第一章傳感器的基本知識

1、第一章 傳感器的基本知識復(fù)習(xí)思考題1. 簡述傳感器的概念、作用及組成。2. 傳感器的分類有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？3. 傳感器是如何命名的？其代號包括哪幾部分？在各種文件中如何應(yīng)用？4. 傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)有哪些？其含義是什么？5. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要從哪兩方面來描述？采用什么樣的激勵(lì)信號？其含義是什么？ 1.1 傳感器的作用與地位u 世界是由物質(zhì)組成的，各種事物都是物質(zhì)的不同形態(tài)。人們?yōu)榱藦耐饨绔@得信息，必須借助于感覺器官。u 人的“五官”眼、耳、鼻、舌、皮膚分別具有視、聽、嗅、味、觸覺等直接感受周圍事物變化的功能，人的大腦對“五官”感受到的信息進(jìn)行加工、處理，從而調(diào)節(jié)人的行為活動(dòng)。u

2、人們在研究自然現(xiàn)象、規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中，有時(shí)需要對某一事物的存在與否作定性了解，有時(shí)需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測量以確定對象的量值的確切數(shù)據(jù)，所以單靠人的自身感覺器官的功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要借助于某種儀器設(shè)備來完成，這種儀器設(shè)備就是傳感器。傳感器是人類“五官”的延伸，是信息采集系統(tǒng)的首要部件。電量和非電量u 表征物質(zhì)特性及運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量兩類。u 電量一般是指物理學(xué)中的電學(xué)量，例如電壓、電流、電阻、電容及電感等；u 非電量則是指除電量之外的一些參數(shù)，例如壓力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、濃度及酸堿度等等。u 人類為了認(rèn)識物質(zhì)及事物的本

3、質(zhì)，需要對物質(zhì)特性進(jìn)行測量，其中大多數(shù)是對非電量的測量。傳感器的作用u 非電量不能直接使用一般的電工儀表和電子儀器進(jìn)行測量，因?yàn)橐话愕碾姽x表和電子儀器只能測量電量，要求輸入的信號為電信號。u 非電量需要轉(zhuǎn)化成與其有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器。u 傳感器是獲取自然或生產(chǎn)中信息的關(guān)鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集工具。采用傳感器技術(shù)的非電量電測方法，就是目前應(yīng)用最廣泛的測量技術(shù)。傳感器的地位u 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱產(chǎn)業(yè)，分別充當(dāng)信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”，他們構(gòu)成了一個(gè)完整

4、的自動(dòng)檢測系統(tǒng)。u 在利用信息的過程中，首先要解決的問題就是獲取可靠、準(zhǔn)確信息， 所以傳感器精度的高低直接影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精度，可以說沒有性能優(yōu)良的傳感器，就沒有現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展。1.2 傳感器的應(yīng)用與發(fā)展 傳感器幾乎滲透到所有的技術(shù)領(lǐng)域。如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探索、環(huán)境保護(hù)、資源利用、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、文物保護(hù)等等廣泛領(lǐng)域，并逐漸深入到人們的生活中。 在機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展中，傳感器采用與否及采用數(shù)量的多少是衡量機(jī)器人是否具有智能的標(biāo)志，現(xiàn)代智能機(jī)器人因?yàn)椴捎昧舜罅康摹⑿阅芨玫?、功能更?qiáng)的、集成度更高的傳感器，才使得其具有自我診斷、自我補(bǔ)償、自我學(xué)習(xí)等能力，機(jī)器人通過傳感器實(shí)現(xiàn)類似于

5、人的知覺作用。傳感器被稱為機(jī)器人的“電五官”。 在航空、航天技術(shù)領(lǐng)域，僅阿波羅10號飛船就使用了數(shù)千個(gè)傳感器對3295個(gè)測量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測 在兵器領(lǐng)域中，使用了諸如機(jī)械式、壓電、電容、電磁、光纖、紅外、激光、生物、微波等等傳感器，以實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的監(jiān)測與目標(biāo)定位信息的收集，從而更好的解決了安全、可靠的防衛(wèi)能力。 在民用工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器也起著至關(guān)重要的作用。如一座大型煉鋼廠就需要2萬多臺(tái)傳感器和檢測儀表 大型的石油化工廠需要6千臺(tái)傳感器和檢測儀表 一部現(xiàn)代化汽車需要90多只傳感器 一臺(tái)復(fù)印機(jī)需要20多只傳感器 日常生活中的電冰箱、洗衣機(jī)、電飯煲、音像設(shè)備、電動(dòng)自行車、空調(diào)器、照相機(jī)、電熱水器、報(bào)

6、警器等家用電器都安裝了傳感器 在醫(yī)學(xué)上，人體的體溫、血壓、心腦電波及腫瘤等的準(zhǔn)確診斷與監(jiān)控都需要借助各種傳感器來完成。 當(dāng)今信息時(shí)代，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制技術(shù)顯露出非凡的能力，傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。沒有傳感器對原始信息進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，就沒有現(xiàn)代化的自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制系統(tǒng)；沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。 自1980年以來，世界傳感器的產(chǎn)值年增長率達(dá)15%30%，1985年世界傳感器市場的年產(chǎn)值為50億，1990年為155億。傳感器的發(fā)展是如泉涌，不可阻擋，它是衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。1.3 傳感器的定義與組成

7、1.3.1 傳感器的定義“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。 這一定義包含了幾個(gè)方面的含義：傳感器是測量裝置，能完成測量任務(wù)；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量、也可能是化學(xué)量、生物量等；它的輸出量是某一物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等，這就是所謂的“可用信號”的含義；輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系要有一定的規(guī)律。根據(jù)字義可以理解傳感器為一感二傳，即感受信息并傳遞出去。1.4 傳感器的分類常用的分類方法有兩種：u 一種是按被測輸入量來分.u 另一種是按傳感器的工作原理來分.1.4.1 按被測物理量分類u 這一種方法是根據(jù)被測量的性

8、質(zhì)進(jìn)行分類，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉(zhuǎn)距傳感器等。u 這種分類方法把種類繁多的被測量分為基本被測量和派生被測量。例如力可視為基本被測量，從力可派生出壓力、重量、應(yīng)力和力矩等派生被測量。當(dāng)需要測量這些被測量時(shí)，只要采用力傳感器就可以了。了解基本被測量和派生被測量的關(guān)系，對于系統(tǒng)使用何種傳感器是很有幫助的。u 這種分類的優(yōu)點(diǎn)：比較明確地表達(dá)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。u 缺點(diǎn)：沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。1.4.2 按傳感器工作原理分類u 這一種分類方法是

9、以工作原理劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)。u 這種分類的優(yōu)點(diǎn)是對傳感器的工作原理表達(dá)的比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器進(jìn)行深入的研究分析。u 缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。1. 電學(xué)式傳感器 u 電學(xué)式傳感器常用的有: 電阻式傳感器利用變阻器將被測非電量轉(zhuǎn)換成電阻信號的原理制成。 電容式傳感器利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從 而使電容量發(fā)生變化的原理制成的。 電感式傳感器利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的 電感量或壓磁效應(yīng)原理制成的。 磁電式傳感器利用電磁感應(yīng)原理，把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量而制成。 電渦流式傳感器

10、利用金屬在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，在金屬內(nèi)形成渦 流的原理而制成。2. 磁學(xué)式傳感器u 磁學(xué)式傳感器的是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的。u 磁學(xué)式傳感器的主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。3. 光電式傳感器u 光電式傳感器在非電量電測及自動(dòng)控制技術(shù)中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理制成。u 光電式傳感器主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。4. 電勢型傳感器u 電勢型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)及霍耳效應(yīng)等原理而制成。u 電勢型傳感器主要用于溫度、磁通量、電流、速度、光通量及熱輻射等參數(shù)的測量。5. 電荷型傳感器u 電荷型傳感器是利用壓電效應(yīng)原理而制成。u 主要用

11、于力及加速度的測量。 （動(dòng)態(tài)力測量）6.半導(dǎo)體型傳感器u 半導(dǎo)體型傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、電磁效應(yīng)及半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。u 半導(dǎo)體型傳感器主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。7. 諧振式傳感器u 諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成。u 主要用來測量壓力。8. 電化學(xué)式傳感器u 電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成。u 根據(jù)其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜（極化）式傳感器和電解式傳感器等。u 電化學(xué)式傳感器主要用于分析氣體成分、液體成分、溶于液體的固

12、體成分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位參數(shù)的測量。9、其他分類方法u 按能量分類有源傳感器和無源傳感器；u 按輸出信號的性質(zhì)分類模擬式和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，且抗干擾性較強(qiáng)，例如盤式角度數(shù)字傳感器，光柵傳感器等。u 本書主要是按被測量分類編寫的，適當(dāng)加以工作原理的分析，重點(diǎn)講述各種傳感器的用途，使讀者學(xué)會(huì)使用傳感器，進(jìn)一步去開發(fā)新型傳感器。1.5 傳感器的命名及代號1.5.1 傳感器命名法的構(gòu)成 傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞及四級修飾語構(gòu)成。（1）主題詞傳感器。（2）第一級修飾語被測量，包括修飾被測量的定語。（3）第二級修飾語轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”

13、字。（4）第三級修飾語特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。（5）第四級修飾語主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。 本命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場合使用。例1 傳感器，絕對壓力，應(yīng)變式，放大型，13500kPa；例2 傳感器，加速度，壓電式，20g。 在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書、學(xué)術(shù)論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱應(yīng)采用與上述相反的順序。例1 13500kPa放大型應(yīng)變式絕對壓力傳感器；例2 20g壓電式加速度傳感器。1.5.2 傳感器代號的標(biāo)記方法u 一般規(guī)定用大寫漢字拼音字母和

14、阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號。u 傳感器完整代號應(yīng)包括以下四個(gè)部分：（1）主稱（傳感器）；（2）被測量；（3）轉(zhuǎn)換原理；（4）序號。四部分代號格式為：在被測量、轉(zhuǎn)換原理、序號三部分代號之間有連字符“-”連接。例1：應(yīng)變式位移傳感器，代號為：CWY-YB-10；例2：光纖壓力傳感器，代號為：CY-GQ-1；例3：溫度傳感器，代號為：CW-01A；例4：電容式加速度傳感器，代號為：CA-DR-2。u 有少數(shù)代號用其英文的第一個(gè)字母表示，如加速度用“A”表示。1.6 傳感器的基本特性u 傳感器的基本特性，即輸入輸出特性u 靜態(tài)特性-被測量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢時(shí)輸入與輸出間的關(guān)系。u 動(dòng)態(tài)特性-被測量隨時(shí)間快速變化時(shí)傳感器輸入與輸出間的關(guān)系。靜態(tài)測量：緩慢變化