超调量和振荡次数。=0，为临界阻尼,超调量为100%，产生等幅振荡,达不到稳态。1，为过阻尼，无超调也无振荡，但达到稳态所需时间较长。1，为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态值所需时间随的减小而加长。=1 时响应时间最短。但实际使用中常按稍欠阻尼调整，取0.60.8为最好。图15 二阶传感器的单位阶跃响应曲线图
19、2.2 传感器的基本特性 3)瞬态响应特性指标 时间常数，一阶传感器时间常数越小，响应速度越快。延时时间，传感器输出达到稳态值的50%所需时间。上升时间，传感器输出达到稳态值的90%所需时间。超调量，传感器输出超过稳态值的最大值。课后习题2.2 如右图所示，当开关S断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零。(1)求此时光电子的最大初动能的大小；(2)求该阴极材料的逸出功。2.3 已知某霍尔元件尺寸为长L=10mm，宽b=3.5mm，厚d=1mm，沿L方向通以电流I=1.0mA，在垂直于bd两方向上加均匀磁场B=0.3T，输出霍尔电势UH=6.55mV。求该霍尔元件的灵敏度系数KH和载流子浓度n。2.5 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV，求其灵敏度。)1/(1)(ppH2.10 已知某一阶传感器的传递函数 ，=0.001s，求该传感器输入信号工作频率范围。
