傳感器介紹新資料

1、課程(kchng)定位傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)(hunji)。例如：水溫控制系統(tǒng)共七十九頁共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.1 什么是傳感器？在我們?nèi)粘Ｉ钪?，使?shyng)著各種各樣的傳感器， 電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器; 空調(diào)中的溫度和濕度傳感器; 煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器; 水表、電表、電視機和影碟機中的紅外遙控器; 照相機中的光傳感器; 汽車中燃料計和速度計等等，不勝枚舉。 傳感器給我們的生活帶來了多少便利和幫助呢？傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.1 什么(shn me)是傳感器？傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁傳感器原理(

2、yunl)及應(yīng)用1.1什么(shn me)是傳感器眼（視覺） 耳（聽覺） 鼻（嗅覺） 皮膚（觸覺） 舌（味覺）感知外界信息 大腦 肌體 第1章 傳感器概述人體系統(tǒng)和機器系統(tǒng)比較 共七十九頁傳感器原理(yunl)及應(yīng)用第1章 傳感器概述(i sh)1.1什么是傳感器 人的體力和腦力勞動通過感覺器官接收外界信號，將這些信號傳送給大腦，大腦把這些信號分析處理傳遞給肌體。 如果用機器完成這一過程，計算機相當人的大腦，執(zhí)行機構(gòu)相當人的肌體，傳感器相當于人的五官和皮膚。 傳感器好比人體感官的延長，有人又稱“電五官”。 傳感器外 界 信 息感 官大 腦肌 體計算機執(zhí)行機構(gòu)共七十九頁1.1 傳感器的組成(z

3、chn)與分類1.1.1 傳感器的組成1.傳感器的定義: 傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出(shch)信號的器件或裝置。 共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類2.傳感器的組成 通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 其中, 敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量(cling)的部分; 轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類說明: 由于傳感器的輸出信號一般都很微弱, 因此需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對其進行放大、運算、調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)

4、用, 傳感器的信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可能(knng)安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。 此外, 信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源, 因此, 信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類 圖1-1 傳感器的組成(z chn)框圖共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類1.1.2 傳感器的分類1按被測物理量分類 這種方法是根據(jù)被測物理量的性質(zhì)進 行分類的，如被測物理量為溫度、壓力、流量、位移、速度等，則相應(yīng)的傳感器分別稱為溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器、速度傳感器等。 優(yōu)點:

5、 比較明確地表達(biod)了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。 共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類2. 按工作原理分類 傳感器的工作原理主要是基于物理、 化學(xué)和生物(shngw)等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)。 據(jù)此可將傳感器分為電阻式、電感式、電容式、熱電式、壓電式、光電式等類別。 優(yōu)點: 對于傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業(yè) 工作者對傳感器進行深入研究分析。本書的傳感器就是按工作原理分類進行編寫的。共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類3.按輸出信號的性質(zhì)分類 根據(jù)(gnj)傳感器輸出信號的性質(zhì)，可將其 分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器兩大類。 前

6、者輸出模擬信號，后者輸出數(shù)字信號，當然輸出的模擬信號或數(shù)字信號都與被測非電量成一定關(guān)系。數(shù)字傳感器便于與計算機聯(lián)用，且抗干擾性較強，例如盤式角度數(shù)字傳感器、光柵傳感器等。共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類4. 按能量的關(guān)系分類 根據(jù)能量觀點分類，可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。前者將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱為換能器，通常配合有電壓測量電路和放大器，如壓電式、熱電式、磁電式等。無源傳感器又稱為能量控制型傳感器，它本身不是一個(y )換能器，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用，所以，它們必須具有輔助能源，這類傳感器有電阻式、電容式和電

7、感式等。共七十九頁1.2 傳感器的發(fā)展(fzhn)動向1新材料的開發(fā)、應(yīng)用2新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用3利用新的效應(yīng)(xioyng)開發(fā)新型傳感器4傳感器的集成化5傳感器的多功能化6傳感器的智能化共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性1.3.1 傳感器的靜態(tài)特性(txng) 定義: 傳感器在穩(wěn)態(tài)信號作用下，其輸出輸入關(guān)系為靜態(tài)特性。 衡量傳感器靜態(tài)特性的主要性能指標是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性1.線性度 傳感器的線性度又稱非線性誤差，是指傳感器輸出與輸入之間的線性程度。線性度可用下式表示(biosh):L線性度（非線性誤差）；max最大非線性絕

8、對誤差；ym輸出滿量程值 共七十九頁共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性2靈敏度 傳感器的靈敏度是指在穩(wěn)態(tài)下輸出變化量dy與引起此變化的輸入變化量dx之比值(bzh)，用S表示，即:共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性3. 遲滯 遲滯（或稱遲環(huán)）特性是用來說明傳 感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間輸出輸入特性曲線不重合的程度。 產(chǎn)生原因(yunyn)：主要是敏感元件材料的物理性質(zhì)和傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料的內(nèi)摩擦、積塵等。共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性表示方法： 遲滯(chzh)大小一般要由試驗方法確定，其值

9、用正反行程輸出值間最大差值max對滿量程輸出ym的百分比表示：共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性遲滯(chzh)特性如圖1-2：共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性4.重復(fù)性 重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線的不一致性程度(chngd). 產(chǎn)生原因: 與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因相同 .屬于隨機誤差性質(zhì) .共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性重復(fù)性的表示(biosh)方法: 標準偏差 前的系數(shù)取2時，誤差完全依從正態(tài)分布，置信概率為95%；取3時，置信概率為99.73%。根據(jù)均方根公式，可以計算，即: 式中 yi 測量值； 測量值的算術(shù)平均值；

10、 n測量次數(shù)。共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性重復(fù)性示意圖如圖1-3共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性1.3.2 傳感器的動態(tài)特性 定義: 傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對激勵（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性。 說明:一個動態(tài)特性好的傳感器，隨時間變化的輸出曲線能同時再現(xiàn)(zixin)隨時間變化的輸入曲線，即輸出輸入具有相同類型的時間函數(shù)。 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性1一階傳感器數(shù)學(xué)模型 :共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性 設(shè)初始條件 : t=0，y=0,當單位階躍信號(xnho)X從0到1時，輸出響應(yīng)為： 傳感器的時間常數(shù) 共七十九頁1.3 傳感器的

11、一般(ybn)特性單位(dnwi)階躍響應(yīng)如圖1-7所示 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性 由圖1-7看出： 只有(zhyu)當t時，y才能達到其穩(wěn)態(tài)值1。 實際工作中，一般根據(jù)y達到其穩(wěn)態(tài)值的63.2%所用的時間，來衡量一個傳感器動 態(tài)響應(yīng)的速度。值越大，動態(tài)響應(yīng)越慢， 動態(tài)誤差越大，且存在時間越長。因此，時間常數(shù)是一階傳感器的主要動態(tài)性能指標，一般希望它越小越好。 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性2二階傳感器數(shù)學(xué)模型 ：共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性假設(shè)初始條件 t=0，y=0，當輸入x從0躍變到1時 ：二階傳感器的輸出響應(yīng)分為(fn wi)3種情況：

12、 （1）0 1（欠阻尼）時 傳感器無阻尼時的固有頻率 傳感器的阻尼比 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性（2） =1（臨界阻尼）時（3） 1（過阻尼）時共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性圖1-5為二階單位(dnwi)階躍響應(yīng)共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性說明：由圖分析知一般取 =0.60.8，即欠阻尼狀態(tài) 。 下面就欠阻尼時的單位(dnwi)階躍響應(yīng)，討論二階傳感器的典型動態(tài)性能指標，如圖1-6所示。共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性（1）上升時間tr 輸出從穩(wěn)態(tài)值的10%到第一次達到其穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時間。（2）峰值時間tp 響應(yīng)曲線到第一個峰

13、值所用的時間。（3）響應(yīng)時間ts 響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值之差不超過5%或2%時所需要的時間，有時稱過渡(gud)過程時間。（4）最大超調(diào)量M 最大超調(diào)量就是響應(yīng)曲線偏離穩(wěn)態(tài)值的最大值。 顯然，tr、tp、ts和M數(shù)值越小，則傳感器的動態(tài)性能越好。共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用和地位(dwi)構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是： 傳感器技術(shù)（信息采集）； 通信技術(shù) （信息傳輸）； 計算機技術(shù)（信息處理）； 它們在信息系統(tǒng)中分別起到 “感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。 在利用信息的過程中首先要解決獲取準確可靠的 信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。傳感器原理

14、及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用和地位(dwi)目前傳感器技術(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，傳感器對觀測和自動化技術(shù)所起的作用遠比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無可爭議的事實。 傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用和地位在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長時間的天體演化、短的瞬間反應(yīng)。超高溫、超低溫、超高壓、

15、超高真空(zhnkng)、超強磁場、弱磁場等極端技術(shù)研究。傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，需要用各種傳感器監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的各個參數(shù)，傳感器是自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件，直接影響到自動化技術(shù)的水平。 傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用(zuyng)和地位工業(yè)生產(chǎn) 傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用和地位機器人 視覺: 平面、立體 非視覺:觸覺(chju)、滑覺、 熱覺、力覺、 接近覺、傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh)

16、傳感器原理(yunl)及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用和地位計量(jling)測試 傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)(jsh)的作用和地位醫(yī)療診斷 傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)(jsh)的作用和地位家用電器 傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)(jsh)的作用和地位 智能建筑 傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用和地位智能建筑 門禁系統(tǒng)打破了人們(rn men)幾百年來

17、用鑰匙開鎖的傳統(tǒng)傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)(jsh)的作用和地位最 新 濕 度 測 量 應(yīng) 用 領(lǐng) 域傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用(zuyng)和地位 傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(shù)的作用(zuyng)和地位 傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁南京(nn jn)大勝關(guān)大橋模型試驗共七十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢 傳感器現(xiàn)狀 據(jù)統(tǒng)計目前全世界約有40個國家從事傳感器的 研制、生產(chǎn)和開發(fā)，研發(fā)機構(gòu)6000余家。

18、 其中以美、日、俄等國實力較強，美、日、俄等 國建立了包括(boku)物理量、化學(xué)量、生物量三大門類 的傳感器產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)品20000多種，大企業(yè)的年生 產(chǎn)能力達到幾千萬支到幾億支。 1998年全世界傳感器市場銷售額已達325億元， 預(yù)計2008年銷售額將增至506億美元。傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢 我國的傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)在國家“大力加強傳感器 的開發(fā)和在國民經(jīng)濟中的普遍(pbin)應(yīng)用”等一系列政策 導(dǎo)向和資金的支持下，近年來也取得了較快發(fā)展。 目前有1680多家傳感器研發(fā)機構(gòu)，產(chǎn)品約6000種， 年產(chǎn)量13.2億多支，其中約有12

19、產(chǎn)品銷往國外。 預(yù)計到“十五”期末，敏感元器件與傳感器年總產(chǎn)量 可望達到20億支，銷售總額將達約120億元。傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢 傳感器產(chǎn)業(yè)在科技投入(經(jīng)費、高級人才資源)、產(chǎn)業(yè)環(huán)境以及科技實力(專利件數(shù)、新品開發(fā)周期、關(guān)鍵材料與零組件、量產(chǎn)能力)三大方面的綜合競爭能力遠低于美國、日本、歐洲等發(fā)達國家。 許多自動化方面的專家(zhunji)呼吁：目前系統(tǒng)越來越復(fù)雜，自動化已經(jīng)陷入低谷，其主要原因之一是傳感技術(shù)落后，一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后；另一方面也表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)方面的落后。傳感器原理及應(yīng)用共七

20、十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢 傳感器發(fā)展趨勢： 20世紀70年代以來以電量為輸出的傳感器得到飛 速發(fā)展，現(xiàn)代傳感器已是測量儀器、智能化儀表、 自動控制系統(tǒng)等裝置必不可少的感知元件。 幾十年來傳感技術(shù)的發(fā)展分為兩個方面： 1.提高與改善傳感器的技術(shù)指標； 2.尋找新原理、新材料(cilio)、新工藝。 為改善傳感器性能采用多種技術(shù)途徑： 差動技術(shù)；平均技術(shù)；補償修正技術(shù)； 隔離抗干擾抑制、穩(wěn)定性處理等等。傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢 目前傳感器總的發(fā)展趨勢是： （1） 發(fā)展、利用新效應(yīng)； （2

21、） 開發(fā)新材料； （3） 提高傳感器性能(xngnng)和檢測范圍； （4） 微型化與微功耗； （5） 集成化與多功能化； （6） 傳感器的智能化； （7） 傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。傳感器原理及應(yīng)用共七十九頁傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化 模 擬 傳 感 器放 大 電 路A/D 轉(zhuǎn) 換線 性 化 處 理微 處 理 器標準接口脈沖輸出控制門顯示傳感器原理(yunl)及應(yīng)用第1章 傳感器概述(i sh)1.3 傳感器現(xiàn)狀和國內(nèi)外發(fā)展趨勢傳感器在總體上呈現(xiàn)出多功能、微型化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。 共七十九頁誤差(wch)=測量值-真值 例如(lr)，在電壓測量中，真值電壓5V，測得的電壓

22、為5.3V，則 誤差= 5.3V - 5V = +0.3V 真值為“表征某量在所處的條件下完美地確定的量值”。真值是一個理想的概念。真值客觀存在，卻難以獲得。 實際值-實際測量中常把高一等級的計量標準測得的實際值作為真值使用。“實際值”“約定真值”。 測量及測量誤差 測量、測量三要素 共七十九頁2.誤差的表示方法 相對誤差 絕對誤差 1.絕對誤差(ju du w ch)： 定義：被測量的測量值x與其(yq)真值A(chǔ)0之差，稱為絕對誤差。 在實際測量中： “約定真值”“實際值”= A 表示 修正值：與絕對誤差大小相等，符號相反的量值稱為修正值，一般用C表示 C=x=Ax 大小 正負 單位 x =x

23、A0 x=xA共七十九頁例：【2.1.1】 一個被測電壓，其真值為100V，用一只電壓表測量，其指示值U為101V，則絕對誤差例：【2.1.2】一臺晶體管毫伏表的10mV擋，當用其進行測量(cling)時，示值為8mV，在檢定時8mV刻度處的修正值是-0.03mV，則被測電壓的實際值為 U=8+(-0.03)=7.97mV共七十九頁2 相對誤差(xin du w ch)： -表示相對誤差例：【2.1.3】測量兩個電壓，其實際(shj)值為U1=100V, U2=5V，而測得值分別為101V和6V。則絕對誤差為：U1=101-100=1VU2=6-5=1V用相對誤差便于比較相對誤差為：1=U1/

24、U1=1%2=U2/U2=20%共七十九頁相對誤差(xin du w ch)可以有多種形式： 真值相對誤差(xin du w ch) 實際值相對誤差 測量值（示值）相對誤差 滿度（或引用）相對誤差 常用因通常A0、A、X X 故常用X方便共七十九頁電工儀表將滿度相對誤差(xin du w ch)分為七個等級： 序號一二三四五六七S%0.10.20.51.01.52.55.0 3.引用(ynyng)誤差 儀表精度等級： 共七十九頁例：【2.1.5】用MF-20型晶體管萬用表交流電壓的30V擋，分別測量(cling)6V及20V電壓，求最大示值相對誤差。此表交流電壓擋得準確度等級為4級。當Ux=6

25、V時，當Ux=20V時，例：【2.1.6】被測量的實際值U=10V，現(xiàn)有(xin yu)（1）150V，0.5級和（2）15V，2.5級兩只電壓表，問選擇哪只表測量誤差較?。坑茫?）表時，示值范圍用（2）表時，示值范圍共七十九頁2.1.4 誤差按性質(zhì)分類(P1921)隨機誤差 系統(tǒng)誤差 粗大誤差 隨機誤差-不可預(yù)定(ydng)方式變化的誤差系統(tǒng)誤差-按一定規(guī)律變化(binhu)的誤差粗大誤差-顯著偏離實際值的誤差共七十九頁 測量結(jié)果(ji gu)的評價 系統(tǒng)誤差 小，準確度高 A或AXiXi隨機誤差 小 ，精密度高 AA或Xi系統(tǒng)誤差和隨機誤差都較小，稱精確度高 A或XiXi共七十九頁傳感器接口(ji ku)電路 傳感器接口電路用于完成傳感器輸出電信號的處理，是傳感器與后續(xù)電路的連接環(huán) 節(jié)，其性能直接影響到整個系統(tǒng)。1.傳感器輸出信號的特點:(1)傳感器輸出信號的形式多樣化，有電阻、電感、電荷、電壓等。(2)傳感器輸出信號微弱，不易于檢測。 (3)傳感器輸出阻抗較高，會產(chǎn)生較大的信號衰減。(4)傳感器