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    传感器灵敏度,精度和分辨率的区别

     

    如果传感器特指压力传感器的情况下:

    • 灵敏度:指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值,即输出、输入量的量纲之比。例如,某位移传感器,在位移变化1mm时,输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm。

      当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。

    • 精度:指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比,是指测量值与真值的最大差异;分辨率——是值引起示值改变的最小测量值;应与灵敏系数分开(灵敏系数——指输出与输入之比)。

      一般的国产温度传感器的精度分A、B两个级别,国标规定如下:根据传感器的输出值与所测量的温度的真值的差来划分,A级:不大于±(0.15℃+0.002*传感器量程);B级:不大于±(0.30℃+0.005*传感器量程)。所以,如果要求测量精度较高,应该选用量程较小的传感器。分辨率,“通常决定于A/D转换器的位数”,或看其输出值的最后一位。

    • 分辨率:指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说,如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化,即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时,其输出才会发生变化。

      数字式仪表通常决定于A/D转换器的位数精度是传感器重复测量同一标准值的最大百分误差,是校准后衡量准确程度的指标分辨率要优于精度几倍。

      分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。

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    原标题:使用 COMSOL Multiphysics 模拟高灵敏度光纤压力传感器

    人们通常听到“光纤”这个词时,首先浮现在脑海的可能是这样一幅画面:细如发丝、扭曲成充满艺术感漂亮形状的发光物,或者从灯座中喷涌而出的光之泉。这些能够传导光的二氧化硅光纤,其用途可远远不止于装饰。光纤于上世纪五十年代被成功开发,目前已广泛应用于电力传输、通信、成像和传感等领域。

    具体来说,光纤具有优良的介电属性和广泛的适用性,因而可以在其他传感技术可能失效的环境中使用,例如真空室和海底等极端环境。

    从光纤传感器到压力传感器

    标准光纤是专为电信设备而设计,通常无法用于传感领域。为了使光纤对所需参数足够敏感,人们必须对其进行加工处理,例如对光纤光栅进行刻印,或者采用特制的微结构光纤。在高灵敏度压力传感器方面,微结构光纤展现出了良好的应用前景。高灵敏度压力传感器可用于石油勘探等领域,技术人员和工程师可以使用它来检测流体压力。图 1 展示了文献报道的三种可用作压力传感器的光纤。

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    图 1. 压力传感测量装置中的微结构光纤。(a)光子晶体光纤1;(b)带三角形格子孔的微结构光纤2;(c)侧孔光子晶体光纤3。

    压力传感器中的微结构光纤通常具有特殊的构造,外部施加的载荷会导致光纤内产生不对称的应力分布,进而使光纤的双折射特性(一种使光束的折射率呈各向异性的材料属性)发生改变,于是便可以通过测量双折射特性的变化来实现传感检测。

    位于巴西的坎皮纳斯大学(Unicamp)的研究人员 Jonas Osório 表示:“光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点,并能适用于恶劣环境。同时它们体积小、重量轻,较同类传感器而言有着更加广阔的适用范围。”

    然而现有文献资料中报道的光纤,其微观结构都相当复杂,并且需要进行多次拉制,然后由手工完成精密的结构组装。坎皮纳斯大学和空军研究所(IEAv)正在合作开发一种名为“嵌入芯式毛细管光纤”的特殊类型光纤,它可以被用于制造高灵敏度的压力传感器。研发人员需要对这类光纤的制造工艺进行简化,其中包括预成型制备法和直接拉丝法。

    细致分析几何特征

    嵌入芯式毛细管光纤本质上是一根二氧化硅毛细管,管壁内区域(即纤芯)掺杂有锗(图 2 显示了光纤的结构和横截面图)。与图 1 中典型的压力传感器的微结构光纤相比,嵌入芯式光纤的结构要简单得多。

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    图 2. (a)嵌入芯式毛细管光纤的概念图,它显示了嵌有纤芯的毛细管在静水压力下的横截面。(b)嵌入芯式光纤的横截面。

    空军研究所的研究人员 Marcos Franco 和 Valdir Serrão 与坎皮纳斯大学的 Jonas Osório 和 Cristiano Cordeiro 合作,对微结构光纤中由压力引起的双折射现象进行了研究,据此提出了一种新的设计概念,并对其进行了验证。他们的目标是设计出能感知静水压力的光纤,静水压力指的是由静止液体产生的压力,例如传感器周围的静水。他们在设计过程中使用毛细管光纤(极细的空心管)替代了包含气孔阵列的实心光纤,以此来产生不对称的应力分布。

    他们的目标是最大限度地增强由压力变化引起的双折射率变化,由此提升光纤的传感能力。他们首先利用解析模型对压力引起的毛细管壁内的位移和机械应力进行了研究(图 3)。

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    图 3. 研究受压的无内嵌芯毛细管光纤。在初始的位移曲线研究中,内半径 rin =40 μm,外半径 rout = 80 μm,内压 Pin 为 1 bar,外压 Pout 为 50 bar。

    解析模型表明,由于毛细管结构本身的特性,外加压力在毛细管内壁上产生了不对称的应力分布。在光弹性效应的作用下,应力会引起材料折射率沿水平和垂直方向发生变化,从而获得所需的双折射特性。

    最大限度地提升对压力变化的敏感性

    借助 COMSOL Multiphysics® 软件,Franco、Serrão、Cordeiro 和 Osório 向数学模型中添加了椭圆纤芯,也就是石英毛细管壁中掺杂了锗的区域。通过运行仿真,他们获得了模式双折射的变化方式,以及外加压力和毛细管壁内纤芯的位置之间的关系(图 4)。模式双折射描述了可以穿过纤芯的光学模式的双折射效应。

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    图 4. 模式双折射的变化与毛细管壁内纤芯的位置之间的函数关系。当纤芯非常接近光纤的内半径(顶部中间图)时,由压力变化引起的双折射变化最大。

    仿真模型可以计算基本模态在不同压力条件下的有效折射率。当入射的电磁波沿纤芯传播时,便会出现这种模式。研究表明,若想最大限度地提升双折射现象对压力的敏感性,即增强传感器的灵敏度,必须使纤芯完全嵌入毛细管结构,并且靠近内壁。他们分析了不同几何结构中应力分布的变化,最终得出结论:光纤管壁越薄,纤芯位置越接近毛细管的内半径,由压力引起的双折射率的变化就会越大。

    全新的微结构光纤传感器

    在完成了有关双折射对压力的依赖性的研究后,Franco、Serrão、Cordeiro 和 Osório 提出了一种可以简化微结构光纤制造工艺的新方法。经过验证的新型压力传感器设计可以正常工作。他们将概念设计的灵敏度与现有的复杂光纤结构进行了比较,确认新的设计方案可以产生相近的效果,但是能够减少复杂的组装工作。嵌入芯光纤为高灵敏度光纤压力传感器提供了一个全新的发展方向,相信在不远的将来,石油勘探者可以更加方便地对采集的石油进行实时评估。

    本文内容来自多物理场仿真:《IEEE Spectrum》特刊 2017返回搜狐,查看更多

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    随着对高灵敏度、快速响应和低检出限的要求越来越高,柔性压力传感器在可穿戴电子产品中的应用越来越广泛。然而,如何使电学性能和机械拉伸性能同时最大化,仍是该领域面临的挑战。在这里,我们报告了一个直接和经济的方法来制造高可伸缩和敏感的电容压力传感器阵列。集成冰柱状液态金属薄膜电极的独特设计,液态金属和弹性体的可靠加工。在外载荷作用下,弹性凸块结构的变形显著增加了电极重叠区域,减小了分离距离,提供了一种灵敏度更高的新型电容传感方案。我们的传感器在0到1 kPa的范围内具有39%的kPa-1的高灵敏度,检测极限低至12 Pa,在最大压力为25 kPa时的滞后误差为8.46%,拉伸能力高达94%应变而没有任何故障。该阵列式传感器已成功地应用于曲面力的测量、外载荷的轮廓图绘制以及不同颈椎姿势下的接触压力的监测。

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    图1所示。设备制造。(a) 4 - 4压力传感器阵列照片。标尺:1厘米。(b)压力传感器的三维结构示意图,其特征是顶部一层冰状薄膜电极阵列与底层平面薄膜电极垂直排列。(c、d)无机械负载和有机械负载的单个传感单元的横断面图。C:上下电极之间的力敏电容。R:电极的等效电阻。C的重叠区域随着压力的增大而增大。(e-j)用Ecoflex封装的底部液态金属电极制作过程示意图。(k-p) Ecoflex封装的冰柱状液态金属电极顶层制作工艺。

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    图2。设备应用程序。(a)显示4 - 4传感器阵列上标准重量(20克)的俯视图的照片。传感单元标记为1到16。重量大约放在7号单元上。标尺:2厘米。(b-c)传感器阵列压力分布的三维条形图和等高线图。(d)显示传感器阵列上环状胶带(约16克)的顶视图的照片。标尺:2厘米。磁带的直径略大于传感器阵列。(e-f)传感器阵列上的压力分布的三维条形图和等高线图。(g)显示附着在志愿者颈部的传感器阵列的照片。头部姿势:直视前方。标尺:3厘米。插图:热图的压力在这个姿势每个传感单元定义为默认值(ΔP = 0)。(设定h)提高头部的颈椎姿势或旋转头部向左侧。

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