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1、第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)目目 錄錄 第1章 概 述第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)根底 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)引見 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法 第6章 通訊功能與總線接口 第7章 智能技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的運(yùn)用 第8章 智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用 第9章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)根底要 點(diǎn): 傳感器系統(tǒng)的根本特性; 幾種傳感器的任務(wù)原理; 提高傳感器性能的技術(shù)途徑。第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)2.1 傳感器系統(tǒng)的根本特性 智能化技術(shù)
2、的主要義務(wù)之一是:提高傳感器的精度,改善傳感器的性能安裝、運(yùn)用、維護(hù)、壽命,它的重要性在于提高經(jīng)濟(jì)效益,改善控制程度。 經(jīng)過對傳感器系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性的分析,理處理定傳感器性能及精度的靜態(tài)、動態(tài)技術(shù)目的和根本參量。 首先我們了解一下傳感器的根本知識。目前已研制出來的傳感器有幾千種,廣泛運(yùn)用于各個領(lǐng)域,傳感器的分類有這樣幾種方式。按信號轉(zhuǎn)換效應(yīng)分: 物理型電容式壓力傳感器;化學(xué)型氣敏;生物型利用生物效應(yīng),如電阻的變化、產(chǎn)生熱、生成新的物質(zhì)在生物酶的作用下第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)按構(gòu)成原理分:按構(gòu)成原理分: 構(gòu)外型轉(zhuǎn)換特性由外形和尺寸決議;構(gòu)外型轉(zhuǎn)換特性由外形和尺寸決議; 物性型由
3、傳感器資料特性決議,如熱電偶由塞貝克函數(shù)決議。物性型由傳感器資料特性決議,如熱電偶由塞貝克函數(shù)決議。按構(gòu)成傳感器敏感元件資料分:按構(gòu)成傳感器敏感元件資料分: 半導(dǎo)體、陶瓷、有機(jī)資料。半導(dǎo)體、陶瓷、有機(jī)資料。按運(yùn)用的用途實(shí)踐中用及比較多的按運(yùn)用的用途實(shí)踐中用及比較多的 溫度,壓力電輸出信號,光光輸出信號。溫度,壓力電輸出信號,光光輸出信號。傳感器的運(yùn)作:傳感器的運(yùn)作:1) 1) 接觸型電偶、非接觸型紅外丈量。接觸型電偶、非接觸型紅外丈量。2) 2) 能量轉(zhuǎn)換型熱敏電阻、能量控制型光敏電阻。能量轉(zhuǎn)換型熱敏電阻、能量控制型光敏電阻。3) 3) 轉(zhuǎn)換原理、多重變換熱輻射溫度計(jì)。轉(zhuǎn)換原理、多重變換熱輻射
4、溫度計(jì)。第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)對傳感器系統(tǒng)根本特性的研討,基于兩個方面的目的; 1) 用它作為一個丈量系統(tǒng) 基于知的系統(tǒng)特性和丈量輸出信號了解輸入信號特性。 2) 用于傳感器系統(tǒng)本身的研討、設(shè)計(jì)與建立。 根據(jù)輸入信號是隨時(shí)間變化還是不變化,根本特性分靜態(tài)特性和動態(tài)特性,它是由系統(tǒng)內(nèi)部本身的參數(shù)決議的。2.1.1 靜態(tài)特性 靜態(tài)特性又稱“刻度曲線、“標(biāo)定曲線, 表達(dá)式:1、 靜態(tài)特性的根本參數(shù) 1零位 當(dāng)x0時(shí), 的值 2量程 YFS,又稱“滿度值 2012.nny s sx sxsx 00ys第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 輸出規(guī)范化的傳感器系統(tǒng)又稱“變送器 對于模
5、擬量,零位: ,上限值: ,量程YFS16mA。數(shù)字量:尚無規(guī)范。3靈敏度 a b相對靈敏度: 或 c靈敏度與靜態(tài)特性線性與非線性;靈敏度的高與低。 d交叉靈敏度的概念 多輸入 , , 單輸出 系統(tǒng) 智能傳感器系統(tǒng)可以依托強(qiáng)大的軟件功能降低交叉靈敏度對丈量結(jié)果的影響如采用數(shù)據(jù)交融技術(shù)。004ysm A20F Sym Ayxs輸出量的變化量輸入量的變化量/y yxs/yx xsPxVxTxyTPPVVTysxsxsx 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 4分辨率 表征系統(tǒng)有效分辨輸入量最小變化量的才干。 具有A/D轉(zhuǎn)換器的傳感器系統(tǒng),分辨率為一個量化值q對應(yīng)的輸入變化量,對于實(shí)踐丈量,要求
6、:噪聲電平 q/2。 智能傳感器系統(tǒng)可尋取軟、硬件的方式來抑制噪聲,提高分辨率。比如先測出零輸入的噪聲信號,然后減去 。2、 靜態(tài)特性的性能目的1遲滯 表征系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi),輸入量由小到大正行程或由大到小反行程兩個靜態(tài)特性不一致的程度,如磁滯曲線。 相對誤差: 100 ()mHHY FS第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 2反復(fù)性 系統(tǒng)輸入量按同一方向作全量程、延續(xù)多次變動時(shí),靜態(tài)特性不 一致的程度。 相對誤差: 100 R:多次循環(huán)同向行程輸出量的最大絕對誤差,見上圖。 3線性度 系統(tǒng)靜態(tài)特性對選定的擬合曲線的接近程度。R()RYFS第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 相對誤差
7、: 100 擬合直線的方法: a實(shí)際線性度; b平均選點(diǎn)線性度; c端基線性度; d最小二乘法線性度。 對應(yīng)上述幾種方式擬合直線表達(dá)式: a b c d ()mLLY FSFSFSyxyx1212nnyyyxxxyx00FSFSyyxyxyybkx第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 差方均: 為最小值,亦即: ,4系統(tǒng)的總精度為量程范圍內(nèi)的根本誤差與滿度值YFS之比的百分?jǐn)?shù)。()jjjLb kxy211()( , )NjNjLf b k(,)0fbkb(,)0fbkkY(FS)Y(FS)A系統(tǒng)誤差的絕對值(遲滯、線性度)隨機(jī)誤差的絕對值(重復(fù)性)基本誤差()()()()LHRYFSYFS
8、YFSLHRYFS第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 傳感器技術(shù)的主要義務(wù)之一就是努力于改善靜態(tài)特性。 靜態(tài)特性是在規(guī)范實(shí)驗(yàn)條件下獲得的,在實(shí)踐運(yùn)用中,由于環(huán)境條件的改動還將產(chǎn)生附加誤差,其中溫度附加誤差是主要的。5溫度系數(shù)與溫度附加誤差 a零位溫度系數(shù) T:傳感器系統(tǒng)任務(wù)溫度變化范圍。 未經(jīng)補(bǔ)償?shù)膲鹤枋綁毫鞲衅?/ 例如:量程Y(FS)=100mv, T =60, 那么溫度附加誤差的相對值6滿量程。 b靈敏度溫度系數(shù) 及其溫度附加誤差 未經(jīng)補(bǔ)償?shù)膲鹤枋綁毫鞲衅鳎?/ 5 /) 000()100%myT Y FS 30100 6mymV()100%mysT Y FS 212111(
9、)( )( )( )( )( )S TS Ty Ty TsS TTy TT3(10s 410s第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) T60時(shí), 引起的溫度附加誤差的相對值:(63)%。 傳統(tǒng)的傳感器改善傳感器的溫度穩(wěn)定性比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力,經(jīng)過補(bǔ)償后, 、 均可減小一個數(shù)量級。 智能傳感器系統(tǒng)主要采用軟件補(bǔ)償技術(shù)及數(shù)據(jù)交融技術(shù)。2.1.2 動態(tài)特性 系統(tǒng)的動態(tài)特性反映了丈量動態(tài)信號的才干,這里主要討論系統(tǒng)動態(tài)特性、信號頻率范圍與動態(tài)誤差的相應(yīng)關(guān)系。 動態(tài)特性用數(shù)學(xué)模型來描畫,有三種方式: 時(shí)域中的微分方程,復(fù)頻域中的傳送函數(shù)差分方程、形狀方程,頻率域中的頻率特性。1、 微分方程 常見的傳感器系統(tǒng)
10、是一個一階或二階系統(tǒng),高階系統(tǒng)由二者合成。 1 一階系統(tǒng)s0s第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 如熱電偶測溫元件。 2 二階系統(tǒng) 壓力傳感器的彈性敏感元件可等效為質(zhì)量彈簧阻尼力學(xué)系統(tǒng)。 規(guī)范方式: 諧振頻率: ,固有頻率:dydxyKxK:放大倍數(shù), :時(shí)間常數(shù)22d ydydtdtmbkyF22221nnd ydydtdtyKxKn:系統(tǒng)無阻尼固有角頻率, :阻尼比, :直流放大倍數(shù)或靜態(tài)靈敏度knm2bmk1kK 212rn21dn mb: 等 效 質(zhì) 量 ,: 阻 尼 系 數(shù) , k:彈 簧 剛 度 系 數(shù)第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)2 2、 傳送函數(shù)傳送函數(shù) 1 1
11、一階系統(tǒng):一階系統(tǒng): 2 2二階系統(tǒng):二階系統(tǒng):3 3、 頻率特性頻率特性 頻率特性是拉氏變換因子頻率特性是拉氏變換因子s s的實(shí)部為零的拉氏變換,又稱傅氏變換。的實(shí)部為零的拉氏變換,又稱傅氏變換。 1 1一階系統(tǒng):一階系統(tǒng): 2 2二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)1( )KsH s2212( )( )1( )nnY sKX sssH s1()KjH j:特征參數(shù)21 () 2()nnKjH jn , :特征參數(shù)()()( )jH jAe 又可表示為:( )( )A :幅頻特性,:相頻特性第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) * 一階系統(tǒng): 幅頻特性: 對數(shù)幅頻特性: 相頻特性: * 二階系統(tǒng): 相頻特性
12、:4、 動態(tài)誤差 假定,輸入信號: 輸出信號: , 直流放大倍數(shù)為1 211()()()AH ( )20lg( )LA( )arctan 2 2211 () (2)( )nnA221 ()( )arctannn ( )20lg( )LA0( )sinx txt0( )sin()y tyt第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 動態(tài)幅值誤差可表示為: 表示0時(shí)的幅頻特性的模,結(jié)合上述頻率特性表達(dá)式可得: 1一階系統(tǒng): 頻率越高,動態(tài)幅值誤差越大,當(dāng) , 要減少,時(shí)間常數(shù)要足夠小。 2二階系統(tǒng): 目的頻率越高,誤差越大,希望 越大越好。由 可知,減少m,可增大 。 采用微機(jī)械加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微米數(shù)
13、量級尺寸,使微型化的壓阻式壓力傳感器固有頻率1MHz以上,而傳統(tǒng)壓力傳感器固有頻率 只需幾十KHz。 ()(0)(0)100%HHH(0)H211 ()11 時(shí)=29.32 2211 () (2)1nnnknmnnf第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 研討傳感器的動態(tài)性能時(shí),為防止復(fù)雜數(shù)學(xué)上帶來的困難,通常都忽略了傳感器的非線性,把傳感器簡化為一個集中參數(shù)系統(tǒng)。 用常系數(shù)線性常微分方程來描畫: 傳感器的物理模型,通常分別用零階、一階、二階來描畫。 例如: 電位器傳感器為零階 熱敏傳感器為一階 加速度傳感器為二階 121212100nnnnd ydyd ydynndtdtdtdtaaaaa
14、 yb x第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)作業(yè)2: 一個二階傳感器系統(tǒng),要想改善其動態(tài)特性,應(yīng)如何進(jìn)行,試用不同的模型方式詳細(xì)分析之。 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 幾種傳感器動態(tài)特性分析方法:幾種傳感器動態(tài)特性分析方法:1 1、 脈沖呼應(yīng)函數(shù)法脈沖呼應(yīng)函數(shù)法 對于線性傳感器,恣意方式的輸入對于線性傳感器,恣意方式的輸入x xt t看成是由無數(shù)個看成是由無數(shù)個“脈沖疊脈沖疊加組成,加組成, ,對應(yīng)每一個脈沖輸入,傳感器都有一個,對應(yīng)每一個脈沖輸入,傳感器都有一個響響應(yīng)應(yīng) , 因此總輸出因此總輸出 是是 , 之和:之和: :脈沖呼應(yīng)函數(shù):脈沖呼應(yīng)函數(shù)2 2、 傳感器動態(tài)模型的
15、分類傳感器動態(tài)模型的分類 1 1參數(shù)量與非參數(shù)量型參數(shù)量與非參數(shù)量型12( )( ),( )x tx tx t1( )y t2( )y t 1( )y t2( )y t( )( ) ()y txh td( )h t 拉氏變換雙線性變換微分方程傳遞函數(shù)差分方程非:脈沖相應(yīng)、幅頻特性和相頻特性( )y t第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 2延續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)模型 參數(shù)模型是個表達(dá)式,而非參數(shù)模型是條曲線。3、 動態(tài)建模方法: 1機(jī)理分析法 根據(jù)各種根本實(shí)際,對傳感器的轉(zhuǎn)換原理進(jìn)展分析和籠統(tǒng),提出模型,列出微分方程。2實(shí)驗(yàn)建模法 對傳感器進(jìn)展動態(tài)標(biāo)定,采集輸入、輸出數(shù)據(jù);采用系統(tǒng)辨識,時(shí)間序
16、列分析和沃爾什變換等方法,建立其差分方程或微分方程方式的數(shù)學(xué)模型。 微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)方程差分方程、離散傳遞函數(shù)、離散狀態(tài)方程第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)建模法的特點(diǎn): a 需求動態(tài)標(biāo)定如數(shù)據(jù)采集、記錄設(shè)備; b 要選擇適宜的標(biāo)定方法如鼓勵信號,既要簡單、易行,又要能充 分考核傳感器的動態(tài)特性。 c 其模型不直接反映傳感器的構(gòu)造和原理; d 所建模型便于與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照,準(zhǔn)確、可靠。第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)2.2 幾種傳感器的任務(wù)原理 這里主要引見幾種易于采用規(guī)范集成化工藝來實(shí)現(xiàn)的傳感器,如:構(gòu)外型;諧振式;電荷耦合器件CCD及指紋傳感器;氣敏傳感器。2.
17、2.1 構(gòu)外型傳感器 任務(wù)原理與傳統(tǒng)的構(gòu)外型傳感器完全一樣,由兩部分構(gòu)成: 1等效機(jī)械系統(tǒng),將被丈量變換為中間變量; 2變換器,將中間變量變換為輸出量。第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 主要引見基于半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)的電阻式變換器和基于電容效應(yīng)的電容式變換器??蓽y:壓力,加速度等參量。1、 基于壓阻效應(yīng)的電阻變換器 1壓阻效應(yīng) 指半導(dǎo)體資料遭到應(yīng)力西格瑪作用時(shí),其電阻率發(fā)生明顯變化的景象。 電阻率相對變化: :資料的壓阻系數(shù) Si約為4080 電阻絲的電阻值: ,假設(shè)受拉力F作用時(shí), 添加 , 截面半徑減少 ,電阻率 增大 ,那么有: 由資料力學(xué): EdE lSRddRdldSRlSdrd
18、lrl dld11102/m Nrldr:泊松比第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 由虎克定律: 將 , 代入 得: a金屬資料: 無壓阻效應(yīng): , , ; b半導(dǎo)體資料的壓阻系數(shù)很大: E : 彈 性 模 量 ;drdlrl llEdlElEdRR2(12)dRdldldlEERlllEEGG:材料的靈敏度系數(shù)00.5122G 1336621EEGEE211211/1067. 1/108040mNENmE;第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 1基于壓阻效應(yīng)的變換器 半導(dǎo)體硅資料的特性:具有良好的壓阻特性和優(yōu)良的彈性性能,加工工藝:半導(dǎo)體分散工藝,離子注入工藝;制造型式:p型硅電阻
19、條。 電阻條在應(yīng)力作用下的相對變化量: 壓阻系數(shù)應(yīng)具有明顯的各向異性,在不同的晶面、晶向上其壓阻系數(shù)不同。 三種晶面: 如以下圖RlliiR ,:li 分為縱向、橫向壓阻系數(shù)第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)硅晶體構(gòu)造:硅晶體構(gòu)造: 硅晶胞,晶格常數(shù)為:硅晶胞,晶格常數(shù)為:a a; 硅是共價(jià)鍵,四方體構(gòu)造,硅原子之間共有兩個電子;硅是共價(jià)鍵,四方體構(gòu)造,硅原子之間共有兩個電子; 晶面:節(jié)點(diǎn)的陳列完全一樣;晶面:節(jié)點(diǎn)的陳列完全一樣; 相鄰面之間間隔相等;一簇晶面可以把一切節(jié)點(diǎn)都包括進(jìn)去;晶面相鄰面之間間隔相等;一簇晶面可以把一切節(jié)點(diǎn)都包括進(jìn)去;晶面不不同,晶面上的節(jié)點(diǎn)密度原子密度就不同;晶
20、面普通用晶面指數(shù)來標(biāo)同,晶面上的節(jié)點(diǎn)密度原子密度就不同;晶面普通用晶面指數(shù)來標(biāo)記。記。 取最小截距的整數(shù)值的晶面指數(shù)稱為密勒指數(shù)。截距為負(fù)數(shù),指數(shù)取最小截距的整數(shù)值的晶面指數(shù)稱為密勒指數(shù)。截距為負(fù)數(shù),指數(shù)上上劃劃“一作為標(biāo)志:一作為標(biāo)志:100100,010010,001001晶面簇晶面簇100100。 晶軸:對稱性較高的晶向。晶軸:對稱性較高的晶向。 晶格間距:晶格間距: 212222alknd第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 晶體中所取的方向不同,其物理、化學(xué)性質(zhì)不同,構(gòu)成了晶體的各向異性: 100 5.42 腐蝕速率,最快 110 3.83 快 111 3.13 慢 晶向:取與晶
21、面垂直的法線方向表示:100,110,111。一簇對應(yīng)的晶向:, , 。物理型傳感器與物質(zhì)常數(shù):第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 傳感器材料物質(zhì)常數(shù)有無利用各向異性基本傳感器例子半導(dǎo)體霍爾系數(shù)有霍爾元件半導(dǎo)體壓阻系數(shù)有形變規(guī)壓電體壓電率有超聲波傳感器熱釋電體熱釋電常數(shù)有紅外探測器強(qiáng)磁性體磁阻增加率有磁傳感器半導(dǎo)體金屬電阻溫度系數(shù)無熱敏電阻半導(dǎo)體金屬賽貝克系數(shù)無熱電偶半導(dǎo)體量子效應(yīng)系數(shù)無光電管半導(dǎo)體光電導(dǎo)增益無光電池第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)壓阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式壓阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 晶體中遭到應(yīng)力作用,在晶胞中電場分量晶體中遭到應(yīng)力作用,在晶胞中電場分量 是電流密度是電流密
22、度 應(yīng)力應(yīng)力 的函數(shù)。的函數(shù)。 ,i i、j j、k k、l l均為均為1 1,2 2,3 3;不思索壓電效應(yīng)和;不思索壓電效應(yīng)和恒流供電:恒流供電: 壓阻系數(shù)壓阻系數(shù): : 我們把我們把 與零應(yīng)力時(shí)的電阻率與零應(yīng)力時(shí)的電阻率 的比值定義為壓阻系數(shù),的比值定義為壓阻系數(shù),即:即: 1 1根本壓阻系數(shù)根本壓阻系數(shù) 作用在作用在SiSi晶體的應(yīng)力,有三個獨(dú)立的垂直應(yīng)力分量晶體的應(yīng)力,有三個獨(dú)立的垂直應(yīng)力分量 ijkliEjJ(,)ijklEf Jijkldijkld0/ijklijkl0123, kl第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)和三個獨(dú)立的剪切應(yīng)力分量 見以下圖 應(yīng)力 所引起的電阻率相
23、對變化為: 電阻率變化量、壓阻系數(shù)、應(yīng)力三者之間的關(guān)系: 在晶軸座標(biāo)系中,三個晶軸是完全等效的, , 思索垂直應(yīng)力不產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng),剪切應(yīng)力不產(chǎn)生垂直壓阻效應(yīng)。 壓阻系數(shù)矩陣變?yōu)? 456, 126, 0 10206(/) ,(/)(/) 10 111162026166066(/)(/)(/) 112233445566第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) :縱向壓阻系數(shù), :橫向壓阻系數(shù), :剪切壓阻系數(shù) 、 、 統(tǒng)稱為晶軸座標(biāo)系的壓阻系數(shù)。 2恣意座標(biāo)系非晶軸座標(biāo)系的壓阻系數(shù): 用橫向壓阻系數(shù) 指電流方向與應(yīng)力方向垂直和縱向壓阻系數(shù) 電流方向與應(yīng)力方向一致表示:111212121112
24、1212114444440000000000000000000000001112222222111112441111112()()ll mm nl n22222212111244121212()()tl lm mn n44111244tl第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) , , :縱向方向余弦; , , :橫向方向余弦。 2、 基于電容效應(yīng)的電容變換器 1平板電容器 ,:介電常數(shù),:板板間隙。 集成傳感器中制造電容變換器主要采用改動S和的方法實(shí)現(xiàn)。 2電容式變換器 a變間隙式電容變換器 i輸入輸出特性 或 之間的關(guān)系 在被測參量的作用下,動電極發(fā)生位移,產(chǎn)生變形, (S=0) , ,當(dāng)
25、 時(shí)1l1m1n2l2m2n0Scccc00Scc 00101cc 0001(1)cc1第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 展開的冪級數(shù)為: 輸入輸出的關(guān)系存在嚴(yán)重的非線性。 ii) 靈敏度 : 近似值: ,與 的平方成反比, 越小,靈敏度越高。 iii) 實(shí)際線性度 理想的擬合曲線方程: 擬合偏向: 最大擬合偏向: 00002(1()cc cK0200cScK00020()mmc00002(1()cccK 00CC)(200000CCC第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 實(shí)際線性度誤差: , 越小,線性度越差。 線性度誤差的產(chǎn)生,源于靈敏度的非常數(shù)。 b變面積式電容變換器 i輸入
26、輸出特性: 0 ii靈敏度: 常數(shù) iii實(shí)際線性度: 上面我們引見了基于“壓阻效應(yīng)和“電容效應(yīng)的變換器,下面我們引見以此為根底的傳感器。3、 壓力傳感器 1壓阻式壓力傳感器 0()100mmlY FS00cS 0ccSK0l第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)常見的微機(jī)械壓力傳感器類型 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 常用的彈性敏感元件有:周邊固支的圓形、方形和矩形膜片。電阻改動量與相應(yīng)部位膜片的應(yīng)力成正比,下面我們推導(dǎo)這種關(guān)系: a周邊固支圓形膜片 根據(jù)彈性力學(xué)實(shí)際: 徑向應(yīng)力: 切向應(yīng)力: r0, , 到達(dá)最大值: r0.635a, 0;r0.812a, 0; ra, ,
27、的絕對值最大。 222238( )(1)(3)Prrhara222238( )(1)(31)Prtharart2238(0)(0)(1)Prthartrt第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) , 普通選001,011,211三個晶面族的晶面制造壓敏電阻。 i假設(shè)按以下圖在膜片上的同一應(yīng)力區(qū)沿1 0或1 1 0晶向制造P型硅電阻,此時(shí)電阻的壓阻系數(shù)最大。 2234( )arhaP 2234( )athaP 1第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 縱向壓阻系數(shù): 橫向壓阻系數(shù): :剪切壓阻系數(shù),由實(shí)驗(yàn)測定。 對于電阻 、 而言: 縱向應(yīng)力: ;橫向應(yīng)力: ,那么: 對于電阻 、 而言: 縱
28、向應(yīng)力: ;橫向應(yīng)力: ,那么:1442(100)l1442(100)i 441R3Rlrit2312133Pr1444428()(1)RRrtRRh 2R4Rltir2242243Pr448(1)RRRRh第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 由上式可見,在壓力P的作用下,電阻的變化與半徑成正變,與膜片厚度成反變。當(dāng)ra時(shí),即在邊緣處電阻變化是最大。 解釋橫向、縱向與徑向、切向的關(guān)系。 由于 、 與 、 有一樣的變化量,但符號相反,適宜于構(gòu)成全橋差動電路。 靈敏度: ii假設(shè)壓阻電阻分別位于正、負(fù)應(yīng)力區(qū): 選用N型硅110晶面作彈性膜片,沿110晶向的直徑上制造四個等值P型硅電阻,如右圖
29、所示。此時(shí): 縱向壓阻系數(shù): 橫向壓阻系數(shù): 223r448(1)RRRPhS 1442(110)l(110)0i1R3R2R4R第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 引起電阻改動量的符號取決于應(yīng)力的方向。 , 經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)電阻條的長度和位置,可以保證: ,即四個電阻條的平均應(yīng)力相等。在P的作用下,四個電阻的變化量相等,而符號相反,構(gòu)成差動全橋輸出。 平均應(yīng)力的計(jì)算公式: 除了圓形膜片外,還有周邊固支的方形、矩形膜片,它們均可建立: , k:與壓阻系數(shù)有關(guān)的常數(shù)。2444242(2,4)RRrRR31131442(1,3)RRrRR 2413rrrrr lrrr lrdrrdrRRkP第
30、2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) b動態(tài)性能 周邊固支圓形彈性膜片的固有頻率: :硅的密度; :彈性模量; 0.35:硅的泊松比; 模的橫向剛度系數(shù)。 當(dāng)a0.045 ,h108 , 2.268 橫向剛度系數(shù): ,F(xiàn):壓力,W:中心撓度。 中心撓度: nf22254123 (1)KhEnmaf32.35 /g cm1121.67 10/EN mKcmmMHzFWK3432416. 016)1 (3haEPPEhaW第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) c保證線性的根本條件 i中心撓度W不能太大,要保證好的線性關(guān)系: 這時(shí) ,另外,上述一些公式的推導(dǎo)是建立在小撓度實(shí)際的根底上的,應(yīng)力較
31、大時(shí)這種線性關(guān)系便不成立,硅的破壞應(yīng)力: ,要求 ,亦即: ,這時(shí): , 上述兩個公式是對被測壓力量程的要求。 ii采用E型構(gòu)造 d硅彈性膜片對性能的影響 正方形、長方形膜片的輸出靈敏度高于圓形;圓形膜片精度高,低微壓力、高壓力性能好;小型化和易于批量消費(fèi)的角度,方形優(yōu)于圓形。0.1Wh824.5 10/mN m0.2m0.2rtm220.2()hmaP4461.0aEhP第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)作業(yè)3: 為什么方形膜片的輸出靈敏度高,而圓形膜片精度高,試分析之。作業(yè)4: 假設(shè)在2 1 1晶面上制造P型硅電阻,請問按以下圖在膜片上的同一應(yīng)力區(qū)沿什么晶向制造,此時(shí)電阻的壓阻系數(shù)最
32、大,是多少?第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 2電容式壓力傳感器 變換方式: 與壓阻式壓力傳感器相比的優(yōu)點(diǎn):靈敏度高;溫度穩(wěn)定性好;壓力量程低。 a圓形膜片壓力敏感電容變換器 , b:鋁電極半徑0200,0bCP()ccPW撓度1408.87 10/F cm22232)(16)1 (3, 0raEhPWPr第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 電容器的電容: ,當(dāng) 時(shí), ,其中, 。 舉例闡明: 22m,a500m,b350m,h20m 當(dāng) 時(shí), , , 。 i輸入輸出特性 ii壓力靈敏度0200rbrdrWc00W24303(1)24103
33、161 (1)aEhccggPbag 0429.8 10/PN m01.7cpF00.77Wm2.08cpF243003(1)241316(1)accEhggP24030/3(1)241316(1)c cacPEhSgg第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 與壓阻式的比較: 按上例的參數(shù): 闡明:電容式壓力傳感器比壓阻式壓力傳感器靈敏度高。 b) 動態(tài)性能 取決于彈性敏感元件,應(yīng)該與壓阻式壓力傳感器一致。4、加速度傳感器 1丈量加速度的方法原理 壓阻式,電容式,壓電式,利用的根本上是mkb機(jī)械系統(tǒng),只是變換器輸出的參量不同, 。 24123440(1)(1)2cRggSaSEh51.5cR
34、SS,Rcv第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 在慣性式加速度計(jì)的力學(xué)模型中,我們需求了解的是其特性與參量間的關(guān)系: mkb機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)完成對被測加速度 轉(zhuǎn)換為中間變量,變形位移y的義務(wù),配以不同方式的檢測或y的變換器那么構(gòu)成不同方式的加速度傳感器。 2基于壓電效應(yīng)的加速度傳感器 壓電效應(yīng)是可逆的,壓電傳感器是一種典型的“雙向傳感器。 a正壓電效應(yīng):沿一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形,在一定外表上產(chǎn)生電荷,外力去掉,又重新回到不帶電的形狀。 b逆壓電效應(yīng):在電介質(zhì)的極化方向施加電場,電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)活力
35、械變形或機(jī)械應(yīng)力。 21(0)nknmmakHKmKK無阻尼固有振蕩頻率靜態(tài)靈敏度axgg第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) c缺陷:無靜態(tài)輸出,要求有很高的電輸出阻抗,需用低電容的低噪聲電纜,任務(wù)溫度25。 輸出電荷表達(dá)式: ,d:壓電系數(shù) 壓電式加速度傳感器:QdFijQd m xgg第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 3伺服式加速度計(jì) 又稱力平衡式加速度計(jì),具有負(fù)反響環(huán)節(jié)。 優(yōu)點(diǎn):大大改善加速度計(jì)的動態(tài)性能與靜態(tài)精度。 在以下圖中假設(shè): 轉(zhuǎn)換系數(shù)為1,那么閉環(huán)系統(tǒng)的前向通道的傳送函數(shù):/ cu 212( )( )1( )nnU sKF ssH s第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳
36、感技術(shù)基礎(chǔ)第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 無反響時(shí),輸出電壓u在一定頻帶范圍內(nèi) 與慣性力f或者說被測加速度a成正比。 有反響時(shí),Is是一個反向傳感器, 與u成正比,方向與 相反,當(dāng)系統(tǒng)處于動態(tài)平衡時(shí), ,質(zhì)量塊位移量極小。 反向傳感器傳送函數(shù): 常數(shù) 閉環(huán)傳送函數(shù): , 以加速度a為輸入,電壓u為輸出: , , ,0n1ff0f 1( )2( )( )F sU sI sK( )( )( )1( ) ( )( )U sH sF sH s I sW s( )( )( )U sF sH s1( )( )( )1( )1( ) ( )( )( )( )H sU sH saA sH s I s
37、I sHsW s mmm212101nnss201KmKKs21nnKK21KK第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 對于上述系統(tǒng)總傳送函數(shù),我們可作如下討論: a該系統(tǒng)仍為一個二階系統(tǒng); i) ,固有角頻率擴(kuò)展了 倍。 ii) 阻尼比 減少了 倍。 iii) 0時(shí),靜態(tài)增益為 ,減少了 倍。 b) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)精度 系統(tǒng)的相對誤差: 假設(shè): 10, 20, 1 那么:-0.5。21nnKK21KK21KK0s21KK222111KKHIKKKKH2KKI第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)2.2.2 2.2.2 諧振式頻率輸出型傳感器諧振式頻率輸出型傳感器 諧振式傳感器需求處理的問
38、題:諧振式傳感器需求處理的問題: 諧振式與被測對象之間關(guān)系的建立:激振方式的選擇,頻率的丈量。諧振式與被測對象之間關(guān)系的建立:激振方式的選擇,頻率的丈量。 特點(diǎn):直接輸出準(zhǔn)數(shù)字量,如頻率,相位或計(jì)數(shù)脈沖;精度高,穩(wěn)定特點(diǎn):直接輸出準(zhǔn)數(shù)字量,如頻率,相位或計(jì)數(shù)脈沖;精度高,穩(wěn)定性好。性好。 1 1諧振構(gòu)造方式:懸臂梁、振弦、振膜、振筒等等。諧振構(gòu)造方式:懸臂梁、振弦、振膜、振筒等等。 2 2使力學(xué)構(gòu)造起振的方式:利用逆壓電效應(yīng)的壓電鼓勵、熱脈沖鼓勵、使力學(xué)構(gòu)造起振的方式:利用逆壓電效應(yīng)的壓電鼓勵、熱脈沖鼓勵、光脈沖鼓勵;利用電容效應(yīng)的靜電力鼓勵;加電流脈沖的鼓勵。光脈沖鼓勵;利用電容效應(yīng)的靜電力
39、鼓勵;加電流脈沖的鼓勵。 3 3丈量方式:利用壓電效應(yīng)的壓電變換器,基于壓阻效應(yīng)的電阻變換丈量方式:利用壓電效應(yīng)的壓電變換器,基于壓阻效應(yīng)的電阻變換器;電容變換器等。器;電容變換器等。 為維持等幅振蕩,需參與具有正反響的環(huán)節(jié)。為維持等幅振蕩,需參與具有正反響的環(huán)節(jié)。 舉例闡明諧振傳感器的任務(wù)原理:舉例闡明諧振傳感器的任務(wù)原理:第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)1 1、 一根張緊弦的固有頻率一根張緊弦的固有頻率 單自在度機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)的無阻尼固有頻率:單自在度機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)的無阻尼固有頻率: :張緊弦的橫向剛度系數(shù):張緊弦的橫向剛度系數(shù) ; , :線密度;那么:線密度;那么: 根據(jù)上式,可測:
40、力、位移、壓力、等,構(gòu)成頻率輸出型傳感器。根據(jù)上式,可測:力、位移、壓力、等,構(gòu)成頻率輸出型傳感器。2 2、 恒定磁場中通電流振弦的等效電路恒定磁場中通電流振弦的等效電路 主要是建立起一種變換關(guān)系,即在主要是建立起一種變換關(guān)系,即在m mk kb b機(jī)械系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)與LCLC并聯(lián)電路之并聯(lián)電路之間建立一種關(guān)系。間建立一種關(guān)系。122nknmf02 Flklmll012lFnlf第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 在上圖中, , , 電流 遭到的磁場作用力 為抑制慣性力使弦產(chǎn)生加速度 ,其位移引起電容量變化,因此: , ,CLiiiCLFFF1ecCCui dtLdiLedtuLCiCF
41、CdvdtCdvCCdtFBlim1CCmvF dt第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 電流 遭到的磁場作用力 為抑制彈性力使振弦產(chǎn)生橫向變形位移x, ,k:弦的橫向剛度系數(shù); 弦長的變化引起電感量的變化,弦的形變位移速度: 與前面的公式相互比較: , 。 LC并聯(lián)回路的諧振頻率: 闡明:在恒定磁場中通以電流i的振弦,其力學(xué)系統(tǒng)的固有頻率與其2 2B lCCCmeBlvi dtLLFBlikxdxLdtv2 2LdiB lLLkdteBlv2 2meB lC 2 2B lekL 111222eeknmLCL CfLiLF第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)等效 、 并聯(lián)電路的諧振頻率
42、一致,從而闡明輸出電壓信號的頻率可以直接反映壓力的變化。3、 丈量電路 可采用上述的等效電路模型。 舉例:日本橫河公司開發(fā)出的H型硅微構(gòu)造諧振式壓力變送器,量程為 Pa的精度為 ,4050任務(wù)范圍內(nèi)的綜合精度為 0.49。4、 振弦式力諧振傳感器的輸出輸入特性 在公式 中,假定: ,那么: ; 它的冪級數(shù)展開式為:4100.1012lFnlf0FFF01FnFff0002311128161()()FFFnFFFffeLeC第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) , 具有較大的非線性,忽略高階量,實(shí)際線性度: 靈敏度: ; 假設(shè)采用差動式構(gòu)造,即一個固有振蕩頻率添加,另一個減少,兩者輸出之差作
43、為輸出,那么 ,S1; 5、 諧振型溫度計(jì) 利用晶體的各向異性,經(jīng)過選擇適當(dāng)?shù)那懈罱嵌?,把溫度系?shù)小的晶體用作頻率的基準(zhǔn),溫度系數(shù)大的作為丈量頻率。 特點(diǎn):分辨率高,穩(wěn)定性好,輸出頻率信號。nff000231112816()()FFFnnFFFffff 21801020()14FFFFFLF0/1/2nffF FS0218()FLF第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 晶體振子頻率 的溫度特性近似用下式表示: ; 、:由切割角度決議的常數(shù)。tf2300001()()() tfftttttt第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)2.2.3 CCD2.2.3 CCD圖像傳感器圖像傳感器cha
44、rge coupling devicecharge coupling device CID CIDcharge infusion devicecharge infusion device電荷注入器件電荷注入器件補(bǔ)充:光傳感器補(bǔ)充:光傳感器 1) 1)、作為光量檢測的方法、作為光量檢測的方法 a a將光照射到顯示光電效應(yīng)的物質(zhì)上,直接得到電輸出;將光照射到顯示光電效應(yīng)的物質(zhì)上,直接得到電輸出; b b光被物質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊?,從而丈量物質(zhì)溫度的升高而反映光的光被物質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔瑥亩闪课镔|(zhì)溫度的升高而反映光的信息;信息; c c利用光的干涉效應(yīng),產(chǎn)生光波頻率的和及差,反映光的信息。利用光的干涉
45、效應(yīng),產(chǎn)生光波頻率的和及差,反映光的信息。 光電效應(yīng)分:光電效應(yīng)分: a a內(nèi)光電效應(yīng):入射光子引起元件物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生或感應(yīng)出電子和空內(nèi)光電效應(yīng):入射光子引起元件物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生或感應(yīng)出電子和空穴等載流子,這些載流子停留在物質(zhì)內(nèi)部,引起物質(zhì)電性質(zhì)發(fā)生變化內(nèi)穴等載流子,這些載流子停留在物質(zhì)內(nèi)部,引起物質(zhì)電性質(zhì)發(fā)生變化內(nèi)量子效應(yīng),它分光電導(dǎo)效應(yīng)和光電效應(yīng)。量子效應(yīng),它分光電導(dǎo)效應(yīng)和光電效應(yīng)。 i i光電導(dǎo)效應(yīng):改動元件物質(zhì)的電導(dǎo)率,用于制造光敏電阻。光電導(dǎo)效應(yīng):改動元件物質(zhì)的電導(dǎo)率,用于制造光敏電阻。 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) ii光電效應(yīng):入射光在兩種半導(dǎo)體的結(jié)合處激發(fā)起電子空穴對,電
46、子與空穴分別向相反的方向挪動,從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。PN結(jié)、光敏二極管 、三極管、CCD等。 b外光電效應(yīng):入射光被物質(zhì)的外表所吸收,并從外表向外部釋放電子,又稱光電發(fā)射效應(yīng),如光電管、光電倍增管。 2)、 MOS構(gòu)造的非穩(wěn)定性 當(dāng)足夠數(shù)目的電子聚集在外表時(shí),到達(dá)飽和形狀,此時(shí)分開外表的分散電流和流向外表的漂移電流到達(dá)動態(tài)平衡,到達(dá)飽和形狀所需要的時(shí)間稱為熱馳豫時(shí)間,室溫下為1秒到幾秒,信號電荷的存貯時(shí)間 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)要遠(yuǎn)小于熱馳豫時(shí)間。 3、電荷傳輸?shù)暮唵文P?4、轉(zhuǎn)移效率 CCD是一種動態(tài)模擬移位存放器,信號電荷的轉(zhuǎn)移效率最重要,設(shè)從一個電極轉(zhuǎn)移到下一個電極的轉(zhuǎn)移效
47、率為: 。 對應(yīng)的 稱為失效率, 。轉(zhuǎn)移N個電極后電荷量為 ,那么: ,普通要求 。 10QQ0QQ10QQQNQ0(1)NQNNQ090%NQQ第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 外表溝道電荷耦合器件SCCD與埋溝道電荷耦合器件BCCD的區(qū)別: BCCD的優(yōu)點(diǎn):傳輸效率到達(dá)99.99,傳輸速度提高; 缺陷:工藝復(fù)雜,結(jié)電容小,電荷存貯才干下降。 在P型襯底上外延或分散薄n層,構(gòu)成PN結(jié),當(dāng)在PN結(jié)上加反向偏壓時(shí),在PN結(jié)區(qū)便構(gòu)成了耗盡層。 5、線陣CCD 6、面陣CCD: a行間傳輸構(gòu)造 b幀傳輸構(gòu)造第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 7CCD攝像器件的重要特性 a光電特性 輸出
48、信號電壓與入射的照度是線性關(guān)系,入射照度100 lex輸出飽和 b光譜特性 對藍(lán)光和黃光的靈敏度低,由于反射的影響,需采用透明電極。 c暗電流 室溫為510nA/cm2,對存貯時(shí)間有影響。 d噪聲 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) CCD是一種低噪聲器件,CCD噪聲主要由輸入電路、存放器本身輸出電路引起。主要從構(gòu)造BCCD設(shè)計(jì)和工藝的改良方面降低噪聲。 e分辨率: 由像素總數(shù)和傳輸效率決議。 CCD的任務(wù)過程: 經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)將被測物體成像在器件的受光面上,受光面下的像素小單元將像光量轉(zhuǎn)換為電荷信號并存儲,然后在時(shí)序控制信號作用下,被存儲的電荷信號被轉(zhuǎn)移傳輸和順序輸出。1、 根本單元參照
49、前圖 作用:電荷的存儲;電荷的轉(zhuǎn)移。2、 根本單元的功能 1電荷存儲 加正電壓,P型硅里的空穴被趕盡,構(gòu)成負(fù)離子空間電荷又 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)稱耗盡區(qū),沒有導(dǎo)電的載流子。對于帶負(fù)電的電子來說,耗盡區(qū)是電子的“勢阱。 “勢阱具有存儲電子的功能,存貯了電荷的勢阱稱為電荷包。 勢阱的深度決議于正電壓U的大小,寬度決議電極的寬度。 每個獨(dú)立的存貯電子電荷的MOS根本單元被稱為一個“像素。 勢阱中存儲的電子來源有兩種方式: a光注入 光入射到半導(dǎo)體硅片上,產(chǎn)生電子空穴對,光生電子被附近的勢阱俘獲,空穴被排斥出耗盡區(qū),光電子數(shù)量與光強(qiáng)成正比,該單元既 可存儲電荷,又有感光的作用,稱為
50、“光敏元。 b由光電二極管陣列產(chǎn)生的光生載流子注入產(chǎn)生 光生電子被勢阱俘獲,光生空穴被趕走,該單元只起存儲電荷的 作用,如TCD14ID型線陣CCD器件。 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 2電荷耦合 勢阱中的電荷從一個MOS單元轉(zhuǎn)移到另一個MOS單元是基于MOS單元的電荷耦合功能來實(shí)現(xiàn)的。 將一定規(guī)那么變化的電壓加到各個MOS單元的電極上,電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體外表按一定方向挪動。 通常,把MOS元的電極分為幾組,有三組,有兩組。 三相驅(qū)動時(shí)鐘脈沖相位相差120。 為了不使電極間隙下方界面處出現(xiàn)妨礙電荷轉(zhuǎn)移的勢壘,間隙寬度應(yīng)小于3m ,只需電極間隙足夠小,前一電極下勢阱由深到淺,
51、后一電極下的勢阱由淺變深才相通,電荷的轉(zhuǎn)移不會受妨礙。 電荷轉(zhuǎn)移傳輸?shù)腗OS單元陣列稱為讀出移位存放器,它們須遮光。 3電荷的輸出 被轉(zhuǎn)移傳輸?shù)男盘栯姾梢敵觯敵龇绞接卸喾N,以下圖為電流輸出方第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)式。 OG:輸出柵極,加直流偏置以使漏分散和時(shí)鐘脈沖之間退耦,實(shí)踐上是防止在時(shí)鐘脈沖作用下最終信號電荷分散掉。第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 區(qū)與P型硅接觸處構(gòu)成PN結(jié),施加UDD構(gòu)成反向偏置二極管,轉(zhuǎn)移到 下面的電荷包越過輸出柵流入到反向偏置二極管的深勢阱中。在dt時(shí)間內(nèi),流入的信號電荷為 ,二極管輸出電流 。 A點(diǎn)電位: A點(diǎn)的電位變化量與信號電荷的
52、量成正變, 經(jīng)C耦合至放大器放大輸出。 v為復(fù)位管,它的作用就是在 電極下的勢阱未構(gòu)成前在柵極G加復(fù)位脈沖,使 A點(diǎn)電位復(fù)位到 ,當(dāng) 到來時(shí),v截止。 N3SQSQDdtIADDUUI RAU3DDvsQ第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)3 3、二相線陣、二相線陣TCD142DTCD142D型型CCDCCD器件的根本構(gòu)造器件的根本構(gòu)造 組成部分:有組成部分:有21242124個光電二極管線陣,其中前個光電二極管線陣,其中前6464個和后面?zhèn)€和后面1212個是被個是被遮遮蔽的,構(gòu)成像素的是中間蔽的,構(gòu)成像素的是中間20482048個單元。為提高傳輸速率,采取上下兩行個單元。為提高傳輸速率,
53、采取上下兩行存存貯柵的構(gòu)造,分別存貯奇偶列的信號電荷。貯柵的構(gòu)造,分別存貯奇偶列的信號電荷。 單元:單元:14m14m14m14m,中心距:,中心距:14m14m 有效總長:有效總長:20482048141428.672mm28.672mm。 存貯柵的作用:相當(dāng)于數(shù)據(jù)存貯柵的作用:相當(dāng)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采樣器的作用;采集系統(tǒng)中采樣器的作用; 移位存放器的作用:相當(dāng)于移位存放器的作用:相當(dāng)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中堅(jiān)持器的作用;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中堅(jiān)持器的作用; 轉(zhuǎn)移柵的作用:相當(dāng)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移柵的作用:相當(dāng)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采樣開關(guān)的作用。采集系統(tǒng)中采樣開關(guān)的作用。第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)4 4、 T
54、CD142DTCD142D型型CCDCCD器件的任務(wù)時(shí)序器件的任務(wù)時(shí)序5 5、 運(yùn)用舉例運(yùn)用舉例 利用線陣?yán)镁€陣CCDCCD器件自動檢測工件直徑,外表檢測。機(jī)器人視覺系統(tǒng)運(yùn)器件自動檢測工件直徑,外表檢測。機(jī)器人視覺系統(tǒng)運(yùn)用。用。第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)單片指紋傳感器單片指紋傳感器 生物識別技術(shù)生物識別技術(shù)Biometric Identification TechnologyBiometric Identification Technology是利用人是利用人體生物特征進(jìn)展身份認(rèn)證的技術(shù)。體生物特征進(jìn)展身份認(rèn)證的技術(shù)。 “認(rèn)人不認(rèn)物的特征要求:人各有異,終身不變,隨身攜帶。認(rèn)人
55、不認(rèn)物的特征要求:人各有異,終身不變,隨身攜帶。 同時(shí)具備這三個特點(diǎn)的人體生物特征主要有指紋、虹膜、同時(shí)具備這三個特點(diǎn)的人體生物特征主要有指紋、虹膜、DNADNA。 適用于生物識別的人體特征有手形、指紋、臉形、虹膜、視網(wǎng)膜、適用于生物識別的人體特征有手形、指紋、臉形、虹膜、視網(wǎng)膜、脈脈搏、耳廓等。行為特征有簽字、聲音、按鍵力度等。目前,指紋機(jī)和手形搏、耳廓等。行為特征有簽字、聲音、按鍵力度等。目前,指紋機(jī)和手形機(jī)在人體特征識別技術(shù)市場中的占有率最高,分別為機(jī)在人體特征識別技術(shù)市場中的占有率最高,分別為3434,2626。1 1、 指紋識別根本原理指紋識別根本原理 1 1指紋圖像的兩大特點(diǎn):指紋
56、圖像的兩大特點(diǎn): a a具有獨(dú)一性,匹配上具有獨(dú)一性,匹配上1212個特征的兩個指紋一樣的幾率僅為個特征的兩個指紋一樣的幾率僅為 b b具有根本不變的相對穩(wěn)定性具有根本不變的相對穩(wěn)定性 指紋識別的過程分四個步驟:讀取指紋圖像、提取特征、保管數(shù)指紋識別的過程分四個步驟:讀取指紋圖像、提取特征、保管數(shù)據(jù)和對比。據(jù)和對比。501/10第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 2指紋圖像的獲取 主要有4種:光學(xué)取像設(shè)備、壓電式指紋傳感器、半導(dǎo)體指紋傳感 器、超聲波指紋掃描儀。 在半導(dǎo)體指紋傳感器中又分溫差感應(yīng)式FCD4B14和電容感應(yīng)式FPS100。 3指紋識別技術(shù)的根本原理 指紋特征分兩類:一類是總
57、體特征,用眼睛可直接察看到的特征;另一類是部分特征,主要指節(jié)點(diǎn)特征,主要以: a節(jié)點(diǎn)類型; b方向; c曲率; d位置x,y座標(biāo) 方面來區(qū)分。 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 指紋識別過程:指紋識別過程: 指紋采樣指紋采樣預(yù)處置預(yù)處置二值化二值化細(xì)化細(xì)化紋路提取紋路提取細(xì)節(jié)特征提取細(xì)節(jié)特征提取指指紋紋匹配匹配2 2、 FCD4B14/AT77C101B FCD4B14/AT77C101B型指紋傳感器內(nèi)部構(gòu)造見以下圖型指紋傳感器內(nèi)部構(gòu)造見以下圖 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)第2章 智能傳感器系統(tǒng)
58、中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)2.2.4 半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器 傳統(tǒng)手段傳統(tǒng)手段:電化學(xué)運(yùn)用電極與電介液對氣體進(jìn)展檢測。電化學(xué)運(yùn)用電極與電介液對氣體進(jìn)展檢測。 光化學(xué)利用氣體的光學(xué)折射率或吸收等特性。光化學(xué)利用氣體的光學(xué)折射率或吸收等特性。 缺陷:檢測速度慢,設(shè)備復(fù)雜,本錢高,運(yùn)用不方便。缺陷:檢測速度慢,設(shè)備復(fù)雜,本錢高,運(yùn)用不方便。 新型半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(yōu)點(diǎn):新型半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(yōu)點(diǎn): 元件體積小,功耗低,特性一致性好,適宜自動,延續(xù)過程檢測。其元件體積小,功耗低,特性一致性好,適宜自動,延續(xù)過程檢測。其中以薄膜型器件為好,它可以與集成電路的制造工藝兼容。中以薄膜型器件為好,它可以與集
59、成電路的制造工藝兼容。 半導(dǎo)體氣敏傳感器按控制機(jī)理分類:半導(dǎo)體氣敏傳感器按控制機(jī)理分類: 1電阻控制型氣敏傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體;電阻控制型氣敏傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體; 2非電阻控制型氣敏傳感器半導(dǎo)體資料硅;非電阻控制型氣敏傳感器半導(dǎo)體資料硅; 氣敏傳感器的要求:氣敏傳感器的要求: 1具有良好的選擇性半導(dǎo)體法的選擇性較差具有良好的選擇性半導(dǎo)體法的選擇性較差 2較高的靈敏度和寬的動態(tài)呼應(yīng)范圍。較高的靈敏度和寬的動態(tài)呼應(yīng)范圍。 3性能穩(wěn)定,半導(dǎo)體法稍差,可靠性也不是很好性能穩(wěn)定,半導(dǎo)體法稍差,可靠性也不是很好第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 4呼應(yīng)速度快,反復(fù)性好 5保養(yǎng)簡單,價(jià)錢廉價(jià)1、
60、 電阻控制型氣敏傳感器機(jī)理 敏感元件與被測氣體接觸引起電導(dǎo)變化,電導(dǎo)變化分外表電導(dǎo)變化與體電導(dǎo)變化。 普通構(gòu)成:加熱器溫度丈量元件氣敏元件 a晶界勢壘模型 根據(jù)多晶體半導(dǎo)體能帶模型。半導(dǎo)體氣敏資料是半導(dǎo)體微粒的集合體。由于粒子接觸界面勢壘的存在,當(dāng)晶粒接觸面吸附可以包容電子性的氣體 ( 等氧化性氣體 )時(shí),勢壘更加增高,妨礙了電子在晶粒之間的運(yùn)動,資料表現(xiàn)為較高的電阻率;當(dāng)吸附可以供電子性的氣體 等還原性氣體時(shí),勢壘變低,促進(jìn)了電子在晶粒之間的運(yùn)動,資料的電阻率降低,有些氣體吸附后,勢壘無明顯的變化。 2O2H第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 對于半導(dǎo)體氣敏機(jī)理或任務(wù)原理的解釋,不同類
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