第2章 智能传感器系统中的经典传感器技术基础ppt课件.ppt

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1、现代传感器技术第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础第2章智能传感器系统中的经典传感技术基础2.1传感器系统的基本特性2.2几种传感器的工作原理2.3提高传感器性能的技术途径传感器系统输入信号输出信号2.1传感器系统的基本特性基本特性——传感器系统输入与输出之间的关系。研究传感器系统基本特性的目的如下(1)作为一个测量系统，可通过基本特性和输出来推断导致该输出的输入信号。(2)用于系统本身的研究、设计与建立。2.1传感器系统的基本特性2.1传感器系统的基本特性2.1.1静态特性2.1.1动态特性静态特性

2、表示当输入系统的被测物理量x(t)为不随时间变化的恒定信号或变化非常缓慢时，系统的输入与输出之间呈现的关系。通常，静态特性可由如下的多项式来表示2.1.1静态特性式中，s0,s1,s2,…,sn——常量；y——输出量；x——输入量。2.1.1静态特性静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化)情况下，描述传感器输出与输入间的一种函数关系。建立静态模型的方法如下(1)标定建模法；(2)解析建模法；(3)数值建模法；(4)计算机模拟方法。一、建立静态模型2.1.1静态特性1、标定建模法静态标定产生校准曲线，

3、对校准曲线拟合得到数学模型。最常用的方法是最小二乘法。例如，某压力传感器的标定数据如图所示。该如何建立其模型呢？2.1.1静态特性首先采用直线拟合。假设静态特性为用最小二乘法得表示相关度，其意义如下①

4、R

5、＝1表示n个点全部落在拟合直线上；②

6、R

7、＝0说明y不随x线性变化；③0＜

8、R

9、＜1则y与x有一定的线性相关性。其中2.1.1静态特性其次采用三阶多项式拟合。得2.1.1静态特性由于R2＝0.9938＞0.9925，这样拟合似乎比前者更好。然而这样做的实际意义却值得商榷。2.1.1静态特性首先，传感器输

10、出的测量值存在随机误差，而标定工作一般只做3～5次，因此仅仅是拟合曲线接近标定结果，未必能保证在将来的实际测量中取得比较高的准确度。2.1.1静态特性其次，多项式拟合的合理性还与标定点数有关。对于如前图所示的标定点，若采用六阶多项式拟合，拟合曲线如下图所示，拟合方程为此时虽然拟合曲线几乎通过所有标定点，但更不合理。2.1.1静态特性因此，拟合时需要注意以下事项(1)如有可能，尽量采用能与传感器敏感机理相联系的表达式，避免采用多项式；(2)在输入—输出间的理论联系未知或缺乏相关的情况下，多项式拟合是一种方便

11、、好用的方法；但注意确定参数的数目必须小于标定点数，一般标定点数大于两倍参数的数目。2.1.1静态特性(3)一般情况下，标定点数取8～10点，尽可能分布在整个量程范围。(4)前面讨论的是每个标定点上测量一次，实际上在每个标定点上都有可能测量多次，拟合时应考虑。2.1.1静态特性2、解析建模法根据传感器的工作原理，用一个或多个函数关系来描述传感器的输入、输出与结构参数之间的关系。下面以光吸收式光纤温度传感器的建模为例说明解析建模法。2.1.1静态特性(1)测温原理半导体材料的光吸收和温度的关系曲线如图所示。

12、半导体材料的吸收边波长lg(T)随温度增加而向较长波长方向位移。2.1.1静态特性若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，利用透过半导体材料的光强随温度T的增加而减少的关系，可以做成透射式光纤温度传感器。2.1.1静态特性2.1.1静态特性如图所示是双光纤参考基准通道法半导体吸收式光纤温度传感器的结构框图。测量光纤和参考光纤传输来自同一光源的光，不同的是测量光纤上多了敏感材料，其余条件相同。2.1.1静态特性由于采用了参考光纤和除法器，消除了一定程度的外界干扰，提高了测量精度。这种温度计

13、测温范围在40～120℃之间，精度±1℃。式中，A为常数；h为普朗克常数；v为光子的频率；Eg为GaAs的禁带宽度，随温度变化，有(2)敏感元件透射率的数学模型采用GaAs制作敏感元件，它是典型的直接跃迁型材料，对波长为l的光子的吸收系数为2.1.1静态特性式中，j为与材料有关的常数，单位为eV/K。于是有2.1.1静态特性由于半导体材料的吸收系数随温度变化，所以其透射率也随着变化，即式中，x为材料的厚度；r为材料的反射率。本系统中r≈0.3，即使d(T)＝0，也有2.1.1静态特性因此，上式可近似为综上

14、所述可得到敏感元件透射率的数学模型为2.1.1静态特性可见，透射率t是温度T的单值函数。2.1.1静态特性(3)光源的选择及其数学模型由传感器原理分析可知，光源的发光光谱必须覆盖半导体材料吸收波长的变化范围，并且光谱分布有一定的宽度。此外，为了便于实用还要求光源体积小、耗电少等。2.1.1静态特性目前，半导体光源主要有二极管激光器和发光二极管(LED)两大类。前者由于谱线宽度太窄(要比LED小一个数量级)，不适合做本传感器的光