智能仪器设计基础课件第二讲 智能仪器的输入 .ppt

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智能仪器设计基础（二）1 第二讲智能仪器的输入2.1传感器的分类物理传感器物性型传感器利用功能材料本身所特有的特性及效应把被测量转换为电量。结构型传感器以结构（形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测信息转换为电量。化学传感器利用电化学反应原理，把无机、有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器核心是离子选择性敏感膜生物传感器利用生物活性物质选择性识别和测定生物化学物质的传感器两大部分构成：功能识别物质（酶，抗原，微生物，细胞等）电光信号转换装置（生物化学反应转换为电信号或光信号）2 2134567891011121314物性型：光敏特性——光电效应、光纤传感器压敏特性——压电效应、压阻效应、压磁效应热敏特性——热电效应、热敏电阻湿敏特性——水分子亲和力型、非水分子亲和力型磁敏特性——霍尔效应、磁阻效应、磁敏管色敏特性——光谱型气敏特性——半导体气敏第二讲智能仪器的输入（1）物理传感器3 第二讲智能仪器的输入外光电效应在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。爱因斯坦光电效应方程:入射光子能量=逸出功+光电子初动能红限频率(截止频率)产生光电效应的条件：红限频率与材料有关，而与光强无关普朗克常数：光子频率：电子一旦吸收了一个光子的能量，就可以立刻从金属表面逸出，所以无须时间累积，响应时间不超过1ns4 第二讲智能仪器的输入内光电效应（1）光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料产生电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。纯净半导体光子能量必须大于材料的禁带宽度Eg才能产生内光电效应，能使价电子跃迁到导带的光谱的最大波长称为截止波长，λ0≈1240/Eg(nm)。掺杂型半导体光子能量只要大于施主能级与导带底或者受主能级与价带顶能级差，截止波长λ0≈1240/Ei(nm)光电导效应半导体受到光照时会产生光生电子－空穴对(electron-holepairs)，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。光敏电阻光敏二极管光敏三极管5 第二讲智能仪器的输入光生伏特效应光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区。当光照射到结区时，光照产生的电子－空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。内光电效应（2）短路电流开路电压N区流向P区光生电流正向二极管电流PN结反相饱和电流PN结正向偏压波尔兹曼常数K=1.3806505×10-23J/KPN结常数，1~2之间绝对温度电子电量1.6×10-19短路电流开路电压6 第二讲智能仪器的输入硅光电池的特性内光电效应（3）硅光电池的光照特性曲线硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的光谱特性曲线7 第二讲智能仪器的输入侧向光生伏特效应（Dember效应）当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度而产生光电势的效应。光电磁效应（PEM效应）半导体受到强光照射，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间产生电势的现象称为光电磁效应，它可以看成是光扩散电流的霍尔效应。贝克勒耳效应（Becquerel效应）贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样的电极中的任一个电极时，两个电极间将产生电势的现象称为贝克勒耳效应。内光电效应（4）8 第二讲智能仪器的输入光纤传感器（1）基本原理：光纤传感器是一种与以电为基础的传感器迥然不同的传感器，它以光学测量为基础，是一种把被测量的状态转变为可测光信号的装置。它由光发送器、敏感元件（光纤或者非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经过源光纤导引到敏感元件，在这里光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变成电信号，最后经信号处理系统处理。光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(FunctionFiberOpticSensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non-FunctionFiberOpticSensor)，又NF型光纤传感器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。优点：电绝缘，抗电磁干扰，对被测场不产生干扰，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，几何形状有多方面的适应性，传输频带宽（30MHz~10GHz），电气无源系统（无可动部分，无电源）,万能传感器：电流、磁场、电压、电场、温度、速度、位移、加速度、压力、流量、浓度、pH值、振动、音响、射线、图像等。光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当它在横切向往返一次的相位变化为2π的整数倍时，将形成驻波。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上的模；而纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型(FF)光纤传感器。9 第二讲智能仪器的输入光纤传感器（2）光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为:数值孔径石英光纤的NA=0.2～0.4光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减，可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性标准单模光纤(SMF)在1550nm的损耗系数为0.2dB/km色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难，色散用色散系数衡量带宽距离积，D（λ）为色散系数，标准单模光纤在1550nm处色散系数为~17ps/km·nm例子：考虑一个工作在1550nm的系统，光源谱宽为15nm，使用标准单模光纤D=17ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：BL<1Gb/s·km10 第二讲智能仪器的输入光纤测量的基本原理电场（光矢量）振幅矢量频率相位光强调制（振幅）——偏振态调制（方向）——频率调制——相位调制——光纤传感器（3）光波强度调制利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收和反射等参数的变化，而导致光强变化来进行检测。光纤微弯效应光强度调制技术（亮场—微弯造成光纤芯功率变化；暗场—微弯造成光纤包覆层内光功率变化）；遮光式光强度调制技术（动光纤式，动光闸式，动栅式，反射式）。11 第二讲智能仪器的输入光波偏振调制技术Pockels效应和Keer效应：线偏振光通过晶体发生双折射，如果在晶体两端施加电极并在电极间施加一个高压电场，外加电场的方向与通光方向一致（纵向调制），外加电场引起晶体不同方向的折射率发生变化，从而造成偏振光在晶体中传播的光速产生变化。由于速度的差异，正交的两偏振光穿过一定厚度的晶体后会出现光程差，进而造成合成光波出现相位差，该相位差与外施电场成正比。相位差的变化引起偏振方向改变，通过检偏器使得光强被调制。这种原理可以用于测量高压。Keer效应与Pockels效应类似，但是外加电场垂直于通光方向，使得相位差与外电场的平方成正比。光纤传感器（4）检偏器与起偏器正交，且与电场方向呈45°，光强I的表达式Pockels效应Keer效应12 第二讲智能仪器的输入光弹效应：对晶体施加应力会造成不同方向折射率的变化，进而引起双折射光波的光程差，造成合成光波的相位差和偏振面的变化。这种原理可以被用于测量压力、声、振动和位移等。光波相位调制技术利用被测对象对敏感元件的作用，使得敏感元件的折射率或传播常数发生变化，从而导致光的相位变化，但是光电探测器不能直接感知相位的变化，必须采用光纤光波干涉技术进行检测。通常利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用Sagnac效应的旋转角加速度传感器（光纤陀螺）。这类传感器灵敏度很高，但是必须采用特殊光纤以及高精度检测系统，成本很高。法拉第磁致旋光效应：线偏振光通过一个晶体传播可以理解为一个左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的组合，当对晶体施加一个与通光方向一致的磁场，则由于磁场造成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光传播速度出现差异，从而经过一定厚度的晶体后出现光程差，进而造成光矢量（偏振面）逆时针或顺时针产生旋转，通过检偏器引起光强的变化。这种原理可以被用于测量磁场或电流。光纤传感器（5）13 第二讲智能仪器的输入Sagnac效应：两束光脉冲沿着半径为R的圆形光纤环路（或矩形）向着相反的方向被发送，则它们以同样的速度运行同样的距离到达光纤的末端；但是，如果在此过程中光纤环路本身也在转动，在光脉冲从发送端到达光纤末端的过程中，光纤环路产生一个偏转角，那么两束光脉冲到达光纤末端距离会出现轻微的差别，这种差别引起合成光波的相位差，从而产生干涉现象。光纤传感器（6）14 第二讲智能仪器的输入3正压电效应：当沿着一定方向对某电介质加力而使其变形时，会在一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态。逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场时，这些电介质就在一定方向上产生机械形变或机械应力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。压电效应4当力被作用于单晶硅时，硅晶体的电阻率发生显著的变化，称为压阻效应。压阻效应受温度的影响较大。压阻效应5某些电磁材料受到机械力F（如压力、拉力、弯力、扭力）作用后，在其内部产生了机械应力，由此引起铁磁材料的磁导率发生变化。这种由于机械力作用而引起磁材料的磁特性的变化的物理效应称为压磁效应。压磁效应15 第二讲智能仪器的输入6两种导体的接触电势：各种导体中都有大量的自由电子，不同金属自由电子的密度是不同的。例如，金属A和B的自由电子密度分别为na和nb，并且na>nb，当A和B金属接触在一起，A金属中自由电子向B金属中扩散，这时A金属由于失去电子而具正电位，B金属由于得到电子而带负电。这种扩散一直到动态平衡为止，而得到一个稳定的接触电势。该电势除了与材料有关，也与温度有关。单一导体的温差电势：对一根均质的金属导体，如果两端温度不同，分别T和T0（T>T0），则在两端也会产生电动势，这个电势叫做汤姆逊电势。热电效应7电阻的电阻率一般都与温度相关，故可用于测量温度。热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，并能直接将温度的变化转换为电量的变化。热敏电阻8由于水分子有较大的偶极矩，故其易于吸附在固体表面并渗透入固体内部。水分子这种吸附和渗透特性称水分子亲和力。水分子吸附在物体表面或渗入物体内部后，物体的电气物理性能发生变化，利用这种变化可构成多种水分子亲和力型湿敏传感器。例如金属氧化物陶瓷吸收水分子后发生长度、电阻、电容等性能发生变化可构成湿敏传感器。水分子亲和型湿敏特性16 第二讲智能仪器的输入9（1）微波湿敏传感器：微波在含水蒸气的空气中传播时，由于水蒸汽吸收微波产生一定的损耗，损耗大小随波长而异，在22.235GHz时，微波损耗量最大。利用这种特性可以构成微波湿敏传感器。（2）红外湿敏传感器：水蒸汽能吸收特定波长的红外线，利用这种现象可构成红外湿敏传感器。非水分子亲和型湿敏特性10金属或半导体薄片放在磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流时，在薄片的两侧会出现电势差，这个电势差就称为霍尔电压，这样的效应称为霍尔效应。霍尔电压可以用运动载流子在磁场中受到洛仑兹力发生偏转来加以解释。霍尔效应11一个长方形半导体材料（常用InSb—锑化铟)沿长度方向有电流通过时，若在垂直于电流片的宽度方向上施加一个磁场，半导体片长度方向上就会发生电阻率增大的现象，这种现象就称为磁阻效应。磁敏电阻便是利用半导体磁阻效应制造的。磁阻效应12磁敏二极管：当磁敏二极管外加正偏压流过电流时，随着所受磁场的变化，流过二极管的电流也发生变化，其本质与载流子在磁场中受到洛仑兹力有关。磁敏三级管：磁敏三级管的基极电流和电流放大系数均具有磁灵敏度。磁敏管17 第二讲智能仪器的输入13判断颜色的传感器，任何物体的颜色都可以分成红、绿和蓝三种基色，光谱型色敏传感器采用衍射光栅和棱镜等分光器，对光进行分光，测定每种基色波长的强度来判断颜色。光谱型色敏14半导体气敏传感器是利用氧化物半导体材料为气体敏感元件所制成的一种传感器装置，由于半导体材料的特殊性质，气体在半导体材料颗粒表面的吸附可以导致材料载流子浓度相应发生变化，从而改变半导体元件的电导率。半导体气敏结构型：利用某些物理规律，但是必须依靠紧密设计的结构来保证电容式传感器——压力、加速度、位移、重量、形变和液位等电感式传感器——位移、差压变压器式传感器——位移光栅传感器——精密的直线位移和角位移18 第二讲智能仪器的输入（2）化学传感器化学传感器化学传感器是利用电化学反应，把有机和无机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子选择性电极，利用这种电极来测量溶液中的pH值或某些离子的活度，如K、Na、Ca等。电极的测量对象虽然不同，但其测量原理却大同小异，主要是利用电极界面（固相）和被测溶液（液相）间的电化学反应，也就是利用电极对溶液中离子的选择性响应而产生电位差。电位差是和被测离子活度的对数成线型关系的，所以测出其反应过程中的电位差或其影响的电流值，即被测离子的活度。化学传感器的核心部分是离子选择性敏感膜，可分为固体膜和液体膜。活度：电解质溶液中参与电化学反应的离子的有效浓度，与溶液的浓度存在定量关系。不同种类离子选择电极的问世，为选择性测定离子活度提供了方便。根据能斯特方程，离子活度与电极电位成正比，因此可对溶液建立起电极电位与活度的关系曲线，此时测定了电位，即可确定离子活度。电化学反应：电池（铅蓄电池、固体电池、燃料电池等）、电解（向电解质或熔融电解质通电在电极引起的氧化还原反应）、电镀技术、电泳技术（溶液中带电粒子（离子）在电场中移动的现象，利用带电粒子在电场中移动速度不同而达到分离的技术称为电泳技术）。19 生物传感器是利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为功能识别能力，利用这种单一的识别能力来判断某种物质是否存在，其浓度是多少，进而利用电化学方法进行电信号的转换。第二讲智能仪器的输入（3）生物传感器生物传感器生物传感器主要由两大部分组成，其一为功能识别物质，其作用是对被测物质进行特定识别。这些功能识别物有酶、抗原、抗体、微生物及细胞等。用特殊方法把这些识别物固化在特制的有机膜上，从而形成具有对特定的从低分子到高分子化合物进行识别功能的功能膜；其二是电、光信号转换装置，此装置的作用是把在功能膜上进行的识别被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号，其中最常用的是电极，如氧电极和过氧化氢电极。如果采用光学方法来识别在功能膜上的识别反应，则要靠光强的变化来测量被测物质，如荧光生物传感器。20 第二讲智能仪器的输入2.2传感器的构成方法（1）基本型基本型是一种只用敏感元件构成的传感器。包括：能量变换基本型、辅助能源变换基本型和能源控制基本型3种。所谓传感器的构成方法，就是用敏感元件、转换元件、转换电路之间的不同组合方法，去达到检测各种参数的目的。根据传感器的各种组成，其构成方法框图如图2.1所示，可将传感器分成如下几类：图2.1能量变换基本型(a)能量变换基本型21 第二讲智能仪器的输入2.2传感器的构成方法（2）特点1传感器从被测对象本身获得能量，不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，故也称为无源传感器；特点2它是利用热电平或传输现象中的一次效应构成的。由于一次效应存在逆效应，因此输出对输入（被测对象）有负荷效应；特点3输出端所输出的能量不可能大于被测对象的能量。基于光生伏特效应的光电池；基于热电效应的热电偶；基于压电效应的压电式力传感器典型例子22 第二讲智能仪器的输入2.2传感器的构成方法（3）硅光电池例当入射光照射P型区时，若光子能量hv大于半导体材料的禁带宽度，则每个光子会激发出一个电子空穴对，越接近P型区表面，电子空穴对浓度越高，则在P型区由表及里产生电子空穴浓度差。入射光所产生的空穴浓度比原有热生空穴要低得多，而入射光所产生的电子则向内部扩散。若在其复合之前到达P-N结过浓区，则在结电场的作用下正好将电子推向N型区。这样光照所产生的电子空穴对就被结电场分离开来，从而使P型区带阳电，N型区带阴电，形成光生电动势。图2光伏特电池的构造示意图23 第二讲智能仪器的输入2.2传感器的构成方法（4）(b)辅助能源基本型图3辅助能源基本型特点为了增强传感器的抗干扰能力，提高稳定性，以及取得电信号而采用了电源，或因工作原理需要而使用固定磁场，但输出的能量仍是从被测对象上获得的。光电管；光敏二极管；磁电感应式传感器和霍尔传感器等。典型例子24 第二讲智能仪器的输入2.2传感器的构成方法（5）霍尔传感器例◆霍尔传感器的工作原理金属或半岛体薄片放在磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流Ic时，在薄片的两侧面出现电势差，称其为霍尔电压（势），这样的效应就称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件或霍尔传感器。RH—霍尔系数，由薄片材料决定的常数；B—磁感应强度，d—元件厚度；Ic—通过薄片的电流，称为激励电流。图4霍尔效应原理图霍尔电压用下式表示：25 第二讲智能仪器的输入图5霍尔元件基本结构示意图在用某种半导体制成的基片侧面上各装一对电极A,B,C和D，A和B电极接激励电压，以便在霍尔半导体元件中产生激励电流，此电极称为激励电极；C和D用于测量霍尔电压，称为霍尔电极。2.2传感器的构成方法（6）如果令，且考虑到当磁感应强度B和元件平面法线方面成一角度θ时，作用在元件上的有效磁场是法线的分量，即Bcosθ则（b-1）式可写为：(2-1)从（2-1）可知，当KH已知，IC恒定时，B的测量转换为U的测量；当磁场方向和大小固定时又能将电流I的测量转换为U的测量。◆霍尔传感器的基本结构26 第二讲智能仪器的输入2.2传感器的构成方法（7）(c)能源控制基本型图6能源控制基本型特点也只由敏感元件构成，但需用外加电源才能将被测非电量转化成电压等电量输出。从而其输出能量可大于被测对象所输入的能量。变压器式位移传感器；③感应同步器；声表面波传感器；④电化学电解电池传感器等典型例子27 第二讲智能仪器的输入2.2传感器的构成方法（8）变压器式传感器例图7变压器式传感器工作原理图在次级线圈中产生的互感电势E表达式：(2-2)设，则，故(2-3)因为，其中为激励电压，r1为一次侧线圈的有效电阻，L1为初级电感，则二次侧线圈开路输出电压为：(2-4)有效值为：(2-5)可见，输出电压信号将随互感变化而变化。28 2.2传感器的构成方法（9）电路参数型电路参数型是由敏感元件，以及包含敏感元件在内的转换电路和电源组成的传感器。利用热平衡或传输现象中的二次效应的传感器均属此类。图8电路参数型特点1.敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换；电感位移式；③电涡流位移式；电阻应变式；④电容位移式以及气（湿、光、热）敏电阻等传感器；典型例子2.电源向包含有敏感元件的转换电路提供能量，属于能量控制型。第二讲智能仪器的输入29 2.2传感器的构成方法（10）电感位移式传感器例电感式传感器是用自感（又称电感）的原理，首先把被测量的变化转换为自感L的变化，自感L接入一定的转换电路，便可以转换成电信号输出。(a)气隙型(b)截面型图9电感式传感器原理图第二讲智能仪器的输入30 2.2传感器的构成方法（11）图d所示是电感式传感器的原理图。尽管在铁芯和衔铁之间有一空气隙，但值不大，所以磁路（图中点划线）是封闭的。则线圈自感为：(2-6)式中，N——线圈匝数；R——磁路总磁阻。对图d-1，因气隙厚度δ较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则总磁阻为：(2-7)将RM代入式（2-5）可得：(2-8)当铁芯的结构和材料确定之后，式（2-7）分母的第一项为常数，此时自感L是气隙厚度和气隙截面积S的函数，即L=f（δ，S）。若S保持不变，可构成变气隙型传感器；若S随位移而变，则可构成变截面积型传感器。第二讲智能仪器的输入31 2.2传感器的构成方法（12）多级变换型就是利用敏感元件把被测非电量转换成某种可利用的中间变换物理量，再通过转换元件，有时还用到转换电路，转换成便于测量的电量输出。特点被测量：力、压力、热、加速度、扭矩、温度、流速、湿度等中间变换量：位移转换元件：应变片、电感、电容、霍尔等图10多级变换型第二讲智能仪器的输入32 典型例子2.2传感器的构成方法（13）①能量变换型：压电式加速度传感器；②能量控制型：应变式力传感器等。应变管（筒）式压力传感器例(a)筒式薄壁(b)带温度均衡器的筒式图11筒式压力传感器弹性元件第二讲智能仪器的输入33 2.2传感器的构成方法（14）应变管式压力传感器的弹性元件如（e）图所示。其一端带有法兰与被测系统连接。当没有压力作用时，贴在筒壁上的4个应变片组成的全桥是平衡的；当压力作用在其内腔时，应变圆变成“腰鼓形”，使电桥失去平衡。当应变管内腔与被测压力相通时，圆筒部分外表面周向应变为：(2-9)式中，p——被测压力；μ——泊松比；E——弹性模量；n——筒的外径与内径之比（D/d)。对于薄筒壁可用下式计算：(2-10)式中，d——筒的内径；b——外径与内径之差。根据薄壁筒应力的计算公式有：(2-11)式中，δ——应力；p——被测压力；d——圆筒内径（cm）;h——壁厚（cm）。当压力p和根据使用条件确定了应变管内孔直径后，管后壁h就可求出。第二讲智能仪器的输入34 2.2传感器的构成方法（15）参比补偿型就是采用两个性能完全相同的敏感元件，一个感受被测量和环境条件量，另一个只感受环境条件量而作为补偿用，以达到消除或减少环境干扰的影响的组合形式。图12参比补偿型特点当被测压力变化与环境温度变化接近时压电式压力传感器；例1能够对温度、电源电压等变化的影响起到补偿或消除作用，有利于提高测量精度。用电阻应变式传感器构成参比补偿型时，只需将两个（或以上）敏感元件（一为工作片，一为补偿片）同时接入电桥电路的相邻两壁即可。例2第二讲智能仪器的输入35 2.2传感器的构成方法（16）关于光纤磁传感器的磁致伸缩效应试验例光纤是介质，它不像金属传输线那样干扰电磁场分布。另外，光纤线径极细，并有弹性，故它是测定电磁场的理想材料。光纤磁传感器有两种类型：一是利用磁光效应直接进行磁-光转换，二是借助力等物理量间接进行磁-光转换。实际上，前者是，利用法拉第效应，后者是利用磁致伸缩效应。当给磁体加磁场时，磁体产生伸缩，这种现象称磁致伸缩效应。如图13所示，若在光纤上涂覆磁性膜，则外加磁场时光纤沿轴向伸缩，故光纤中传输的光发生相位变化，从而使光和参考光干涉，光检测器的输出与磁场成正比。图13用磁致伸缩效应的光纤磁传感器结构原理图第二讲智能仪器的输入36 2.2传感器的构成方法（17）差动结构型就是利用两个完全相同的敏感元件同时感受相同的环境量和相反的被测量，以提高传感器的灵敏的和线性度，并减小或消除环境等因素的影响。图14差动结构型第二讲智能仪器的输入37 2.2传感器的构成方法（18）典型例子①能量控制型：差动电阻应变式、差动电容式、差动电感式；②能量变换型：当用压电元件测量压力时，如果其加速度效应的影响不可忽略，则需采用两个压电元件反极性安装构成差动型。差动式电容压力传感器例图15结构示意图如图g-1，g-2所示，差动式电容压力传感器结构简单，灵敏度高，相应速度快（约100ms），能测小差压（0～0.75Pa）。它由两个玻璃圆盘和一个金属（不锈钢）膜片组成。两玻璃圆盘上的凹面深约25μm，其上个镀金作为传感器的两个固定电极，而夹在两凹面盘中的膜片则为传感器的可动电极。第二讲智能仪器的输入38 2.2传感器的构成方法（19）当两边压力p1和p2相等时，膜片处在中间位置与左、右固定电极间距相等，即Cab=Cdb。经转换电路（图g-b），输出U0=0。当p1>p2（或p2>p1）时，膜片弯向p2（或p1）,CabCdb),U0输出与|p1-p2|成比例的信号。这种差压式传感器不仅用来测量p1与p2的压差，也可以用来测量真空或微小绝对压力，此时只要把膜片的一侧密封并被抽到高真空（10-5Pa）即可。图16转换电路第二讲智能仪器的输入39 2.2传感器的构成方法（20）反馈型这是一种闭环系统，即传感器的敏感元件（或转换元件）同时兼作反馈元件，使传感器输入处于平衡状态，因此亦称为平衡式传感器。图17反馈型特点结构复杂，应用于特殊场合，如高精度微差压的测量，以及高速流的测量等。典型例子①力反馈型（包括位移反馈型）：如差动电容力平衡加速度传感器；②霍尔电流传感器。第二讲智能仪器的输入40 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（1）传感器的工作特性就是传感器体现被测变量的精确程度、使用的稳定性、可靠性和使用寿命，以及工作条件的适应性等方面的性质和指标。2.3.1静态特性通常，静态特性表示传感器在被测变量处于稳定状态时的输入—输出特性。衡量传感器的输入—输出特性的重要指标是：线性度（特定函数的应为一致性）、滞后、重复性、灵敏度和稳定性。1.线性度校准曲线与规定直线的吻合程度称为线性度。影响传感器线性度的因素有敏感元件和变换元件的机械特性及电气特性。若传感器没有滞后和蠕变（随时间变化特性）效应，则其输入量为x、输出量为y的静态特性就可表示为：41 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（2）式中，α0—零位输出；α1—传感器的灵敏度(常数K表示)；α2，α3，…，αn—非线性项的系数。这种多项式代数方程可能有下列3种情况，如图所示。(a)(c)(b)图18传感器的特性曲线（2-12），42 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（3）①理想线性如图18a所示。这种情况下，α0=α2=α3=…=αn=0因而得到y=α1x因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为：②在原点附近相当范围内输入-输出特性基本呈线性，如图18b所示。此时只存在奇次项，即对应的对称曲线为y（x）=-y（x）。③普通情况。表达式就是式（2-12），对应的特性曲线如图18c所示。43 第二讲智能仪器的输入2.一致性就是校准曲线与规定曲线（直线、对数曲线、抛物线等）的吻合程度。通常使用的传感器大都为线性传感器，但在有的系统中，为了特殊的需要，也采用正弦、余弦、对数、指数等函数传感器。这类特性的传感器常以测量得到的校准曲线相对于某一给定曲线的一致性来衡量，并用校准曲线与给定曲线之间的最大偏差来表示一致性误差。3.滞环又称滞后，式传感器在正反行程期间输入-输出曲线不重合的程度，或对应与同一大小的输入量的差值。它反映了传感器元件的摩擦、间隙和吸收释放能量的不一致性等缺陷。滞环的大小一般由试验确定，其值以测量上限值输出的百分数表示2.3传感器的工作特性（5）44 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（6）(2-13)式中，δH——滞环的相对误差；△max——同一次测量中，反行程校准曲线与正行程校准曲线偏差的最大值（在多次测量时也可用反行程平均校准曲线与正行程平均校准曲线的最大值）。滞环特性如图19所示。图19滞环特性45 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（7）4.重复性在同一工作条件下，对同一输入值按同一方向连续多次测量，得到的输出值的相互一致程度。5.灵敏度仪表或装置在到达稳态后，输出增量与输入增量之比即为灵敏度。线性传感器静态灵敏度K的计算公式为：函数传感器静态灵敏度K可用dy/dx来表示，但它是工作点的函数。46 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（8）2.3.2动态特性动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量的曲线与输入量的曲线一致或相近。动态特性的好坏往往以输出滞后、幅值变化和波形失真来表征。产生这些现象的原因是包括传感器的测量系统中存在着惯性和阻尼。一般用传感器对于标准动态输入信号的响应来衡量传感器的动态特性。标准动态信号分为正弦信号、阶跃信号和单位脉冲信号，如图20所示。图20标准动态信号（a）正弦信号（b）阶跃信号（c）脉冲信号47 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（9）传感器系统总是一个稳定的系统，其动态特性可以通过将被测量按照标准动态信号形式输入系统，通过测量其动态响应来获得对系统动态性能的认识。传感器的动态响应决定了能够检测的被测量的最高频率限制。传感器系统的动态特性测试及其数学模型描述不同频率的正弦稳态输入——幅频特性，相频特性阶跃信号输入——时域响应，上升时间，调节时间，超调量冲击信号输入——冲击响应，反映了系统的固有特性时域数学模型——微分方程，反映了变化的输入信号经过传感器后产生的响应信号的变化，冲击响应则反映了系统的固有特性频域数学模型——传递函数，反映了输入信号的不同频率分量经过系统后的幅值变化及相移48 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（10）线型系统与非线型系统线性系统数学特征（1）叠加原理（2）比例特性（3）微分特性（4）积分特性（5）频率保持特性系统的动态特性与静态特性之间的关系微分方程系数为定常数（1）非线性系统的时变和非时变特征（2）静态传递关系是微分方程中输入x(t)和输出y(t)不随时间变化的稳态关系（3）时不变的非线性系统可以进行局部线性化，建立稳态工作点附近的线性方程（4）时变的非线性系统，其微分方程系数是时变的（5）静态特性为线性的传感器，其对时变输入信号的响应并不能通过线性映射得到（6）信号不失真的条件：理想的线性相位系统（增益全频率相同，相位线性变化）（7）任何实际的物理系统均不能完全实现信号的不失真，有限频宽是对输入信号的要求49 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（11）线性传感器系统的响应求解频率上，测试系统的输入、输出与传递函数之间的关系：时域上，测试系统的输入、输出与冲击响应的关系：（1）求解传感器系统对输入信号的响应取决于准确的线性系统动态特性建模（2）通过输出响应和传感器的静态线性特性来描述输入信号存在系统误差（3）传感器的频带宽度远远大于信号的有效分量的频带宽度是传感器标定的前提研究阶跃输入信号的响应是获得传感器动态特性的现实方法（1）单位阶跃信号的时域定义（2）频域表示50 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（12）传感器的一阶系统近似（1）一阶系统对阶跃信号的时域响应（2）一阶系统的频域模型传感器的二阶系统近似（1）二阶系统的频域模型及其对单位阶跃信号的时域响应——阻尼系数——无阻尼振荡圆频率（自然频率）特征根——51 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（13）欠阻尼系统，稳定的传感器系统，极点为：临界阻尼系统，稳定的传感器系统，极点为：零阻尼系统，非稳定的传感器系统，极点为：过阻尼系统，稳定的传感器系统，极点为：52 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（14）微分方程的特征根与运动的模态（1）在数学上，线性微分方程的解由特解和齐次微分方程的通解组成，通解由微分方程的特征根决定，它代表自由运动；（2）如果n阶微分方程的特征根是λ1，λ2，…，λn且无重根，则把函数：称为该微分方程所描述运动的模态，也叫振态；（3）每一种模态代表一种类型的运动形态，齐次微分方程的通解则是它们的线性组合；（4）如果特征根中有多重根λ，则模态的函数形如（5）如果特征根中有共轭复根，则其共轭模态可写成实函数：特征方程:特征根:实根特征根通解53 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（15）传递函数的极点和零点对输出的影响（1）传递函数的极点是微分方程的特征根，故它们决定了所描述系统自由运动的模态；（2）传递函数的极点可以受输入函数的激发，在输出响应中形成自由运动的模态；（3）传递函数的零点并不形成自由运动的模态，但它们却影响各模态在响应中所占的比重，因而也影响响应曲线的形状;（4）在系统的零极点图上，如果零点距离某个极点的距离较远，则该极点所决定的模态在响应中所占比重较大；而零点距离某个极点较近，则削弱该零点的比重。部分分式法计算响应举例：54 第二讲智能仪器的输入2.3传感器的工作特性（16）最小相位系统（1）一个稳定系统（没有右半s平面的极点），若其传递函数没有右半s平面的零点，则称为最小相位系统；（2）在具有相同幅频特性的系统中,最小相位系统的相角范围最小,或冲击响应延时最小；（3）最小相位系统的幅频特性和相频特性直接关联，也即一个幅频特性只能有一个相频率特性与之对应；反之亦然；故对于最小相位系统，只要根据对数幅频特性就能写成系统的传递函数；（4）只包含比例、积分、微分、惯性、振荡、一阶微分和二阶微分的系统一定是最小相位系统；包含延时环节和不稳定环节的系统为非最小相位系统。比例环节：惯性环节：积分环节：微分环节：振荡环节：一阶微分环节：二阶微分环节：不稳定惯性环节：延时环节：55 第二讲智能仪器的输入2.4传感器的输出信号一个有较高串联内阻抗的电压源一个有较高并联内阻抗的电流源电压信号电流信号电荷信号一个直流内阻无穷大的电压源电路参数：R、L、C可变的电路参数频率信号可变的频率参数56 习题1一个电量传感器，它对单位幅值输入的阶跃响应为u=10（1-e-5t）（V），问：当它用于对一个单位幅值1Hz正弦输入进行测量时，输出信号的幅值和相移是多少？习题2试求如图所示RC网络的传递函数（运放均为理想运放）习题3假设温度计可用传递函数描述其特性,，现在用温度计测量盛在容器内的水温。发现需要时间才能指示出实际水温的98%的数值，试问该温度计指示出实际水温从10%变化到90%所需的时间是多少?57 习题4系统在静止平衡状态下，加入输入信号，测得响应为:试求系统的传递函数。习题5某惯性环节在单位阶跃作用下各时刻的输出值如下表所示。试求环节的传递函数。58 谢谢!59 60