傳感器技術(shù)-項目化教學(xué)-1

傳感器技術(shù)及應(yīng)用電路

項目化教學(xué)課程地位和作用

課程簡介一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(shù)簡介

“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有力工具。

傳感器技術(shù)作為信息科學(xué)的一個重要分支，與計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等一起構(gòu)成了信息技術(shù)的完整學(xué)科。

在人類進入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段，是信息科學(xué)最前端的一個陣地，是實現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。傳感器技術(shù)簡介一、傳感器技術(shù)概述一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(shù)簡介

傳感器——感覺，感知；傳送（Sensor、Transducer）人體系統(tǒng)：人類有五大感覺器官，即眼、耳、鼻、舌、皮膚。通過這些感覺器官感知外界信息。機器系統(tǒng)：機器系統(tǒng)中，傳感器是各種機械和電子設(shè)備的感覺器官。感知光、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。傳感器技術(shù)簡介一、傳感器技術(shù)概述外界信息感官人腦肢體人體系統(tǒng)傳感器計算機執(zhí)行器機器系統(tǒng)人機系統(tǒng)的機能對應(yīng)關(guān)系“機電五官”傳感器有些性能超過人的感官：（1）測量人體無法感知的量（3）測量范圍寬、精確高、可靠性好（2）惡劣環(huán)境下工作

例如：溫度傳感器：-196℃~1800℃

壓力傳感器：0.01~10000kPa

精度：0.1%~0.01%

可靠度：8~9級一、傳感器技術(shù)概述傳感器技術(shù)簡介傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一

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）

在信息系統(tǒng)中分別起到“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。

現(xiàn)代測量與自動控制的首要環(huán)節(jié)傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計算機的“五官”。沒有傳感器對原始信息進行精確、可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切測量和控制都是不可能實現(xiàn)的。傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位

衡量國家綜合實力的重要標(biāo)志傳感器與傳感器技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個國家綜合實力的重要標(biāo)志，也是判斷一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平高低的重要依據(jù)。

日本：傳感器技術(shù)列為計算機、通訊、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器等六大核心技術(shù)之一。在21世紀(jì)技術(shù)預(yù)測中將傳感器列為首位。

美國：傳感器及信號處理列為對國家安全和經(jīng)濟發(fā)展有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)之一。

歐洲：傳感器技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的重點技術(shù)。

中國：在國家重點科技項目中，傳感器也列在重要位置。傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器技術(shù)的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護等極其廣泛的領(lǐng)域。毫不夸張地說：幾乎每個現(xiàn)代化項目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。傳感器技術(shù)簡介二、傳感器技術(shù)的作用和地位4D彩超捕捉到難得一見的胎兒出生前微笑（美聯(lián)社圖片）傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用信息處理電信電話科技測試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機床機器人家用電器照相機汽車飛機船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機械能利用貨幣金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量傳感器技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

自動檢測與自動控制系統(tǒng)石油、化工、電力、鋼鐵、機械等加工工業(yè)。造紙木材烘干煙草加工芯片生產(chǎn)化工紡織傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

汽車與傳感器

傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量。

安全：安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、汽車“黑匣子”。

環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器在機器人上的應(yīng)用

單能機器人：生產(chǎn)用的自動機械式（加工、組裝、檢驗）。檢測臂的位置和角度傳感器。隧道鑿巖機器人汽車焊裝生產(chǎn)線傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器在機器人上的應(yīng)用

智能機器人：判斷能力。視覺傳感器、觸覺傳感器。用于水下探測的機器人用于家庭服務(wù)的機器人傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器在機器人上的應(yīng)用

智能機器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。

法老咒語：“不論是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨。”小機器人挑戰(zhàn)法老咒語，代替科學(xué)家勇探胡夫金字塔內(nèi)部秘道。“金字塔漫游者”機器人

5×1×1，地面探測雷達、超聲波傳感器（測石頭厚度）。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器與家用電器自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風(fēng)干器、電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機、洗碗機、照相機、電冰箱、電視機、錄像機、家庭影院。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器與遙感技術(shù)飛機及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠紅外線、微波。船舶：超聲波傳感器。微波紅外接收傳感器紅外線分布差異礦藏埋藏地區(qū)地面?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用“……改變那種認為軍事力量主要是軍艦、坦克和飛機的概念，把我們的注意力放在思考信息和電信技術(shù)所能提供的軍事力量上來。這場軍事革命標(biāo)志著一種轉(zhuǎn)變，即從重視軍艦、坦克和飛機，轉(zhuǎn)為重視諸如傳感器這類東西的作用。”“信息時代的軍事革命”——美國參聯(lián)會副主席歐文斯上將特種武器觀察、偵察、探測傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用醫(yī)用傳感器：人體內(nèi)部溫度、血液、呼吸流量、腫瘤、心音、腔內(nèi)壓力、心腦電波。

傳感器與航空及航天飛行器：控制在預(yù)定軌道上。速度、加速度、飛行距離測量：陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器。周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)。傳感器技術(shù)簡介三、傳感器技術(shù)的應(yīng)用

傳感器技術(shù)的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護等極其廣泛的領(lǐng)域。毫不夸張地說：幾乎每個現(xiàn)代化項目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。所謂傳感器是來自“感覺”一詞

傳感器技術(shù)屬現(xiàn)代高新技術(shù)（電五官）

根據(jù)GB7665-87，【傳感器】（Transducer／Sensor）的定義為：能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。我國往往把“傳感器”和“敏感元件”等同使用1、傳感器定義§1-1

傳感器的作用與功能什么是傳感器？ppp壓力→膜盒位移→杠桿位移→電刷位移→電位器電壓如何獲取信息？輸入輸出實現(xiàn)測量的過程：利用輸入輸出的關(guān)系，由輸出電壓解算出輸入(被測量)什么是傳感器？ppp如何獲取信息？敏感元件（Sensingelement）直接感受或響應(yīng)被測量的部分。有時也將敏感元件稱為傳感器。轉(zhuǎn)換元件（Transductionelement）能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。2、傳感器的組成§1-1

傳感器的作用與功能圖1.1傳感器組成方塊圖表1.2傳感器的分類

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傳感器的輸入量可分為靜態(tài)量和動態(tài)量兩類。靜態(tài)量指穩(wěn)定狀態(tài)的信號或變化極其緩慢的信號（準(zhǔn)靜態(tài)）。動態(tài)量通常指周期信號、瞬變信號或隨機信號。無論對動態(tài)量或靜態(tài)量，傳感器輸出電量都應(yīng)當(dāng)不失真地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化。這主要取決于傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。2傳感器的一般特性31

2.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。通常，要求傳感器在靜態(tài)情況下的輸出—輸入關(guān)系保持線性。實際上，其輸出量和輸入量之間的關(guān)系（不考慮遲滯及蠕變效應(yīng)）可由下列方程式確定。

（2-1-1）

2傳感器的一般特性32

式中—輸出量；

—輸入量；

—零位輸出；

—傳感器的靈敏度，常用K表示；

—非線性項待定常數(shù)。由(2-1-1)式可見，如果，表示靜態(tài)特性通過原點。此時靜態(tài)特性是由線性項（）和非線性項疊加而成，一般可分為以下4種典型情況。

2傳感器的一般特性33(1)理想線性〔圖1-1(a)〕(2-1-2)(2)具有X奇次階項的非線性〔圖1-1(b)〕(2-1-3)(3)具有X偶次階項的非線性〔圖1-1(c)〕(2-1-4)(4)具有X奇、偶次階項的非線性〔圖1-1(d)〕

(2-1-5)

圖2-1-1傳感器的4種典型靜態(tài)特征2傳感器的一般特性34

傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下測定的。在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下，利用一定精度等級的校準(zhǔn)設(shè)備，對傳感器進行往復(fù)循環(huán)測試，即可得到輸出—輸入數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)列成表格，再畫出各被測量值(正行程和反行程)對應(yīng)輸出平均值的連線，即為傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)曲線。傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有以下幾點。2傳感器的一般特性35圖2-1-2傳感器的線性度

(1)線性度(非線性誤差)

在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程(F·S)輸出值的百分比稱為線性度(見圖2-1-6)。用代表線性度，則

(2-1-6)

式中—校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差；

—傳感器滿量程輸出，。2傳感器的一般特性36

由此可知，非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準(zhǔn)直線算出來的。因而，基準(zhǔn)直線不同，所得線性度也不同，見圖2-1-3。圖2-1-3 基準(zhǔn)直線的不同擬合方法2傳感器的一般特性37

應(yīng)當(dāng)指出，對同一傳感器，在相同條件下進行校準(zhǔn)試驗時得出的非線性誤差不會完全一樣。因而不能籠統(tǒng)地說線性度或非線性誤差，必須同時說明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。目前國內(nèi)外關(guān)于擬合直線的計算方法不盡相同，下面僅介紹兩種常用的擬合基準(zhǔn)直線方法。2傳感器的一般特性381)端基法把傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的直線作為傳感器特性的擬合直線(見圖2-1-4)。其方程式為

(2-1-7)

式中Y—輸出量；

X—輸入量；

a0—Y軸上截距；

K—直線a0b0的斜率。圖2-1-4端基線性度擬合直線2傳感器的一般特性39

由此得到端基法擬合直線方程，按(2-1-6)式可算出端基線性度。這種擬合方法簡單直觀，但是未考慮所有校準(zhǔn)點數(shù)據(jù)的分布，擬合精度較低，一般用在特性曲線非線性度較小的情況。2傳感器的一般特性402)最小二乘法用最小二乘法原則擬合直線，可使擬合精度最高。其計算方法如下。令擬合直線方程為Y=a0+KX。假定實際校準(zhǔn)點有n個，在n個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中，任一個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Yi與擬合直線上對應(yīng)的理想值a0+KXi間線差為

(2-1-8)2傳感器的一般特性41

最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使為最小值，亦即