傳感技術(shù)概論深

傳感技術(shù)概論深第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20231傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）課程簡(jiǎn)介(1)通過對(duì)常用傳感器的基本原理、基本特性等內(nèi)容的系統(tǒng)介紹掌握傳感器的基本理論、工作原理、輸入輸出特性、誤差分析與補(bǔ)償方法、傳感器信號(hào)變送等知識(shí)能合理地選擇和使用傳感器，并進(jìn)一步掌握傳感器的實(shí)驗(yàn)研究方法；第2頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20232傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）課程簡(jiǎn)介(2)同時(shí)還介紹國(guó)內(nèi)外各種新型傳感器及其應(yīng)用，從而能夠了解國(guó)內(nèi)外傳感技術(shù)最新研究概況與發(fā)展動(dòng)向。第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20233傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）章節(jié)內(nèi)容學(xué)時(shí)分配備注總學(xué)時(shí)講課實(shí)驗(yàn)自學(xué)1緒論

44

2電阻式傳感器642

3電容式傳感器642

4電感式傳感器642

5壓電式傳感器44

6霍爾式傳感器44

7熱電式傳感器輻射式傳感器44

8

94444

1044

11傳感器測(cè)控電路傳感器測(cè)控電路44

傳感器測(cè)控電路第4頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20234傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）第一章 概述1.1傳感器的地位和作用1.2傳感器的定義與組成、分類

1.3

傳感器的技術(shù)特點(diǎn)1.4傳感器的發(fā)展動(dòng)向、趨勢(shì)

1.5傳感器的一般特性

第5頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20235傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）1.1傳感器的地位和作用

在當(dāng)今信息化時(shí)代發(fā)展過程中．各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理的功能器件——傳感器，已經(jīng)成為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域．

一、特別是自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的重要技術(shù)工具。獲取各種信息的傳感器無疑“掌握”著這些系統(tǒng)的命脈。第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20236傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）例如：在化工產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)過程中首先，進(jìn)料時(shí)要自動(dòng)對(duì)原料稱重、分析原料成分或濃度,使它們按比例混合；混合后，在反應(yīng)容器中自動(dòng)反應(yīng)，又必須測(cè)定容器中的壓力或體積，如果是液體、還需要自動(dòng)控制容器液位高度和流量和溫度；然后半成品在生產(chǎn)線(管道)中傳輸，需要自動(dòng)控制傳輸速度或流量，這里必須使用液動(dòng)或氣動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生推動(dòng)力．因而要檢測(cè)壓力或壓強(qiáng)……最后，成品自動(dòng)分裝還要稱重。所有這些環(huán)節(jié)均需要使用各種傳感器對(duì)相應(yīng)的非電量進(jìn)行檢測(cè)和控制，使設(shè)備或系統(tǒng)自動(dòng)、正常地運(yùn)行在最佳狀態(tài)，保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。

第7頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20237傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）化工產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)中的傳感技術(shù)第8頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20238傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）二、傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的源頭和支柱之一傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)控制(包括遙感、遙測(cè)、遙控)的主要環(huán)節(jié)，是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在．傳感技術(shù)與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并列成為支撐整個(gè)現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱、可以設(shè)想如果沒有高度保真和性能可靠的傳感器，沒有先進(jìn)的傳感器技術(shù)，那么信息的準(zhǔn)確獲取就成為一句空話，信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)就成了無源之水。第9頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/20239傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）SCADA（supervisory－control

and

data

acquisition）系統(tǒng)中的傳感技術(shù)第10頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202310傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）三、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與傳感器技術(shù)密切相關(guān)傳感器技術(shù)的重要性還體現(xiàn)在它已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。例如工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、軍事武器工程、航天航空技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、汽車技術(shù)、資源探測(cè)、海洋開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全和醫(yī)療系統(tǒng)、家用電器、電力水電等領(lǐng)域，都與傳感器技術(shù)有密切的關(guān)系。而且傳感器技術(shù)的發(fā)展能為這些科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供有力的技術(shù)支持和研究手段?？梢哉f現(xiàn)代科技的發(fā)展越來越離不開傳感器技術(shù)。第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202311傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）1.2傳感器的定義與組成

關(guān)于傳感器的定義．至今尚無一個(gè)比較全面的定義。不過，對(duì)以下提法學(xué)者們似乎不持異議，傳感器(Transducer或Sensor)有時(shí)亦被稱為換能器、變換器、變送器或探測(cè)器、其主要特征是能感知和檢測(cè)某一形態(tài)的信息、并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。因此,傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)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(duì)應(yīng)的有用輸出信號(hào)的元器件或裝置(….)。

第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202312傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

此外，人們從其功能出發(fā)，形象地將傳感器定義為，所謂傳感器，是指那些能夠取代甚至超出人的“五官”。具有視覺、聽覺、觸發(fā)、嗅覺和味覺等功能的元器件或裝置。這里所說的“超出”是因?yàn)閭鞲衅鞑粌H可應(yīng)用于人無法忍受的高溫、高壓、輻射等惡劣環(huán)境．還可以檢測(cè)出人類“五官”不能感知的各種信息(…).第13頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202313傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）傳感器的組成

傳感一般是利用物理、化學(xué)和生物等學(xué)科的某些效應(yīng)或機(jī)理按照一定的工藝和結(jié)構(gòu)研制出來的。因此，傳感器的組成的細(xì)節(jié)有較大差異．但是，總的來說，傳感器應(yīng)由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助元件組成，如下圖所示(…)第14頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202314傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

信號(hào)調(diào)節(jié)電路是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)的電路。主要包括信號(hào)放大、電橋、振蕩器、電荷放大器等，他們分別與相應(yīng)的傳感器相配合。

輔助電路通常主要是電源，即交、直流供電系統(tǒng)。僅就目前而言，傳感器技術(shù)應(yīng)涉及傳感器的機(jī)理、材料、制造工藝和應(yīng)用等項(xiàng)綜合技術(shù)。第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202315傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）第16頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202316傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

信號(hào)調(diào)節(jié)電路是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)的電路。主要包括信號(hào)放大、電橋、振蕩器、電荷放大器等，他們分別與相應(yīng)的傳感器相配合。

輔助電路通常主要是電源，即交、直流供電系統(tǒng)。僅就目前而言，傳感器技術(shù)應(yīng)涉及傳感器的機(jī)理、材料、制造工藝和應(yīng)用等項(xiàng)綜合技術(shù)。第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202317傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）傳感器的分類傳感器的品種很多，原理各異，檢測(cè)對(duì)象門類繁多．因此其分類方法甚繁，至今尚無統(tǒng)一規(guī)定。人們通常是站在不同角度，突出某一方面來分類的。歸納起來有如下幾種大家認(rèn)可的分類法。一

按工作機(jī)理分類：

這種分類方法是以其工作原理劃分，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)。按傳感器的工作機(jī)理的不同，可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型三大類。第18頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202318傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)的定律等構(gòu)成的其性能與構(gòu)成材料關(guān)系不大。這是一類其結(jié)構(gòu)的幾何尺寸(如厚度、角度、位置等)在被測(cè)量作用下會(huì)發(fā)生變化，并可獲得比例于被測(cè)非電量的電信號(hào)的敏感元器件或裝置。例如用于測(cè)量壓力、位移、流量、溫度、力平衡式、電容式、電感式等的傳感器均屬該類。這類傳感器開發(fā)得最早，至今仍然廣泛應(yīng)用于工業(yè)流程檢測(cè)設(shè)備中。第19頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202319傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

物性型傳感器

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)成材料的不同會(huì)有明顯區(qū)別。這是一類由其構(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(cè)非電量、并可將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的敏感元器件或裝置。由于它的“敏感體”本來就是材料本身.()第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202320傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

復(fù)合型傳感器是指將中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與物性型敏感元件復(fù)合而成的傳感器。之所以要采用中間環(huán)節(jié)，是因?yàn)樵诖罅勘粶y(cè)非電量中，只有少數(shù)(如應(yīng)變、光、磁、熱、水分和某些氣體)可直接利用某些敏感材料的物質(zhì)特性轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。所以，為了增加非電量的測(cè)量種類，就必須將不能直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的非電量變換成上述少數(shù)量中的一種，然后再利用相應(yīng)的物性型敏感元件將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。(…)第21頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202321傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

二、按被測(cè)量(按輸入量)分類：

這種分類方法是按被測(cè)量的性質(zhì)不同而劃分。目前把不同的被測(cè)量的傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。各類傳感器又分為若干族，每一族又分為若干組。按此種方法分類的傳感器體系見表1—1

物理量傳感器機(jī)械量傳感器物理機(jī)械量傳感器硬度密度等粘度幾何量傳感器厚度體積等角度第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202322傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

物理量傳感器機(jī)械量傳感器流量傳感器質(zhì)量流量體積流量加速度傳感器角加速度沖擊加速度速度傳感器流速傳感器角速度傳感器力傳感器張力、應(yīng)力、荷重、力矩等壓力傳感器真空、靜壓、動(dòng)壓、差壓、絕壓等第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202323傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

物理量傳感器熱學(xué)傳感器熱導(dǎo)率傳感器溫度傳感器光學(xué)傳感器紅外線、激光、光纖、圖像傳感器磁學(xué)傳感器霍爾元件傳感器磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器電學(xué)量傳感器電流、電壓傳感器電場(chǎng)傳感器輻射傳感器聲波傳感器核輻射、射線傳感器第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202324傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

化學(xué)、生物傳感器氣體傳感器氣體濃度傳感器氣體壓力傳感器離子傳感器離子濃度傳感器離子活度傳感器生理量傳感器血壓、血液成分、激素、心電傳感器等微生物傳感器葡萄糖、青霉素、生化耗氧傳感器等酶?jìng)鞲衅?、組織傳感器、免疫傳感器第25頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202325傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）三、按敏感材科分類

這種分類方法是根據(jù)制造傳感器的材料分類。這也可分出很多種類；如半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器、高分子材料傳感器、金屬傳感器等等。這種分類方法是第一類分類方法的子集。四、按能量的關(guān)系分類：

根據(jù)能量關(guān)系分類，分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。前者一般是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量.稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱為換能器。()無源傳感器又稱為能量控制型傳感器。它本身不是一個(gè)換能裝置，被測(cè)非電量?jī)H對(duì)傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用。()第26頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202326傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

1.3

傳感器的技術(shù)特點(diǎn)

傳感器技術(shù)包括傳感器的研究、設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、檢測(cè)與應(yīng)用。它已逐步形成相對(duì)獨(dú)立的專門學(xué)科。與其他學(xué)科相比，它具有如下技術(shù)特點(diǎn)：一、內(nèi)容范圍廣且離散

傳感器可涉及到的內(nèi)容廣而離散的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在傳感器技術(shù)可利用的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)等中的基礎(chǔ)“效應(yīng)”、“反應(yīng)”、“機(jī)理”不僅為數(shù)甚多，而且它們往往彼此獨(dú)立、甚至是完全不相關(guān)。第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202327傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）二、知識(shí)密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃

由于傳感器技術(shù)是以材料的電、磁、光、聲、熱、力等功能效應(yīng)和功能形態(tài)變換原理為基礎(chǔ)，并綜合了物理學(xué)、化學(xué)、生物工程、微電子學(xué)、材科科學(xué)、精密機(jī)械、微細(xì)加工、試驗(yàn)測(cè)量等方面的知識(shí)和技術(shù)而形成的一門科學(xué)。由此可見．傳感器技術(shù)是學(xué)科交錯(cuò)應(yīng)用極多，知識(shí)密集極高。與許多基礎(chǔ)科學(xué)和專業(yè)工程學(xué)有著極為密切的關(guān)系的技術(shù)。第28頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202328傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）三、技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高

傳感器的制造涉及了許多高新技術(shù)，如集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、微細(xì)或納米加工技術(shù)、粘合技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)以及多功能化、智能化技術(shù)等。因此．傳感器的制造工藝難度很大，要求很高。四、功能優(yōu)、性能好

傳感器功能優(yōu)良主要體現(xiàn)在其功能的擴(kuò)展性好、適應(yīng)性強(qiáng)。具體地說．傳感器不但具有具備人類“五官”所具有的視、聽、觸、嗅、味覺功能，而且還能檢測(cè)五官不能感覺到的信息．同時(shí)還能在人類無法忍受的高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作。性能好體現(xiàn)在傳感器的量程寬、精度高、可靠性好等方面。

第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202329傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）五、品種繁多、應(yīng)用廣泛

由于現(xiàn)代信息系統(tǒng)中待測(cè)的信息(待測(cè)量)很多，而且一種待測(cè)量往往可用幾種傳感器來測(cè)量．因此，傳感器產(chǎn)品品種極為龐雜、繁多。

傳感器的應(yīng)用范圍很廣，從航天、航空、兵器、船舟、交通、冶金、機(jī)械、電子、化工、輕工、能源、環(huán)保、煤炭、石油、醫(yī)療衛(wèi)生、生物工程、宇宙開發(fā)等領(lǐng)域至農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)．甚至人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方方面面，幾乎無處不使用傳感器，無處不需要傳感器技術(shù)。第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202330傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

當(dāng)前，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向，一是開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化與智能化。

1．發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象:

利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)是各種傳感器工作的基本原理，所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是發(fā)展傳感技術(shù)的重要的工作，是研制新型傳感器的重要基礎(chǔ)，其意義極為深遠(yuǎn)。1.4傳感器的發(fā)展動(dòng)向、趨勢(shì)第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202331傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）2．開發(fā)新材料

傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，人們?cè)谥圃鞎r(shí)．可任意控制它們的成分，從而可以設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料，例如半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材科的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點(diǎn)。有機(jī)材料做為傳感器材料的研究，也引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者極大興趣。第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202332傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）3．采用微細(xì)加工技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)中的加工方法如氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積、平面電子工藝、各向異性腐蝕以及蒸鍍、濺射薄膜工藝都可引進(jìn)用于傳感器制造，因而制造出各式各樣新型傳感器。例如，利用半導(dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝、棱、錐、半球等各種形狀，制作出全硅諧振式壓力傳感器。

第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202333傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）4研究多功能集成傳感器

日本豐田研究所開發(fā)出同時(shí)檢測(cè)Na+、K+和H+等多離子傳感器。這種傳感器的芯片尺寸為2．5mm×o．5mm，僅用一滴液體，如一淌血液即可同時(shí)快速檢測(cè)出其中Na+、K+和H+的濃度，對(duì)醫(yī)院監(jiān)床非常適用與方便。我國(guó)某傳感器研究所研制的硅壓阻式復(fù)合傳感器可以同時(shí)測(cè)量壓力與溫度。第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202334傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

智能傳感器是一種帶微處理器的傳感器，它兼有檢測(cè)、判斷和信息處理功能。其典型產(chǎn)品如美國(guó)圖尼爾公司的ST一3000型智能傳感器，其芯片尺寸為3×4×2mm3，采用半導(dǎo)體工藝，在同一芯片上制作CPU、EPROM和靜壓、壓差、溫度等三種敏感元件。

5智能化傳感器

第35頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202335傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）6．新一代航天傳感器研究

眾所周知，在航天器的各大系統(tǒng)中，傳感器對(duì)各種信息參數(shù)的檢測(cè)，保證了航天器按預(yù)定程序正常工作，起著極為重要的作用。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器上需要的傳感器越來越多，例如，航天飛機(jī)上安裝3500支左右傳感器，對(duì)其指標(biāo)性能都有嚴(yán)格要求，如小型化、低功耗、高精度、高可靠性等都有具體指標(biāo)。為了滿足這些要求，必須采用新原理、新技術(shù)研制出新型的航天傳感器。第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202336傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

7．仿生傳感器研究

值得注意的一個(gè)發(fā)展動(dòng)向是仿生傳感器的研究，應(yīng)該給予高度重視，特別是在機(jī)器人技術(shù)向智能化高級(jí)機(jī)器人發(fā)展的今天。仿生傳感器就是模仿人的感覺器官的傳感器，即視覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器、觸覺傳感器等。目前只有視覺與觸覺傳感器解決的比較好，其它幾種遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人發(fā)展的需要。也可以說，至今真正能代替人的感覺器官功能的傳感器極少，需要加速研究，否則將會(huì)影響機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。第37頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202337傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

1.5傳感器的數(shù)學(xué)模型及一般特性從系統(tǒng)角度來看．一種傳感器就是一種系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)工程學(xué)理論，一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來描述。即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入間的關(guān)系和特性，從而、用這種關(guān)系指導(dǎo)對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)、制造、校正和使用。通常從傳感器的靜態(tài)輸入--輸出關(guān)系和動(dòng)態(tài)輸入—輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模型，但是準(zhǔn)確地建立一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是困難的。在工程上，總是采用一些近似方法建立起系統(tǒng)的初步模型，然后．經(jīng)過反復(fù)模擬試驗(yàn)確立系統(tǒng)的最終數(shù)學(xué)模型，這種方法同樣適用傳感器數(shù)學(xué)模型的建立。第38頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202338傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

一、傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型:

靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號(hào)(輸入信號(hào)不隨時(shí)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。如果不考慮蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯特性，傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項(xiàng)式來表示：其中：x——輸入量；

y——輸出量；

——為零位輸出；為傳感器線性靈敏度，常用K或S表示;

…為非線性項(xiàng)的待定系數(shù)。

（1-1）第39頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202339傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）傳感器的靜態(tài)模型有三種有用的特殊形式：

（1-2）（1-3）（1-4）式(1—1)表示傳感器的輸出和輸入量呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，式(1—3)和(1—4)均為非線性關(guān)系。第40頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202340傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

一、傳感器的一般特性1、靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性定義從輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化或變化極其緩慢的角度考慮的傳感器特性稱為傳感器靜態(tài)特性。信號(hào)時(shí)間靜態(tài)信號(hào)動(dòng)態(tài)信號(hào)從輸入信號(hào)隨時(shí)間變化較大的角度考慮的傳感器特性稱為傳感器動(dòng)態(tài)特性。0第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202341傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）2、傳感器靜態(tài)特性（1）傳感器線性度輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度稱為線性度。一般用非線性誤差表示可用下式表示輸出量Y輸入量X0第42頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202342傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）輸出量Y

曲線a存在零點(diǎn)誤差，但并不存在非線性誤差。這是傳感器經(jīng)常遇到的問題，比如我們?cè)谝院笳鹿?jié)要學(xué)習(xí)的霍爾傳感器就存在零點(diǎn)誤差，我們可以在調(diào)理電路中把零點(diǎn)誤差處理掉。

曲線b既存在零點(diǎn)誤差，又存在輸入量與輸出成反比，但并不存在非線性誤差。這也是傳感器經(jīng)常遇到的問題之一，比如我們?cè)谝院笳鹿?jié)要學(xué)習(xí)的超聲波傳感器是這樣，我們可以在調(diào)理電路中和數(shù)據(jù)處理中可以解決。曲線a曲線b0X第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202343傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）（2）傳感器的靈敏度

定義傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值．常用來表示：對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖（a）所示，即：YXM點(diǎn)0N點(diǎn)第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202344傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)變量，如圖(b)所示，即用表示傳感器在其某一工作點(diǎn)的靈敏度。YXM點(diǎn)0第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202345傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）（3）傳感器的重復(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(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度(見圖)。多次按相同輸入條件測(cè)試的輸出特性曲線越重合，其重復(fù)性越好，其重復(fù)性誤差也越小。YX滿量程輸出值

0第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202346傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）傳感器為何會(huì)產(chǎn)生重復(fù)性誤差？傳感器機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)敏感元件內(nèi)摩擦、積塵輔助電路老化和漂移

不重復(fù)性誤差一般屬于隨機(jī)誤差性質(zhì),反映的是測(cè)量結(jié)果偶然誤差大小，而不表示與真值之間的差別，有時(shí)重復(fù)性很好但可能偏離真值。不重復(fù)性誤差可以通過校準(zhǔn)測(cè)得。注意第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202347傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）（4）遲滯

遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出輸入特性曲線不重合的程度。對(duì)于同一輸入正向和反向行程的差值用E表示為：YX這種現(xiàn)象稱為“遲滯”，E稱為遲滯誤差。0第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202348傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用表示，它與滿量程輸出值的比值稱為最大遲滯率（5）最小檢測(cè)量和分辨率

最小檢測(cè)量是指?jìng)鞲衅髂艽_切反映被測(cè)的最低極限量。最小檢測(cè)量越小表示傳感器檢測(cè)微量的能力越高。由于傳感器的最小檢測(cè)量易受噪聲的影響，所以一般用相當(dāng)于噪聲電平的若干倍的被測(cè)量為最小檢測(cè)量，用公式表示為：M

為最小檢測(cè)量C為系數(shù)（與傳感器結(jié)構(gòu)類型有關(guān)）N為噪聲電平K傳感器的靈敏度第49頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202349傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）舉例某電容式氣體壓力傳感器的噪聲電平為0.2mV，靈敏度K為0.5mV/Pa，對(duì)于電容傳感器一般取系數(shù)為2，則由公式可得其最小檢測(cè)量：傳感器的分辨率指在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量也可以用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)來表示。數(shù)字傳感器的分辨率可用輸出數(shù)字指示值最后一位所代表的輸入量。第50頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202350傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）（6）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。傳感器的漂移零點(diǎn)漂移靈敏度漂移時(shí)間漂移溫度漂移零點(diǎn)漂移定義YX0第51頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202351傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）溫度漂移定義YT0例如如上圖所示某壓力傳感器，其滿量程值為1V，溫度變化范圍為-40度到60度。其輸出受溫度影響最大偏差為0.2V，則其溫漂為：產(chǎn)生漂移的原因是多方面的，主要是由于測(cè)量系統(tǒng)的靈敏元件受外界（溫度、濕度、電磁干擾）干擾和傳感器調(diào)理電路的元器件受外界條件干擾引起的。第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202352傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

二、動(dòng)態(tài)特性簡(jiǎn)介

傳感器的動(dòng)態(tài)特性和誤差概念：傳感器的動(dòng)態(tài)特性是傳感器在測(cè)量中非常重要的問題，它是傳感器對(duì)輸入激勵(lì)的輸出響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，隨時(shí)間變化的輸出曲線能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的曲線，即輸出-輸入具有相同類型的時(shí)間函數(shù)。在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出信號(hào)一般來說不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。不難看出，有良好的靜態(tài)特性的傳感器，未必有良好的動(dòng)態(tài)特性。

第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202353傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

影響動(dòng)態(tài)特性的“固有因素”任何傳感器都有，只不過表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性主要是為了從測(cè)量誤差角度分析產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因以及提出改善措施。具體研究時(shí)、通常從時(shí)域或頻域兩方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。在頻領(lǐng)域內(nèi)通常利用正弦函數(shù)研究傳感器的頻率響應(yīng)特性。為了便于比較或評(píng)價(jià)，或動(dòng)態(tài)定標(biāo)，最常用的輸入信號(hào)為階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。因此對(duì)應(yīng)的方法為階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法，我們主要介紹階躍響應(yīng)法。

第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7/29/202354傳感器講義（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)）

階躍響應(yīng)：