傳感器的基本概念概要

傳感器的基本概念概要第一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。第一章傳感器的基本概念傳感器的定義與組成傳感器的分類傳感器的技術(shù)特點傳感器的數(shù)學(xué)模型概述傳感器的基本特性第二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。傳感器的引入人通過五官（視、聽、嗅、味、觸）接受外界的信息，經(jīng)過大腦的思維（信息處理），作出相應(yīng)的動作。而用計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，則可以說電子計算機相當(dāng)于人的大腦（一般俗稱電腦），而傳感器則相當(dāng)于人的五官部分（“電五官”）。傳感器是獲取自然領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段，即傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件。第三頁，編輯于星期六：十一點四十八分。人與機器人的對應(yīng)關(guān)系第四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。第一節(jié)傳感器的定義與組成

1.傳感器（transducerorsensor）的定義：傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的有用輸出信號的元器件或裝置。

最常見的是把非電量轉(zhuǎn)換成電量，但是這肯定不是唯一的形式。

第五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。

2.傳感器的組成：（1）敏感元件：是指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）與檢測出被測對象的待測信息（非電量）的部分。（2）轉(zhuǎn)換元件：是指傳感器中能將敏感元件所感受（或響應(yīng)）出的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。（3）其他輔助部件：包括信號調(diào)節(jié)電路、輔助電路等

注：并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件——為什么呢？第六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。其包含一下幾個方面的意思：（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；（2）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；（3）輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電，但主要是電量；（4）輸入輸出有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。第七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（1）傳感器的作用傳感器實際上是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉(zhuǎn)換成電信號。3.傳感器的作用和重要性為什么要轉(zhuǎn)換成電信號？

傳感器所檢測的信號進來顯著地增加，因而其品種也極其繁多。為了對各種各樣的信號進行檢測、控制，就必須獲得盡量簡單易于處理的信號，這樣的要求只有電信號能夠滿足。電信號能較容易地進行放大、反饋、濾波、微分、存貯、遠距離操作等。第八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。因此作為一種功能塊的傳感器可狹義的定義為：“將外界的輸入信號變換為電信號的一類元件?！?/p>

傳感器來自外界的信號電信號第九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（2）傳感器的重要性作為人腦的一種模擬的電子計算機的發(fā)展極為迅速，可是起五種感覺模擬作用的傳感器卻發(fā)展很慢，因而如果不進行傳感器的開發(fā)，現(xiàn)在的電子計算機將不能適應(yīng)實際需要?，F(xiàn)代社會要求傳感器、電子計算機和執(zhí)行器三者都能相互協(xié)調(diào)才行。傳感器就成了現(xiàn)代科學(xué)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，它日益受到人們的普遍重視，這已成為現(xiàn)代傳感器技術(shù)的必然趨勢。第十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。4.傳感器的應(yīng)用：傳感器技術(shù)在工業(yè)自動化、軍事國防和以宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)為代表的尖端科學(xué)與工程等重要領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。同時，它正以自己的巨大潛力，向著與人們生活密切相關(guān)的方面滲透；生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、安全防范、家用電器、網(wǎng)絡(luò)家居等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地發(fā)展。第十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。1.按工作機理分類將物理、化學(xué)和生物等學(xué)科的原理、規(guī)律、效應(yīng)作為分類的依據(jù)?？煞譃榻Y(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型。

第二節(jié)傳感器的分類第十二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（1）結(jié)構(gòu)型的性能與構(gòu)成材料關(guān)系不大，其結(jié)構(gòu)的幾何尺寸（厚度、角度、位置等）在被測量作用下發(fā)生變化，能獲得比例于被測非電量的電信號的敏感元件或裝置。

例如，測量壓力位移、流量、溫度的力平衡式、振弦式、電容式、電感式等傳感器。第十三頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（2）物性型則是利用物質(zhì)的某種和某些客觀屬性構(gòu)成的，其性能與構(gòu)成材料有明顯的關(guān)系。由構(gòu)成材料的物理特性、化學(xué)特性或生物特性直接敏感于被測非電量，并可以將被測非電量轉(zhuǎn)換成電信號的敏感元器件或裝置。

特點：響應(yīng)快，材料本身就是敏感體，不存在顯著的結(jié)構(gòu)特征，也無所謂的“結(jié)構(gòu)變化”；易集成化、小型化、智能化。

例：半導(dǎo)體、金屬、陶瓷、合金傳感器

第十四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（3）復(fù)合型傳感器是將中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與物性型敏感元件復(fù)合而組成傳感器。中間環(huán)節(jié)的作用是把被測量轉(zhuǎn)換為物性型敏感元件能夠感受的信號，再將其轉(zhuǎn)換成電信號。

第十五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。2.按被測量分類：

物理量、化學(xué)量、生物量如：溫度、位移、加速度、力、氣體、濕度等3.按敏感材料分類：制造傳感器的材料如：半導(dǎo)體、陶瓷、光導(dǎo)纖維、高分子材料、金屬傳感器。4.按能量的關(guān)系分類有源傳感器和無源傳感器。 5.其他分類法用途分類、科目分類、功能分類、輸出信號的性質(zhì)分類。第十六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。第三節(jié)傳感器的技術(shù)特點傳感器技術(shù)包括：傳感器的研究、設(shè)計、試制、生產(chǎn)、檢測與應(yīng)用。特點：內(nèi)容范圍廣且離散知識密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高功能優(yōu)、性能好品種繁多、應(yīng)用廣泛第十七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。

傳感器的一般要求足夠的容量——傳感器的工作范圍或量程足夠大；具有一定的過載能力。靈敏度高，精度適當(dāng)——即要求其輸出信號與被測信號成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。第十八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定，可靠性高。使用性和適應(yīng)性強——體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態(tài)影響小；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標(biāo)準(zhǔn)形式，以便與系統(tǒng)對接。使用經(jīng)濟——成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準(zhǔn)。第十九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。傳感器開發(fā)的新趨勢傳感器開發(fā)的新趨向包括:社會對傳感器需求的新動向傳感器新技術(shù)的發(fā)展趨勢

第二十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器的開發(fā)方向，大致分為如下四個方面：向檢測范圍挑戰(zhàn)。集成化，多功能化。向未開發(fā)的領(lǐng)域挑戰(zhàn)—生物傳感器。智能傳感器（Smartsensor）第二十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（1）向檢測范圍挑戰(zhàn)：傳感器的量子化

傳感器的極限檢測范圍大多取決于量子力學(xué)效應(yīng)。其比較典型的例子是利用核磁變振吸收的磁傳感器以及利用約瑟夫效應(yīng)的磁傳感器。（2）集成化，多功能化：向敏感功能裝置發(fā)展

傳感器的集成化，最近積極地應(yīng)用了半導(dǎo)體集成電路技術(shù)及其開發(fā)思想。第二十二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（3）生物傳感器：到目前為止，正大力研究。開發(fā)的傳感器大多為物理傳感器，今后應(yīng)積極開發(fā)研究化學(xué)傳感器和生物傳感器。（4）智能傳感器：具有判斷能力、學(xué)習(xí)能力的傳感器

智能傳感器大致分為如下三種：具有判斷力的敏感裝置具有學(xué)習(xí)能力的敏感裝置具有創(chuàng)造能力的敏感裝置第二十三頁，編輯于星期六：十一點四十八分。從構(gòu)成上看，智能式傳感器是一個典型的以微處理器為核心的計算機檢測系統(tǒng)。第二十四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。智能式傳感器特點：同一般傳感器相比，智能式傳感器有以下幾個顯著特點：精度高

穩(wěn)定、可靠性好檢測與處理方便

功能廣

性能價格比高

第二十五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。精度高

：由于智能式傳感器具有信息處理的功能，因此通過軟件不僅可以修正各種確定性系統(tǒng)誤差(如傳感器輸入輸出的非線性誤差、溫度誤差、零點誤差、正反行程誤差等)，而且還可以適當(dāng)?shù)匮a償隨機誤差，降低噪聲，從而使傳感器的精度大大提高。穩(wěn)定、可靠性好：

它具有自診斷、自校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲功能，對于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還有自適應(yīng)功能。第二十六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。檢測與處理方便：

它不僅具有一定的可編程自動化能力，可根據(jù)檢測對象或條件的改變，方便地改變量程及輸出數(shù)據(jù)的形式等，而且輸出數(shù)據(jù)可通過串行或并行通訊線直接送入遠地計算機進行處理。第二十七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。功能廣：

不僅可以實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測量，擴大測量與使用范圍，而且可以有多種形式輸出(如RS232串行輸出，PIO并行輸出，IEEE-488總線輸出以及經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出等)。性能價格比高：

在相同精度條件下，多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比，其性能價格比高，尤其是在采用比較便宜的單片機后更為明顯。第二十八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。從系統(tǒng)的角度看，一種傳感器就是一種系統(tǒng)。

一個系統(tǒng)總可以用一個數(shù)學(xué)方程或函數(shù)來描述。通常從傳感器的靜態(tài)輸入-輸出關(guān)系和動態(tài)輸入-輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模型。靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型。第四節(jié)傳感器的數(shù)學(xué)模型概述第二十九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。1.靜態(tài)模型靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號（輸入信號不隨時間變化的量）情況下，描述傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系。一般可用多項式來表——零位輸出——非線性項的待定系數(shù)——傳感器線性靈敏度，常用K或S表示第三十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。三種有用的特殊形式：嚴格的線性關(guān)系非線性關(guān)系第三十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。2.動態(tài)模型動態(tài)模型是指在準(zhǔn)動態(tài)信號或動態(tài)信號（輸入信號隨時間而變化的量）作用下，描述其輸出輸入信號的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。

動態(tài)模型常用微分方程和傳遞函數(shù)等來描述。第三十二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（1）微分方程多數(shù)傳感器都屬于模擬（連續(xù)變化）系統(tǒng)，且通常看作是線性時不變系統(tǒng)。、——傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)通常第三十三頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（2）傳遞函數(shù)當(dāng)時，，則有的拉氏變換：對微分方程取拉氏變換，有：第三十四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。得傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)框圖為H(s)X(s)Y(s)第三十五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。傳遞函數(shù)的串聯(lián)形式H1(s)X(s)H2(s)Hr(s)Y(s)???第三十六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。傳遞函數(shù)的并聯(lián)形式H1(s)X(s)H2(s)Hr(s)Y(s)??????第三十七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。第五節(jié)傳感器的基本特性

傳感器所測量非電量的一般形式：靜態(tài)信號一種穩(wěn)定信號，不隨時間變化或變化及其緩慢。動態(tài)信號隨時間變化而變化的信號。靜態(tài)特性動態(tài)特性第三十八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。1.1線性度：是指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差。

1.靜態(tài)特性——輸出量和輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差；也就是說，在規(guī)定條件下，線形度即為傳感器輸入量和輸出量實際曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比?！敵鰸M量程值。第三十九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。傳感器靜態(tài)模型的線性度曲線：圖（b）為理想的線性特性，但絕大多數(shù)傳感器不具備此特性；圖（d）顯示為奇次方多項式模型，該類傳感器在相當(dāng)大的輸入范圍內(nèi)有較寬的準(zhǔn)線性。xy0(a)xy0(b)xy0(c)xy0(d)傳感器的線性度表示第四十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。1.2靈敏度定義：在穩(wěn)態(tài)下，傳感器輸出量的變化值與引起此變化的輸入量之間的比值。線性傳感器，靈敏度為其靜態(tài)特性的斜率線性非線性靈敏度是一變量①一般希望傳感器的靈敏度在滿量程范圍內(nèi)保持恒定。②靈敏度的量綱——輸出輸入量的量綱之比第四十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。1.3重復(fù)性

重復(fù)性表示的是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得其輸出特性曲線不一致性的程度。不重復(fù)性產(chǎn)生的原因：

傳感器機械部分的磨損、間隙、松動、部件的內(nèi)摩擦、積塵、輔助電路的老化和漂移等。第四十二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。當(dāng)誤差服從高斯分布時，標(biāo)準(zhǔn)偏差可以用貝賽爾公式計算。在數(shù)值上用各測量值正、反量程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。不重復(fù)性的極限誤差式：不重復(fù)性誤差屬于隨機誤差第四十三頁，編輯于星期六：十一點四十八分。1.4遲滯現(xiàn)象遲滯是指在相同工作條件下作全測量范圍校準(zhǔn)時，在同一次校準(zhǔn)中對應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程其輸出值間的最大偏差。即，遲滯現(xiàn)象能表明傳感器在正向（輸入量增大）行程和反向（輸入量減?。┬谐唐陂g，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。第四十四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。滯環(huán)誤差：最大滯環(huán)率：在整個測量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差與滿量程輸出值的比值。第四十五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。傳感器的分辨率是在規(guī)定的測量范圍內(nèi)所能檢測輸入量的最小變化量。有時用該值和滿量程輸入值的百分數(shù)表示。

1.5分辨率第四十六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。

1.6穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性對于傳感器常用長期穩(wěn)定性來描述其穩(wěn)定性。其指在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異。第四十七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。1.7漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。零點漂移和靈敏度漂移。其又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度的漂移。第四十八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。2傳感器的動態(tài)特性2.1傳感器的動態(tài)特性和誤差概念

動態(tài)特性：是傳感器對隨時間變化的輸入量的輸出響應(yīng)特性。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)輸入隨時間變化的曲線，即輸出-輸入具有相同類型的時間函數(shù)。

動態(tài)誤差：在動態(tài)的輸入信號情況下，輸出信號一般來說不會與輸入信號具有完全相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異。第四十九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。具有較好動態(tài)特性的要求：（1）要求傳感器能精確地測量信號的幅值大??；（2）要求傳感器能測量出信號變化過程的波形，及要求傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)信號的幅值變化和無失真地再現(xiàn)被測信號隨時間變化的波形。研究傳感器動態(tài)特性的目的：從測量角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及提出改善措施。研究傳感器動態(tài)特性的方法：時域：瞬態(tài)響應(yīng)法頻域：頻率響應(yīng)法

第五十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。2.2階躍響應(yīng)給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。第五十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（1）最大偏離量：最大偏離量就是響應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值，常用百分數(shù)表示。（2）延滯時間：階躍響應(yīng)達到穩(wěn)態(tài)值的50％所需的時間。衡量階躍特性的幾項指標(biāo)：第五十二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。（3）上升時間：有的種定義：①響應(yīng)曲線達到穩(wěn)態(tài)值的10%~90%所需的時間；②響應(yīng)曲線達到穩(wěn)態(tài)值的