傳感器原理及項目實戰(zhàn) 課件 0緒論

傳感器原理及項目實戰(zhàn)

識目標(biāo)本教材系統(tǒng)地介紹了多種傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能特點及應(yīng)用。除緒論外共分為十個項目，分別為溫度檢測、開關(guān)量檢測、位移檢測、力和壓力檢測、敏感氣體檢測、光檢測、空氣檢測、生物識別、運動量檢測、位姿檢測。為了適應(yīng)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域?qū)θ瞬排囵B(yǎng)的需求，教材加入了生物識別、氣體壓力、三軸加速度、陀螺儀、電子羅盤、GPS定位等新型MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器的內(nèi)容。教材中所有實訓(xùn)項目均采用應(yīng)用廣泛的STM32單片機完成，每個項目都包含傳感器與STM32單片機的接口電路設(shè)計及程序設(shè)計，是一本能夠適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展、科技進步和生產(chǎn)實踐的實用性和教學(xué)功能較強的教科書。0緒論項目1溫度檢測項目2開關(guān)量檢測項目3位移檢測項目4力和壓力檢測項目5敏感氣體檢測項目6光檢測項目7空氣檢測項目8生物識別項目9運動量檢測項目10位姿檢測

緒

論

主講人0.1傳感器基礎(chǔ)知識0.2傳感器的誤差分析0.3傳感器的基本特性0.4思考與練習(xí)目錄識目標(biāo)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于機械制造、交通運輸、石油化工、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，并逐步滲透到人們的日常生活中去?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)的地位和作用日益被人們所認知，發(fā)展現(xiàn)代傳感器技術(shù)是提升國家科技水平的需要和重要舉措，可以說傳感器技術(shù)水平的高低是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。傳感器基礎(chǔ)知識0.10.1.1什么是傳感器

傳感器是指對被測對象的某些物理信息具有感受與檢出功能，并按照一定規(guī)律直接或間接轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電信號的元器件或裝置，如圖0-1所示。傳感器的作用包括信息的收集、信息數(shù)據(jù)的交換和控制信息的采集部分內(nèi)容。圖0-1獨立傳感器和傳感器裝置傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技前沿技術(shù)，傳感器產(chǎn)業(yè)也是國內(nèi)外公認具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，許多發(fā)達國家把傳感器技術(shù)列為國家重點發(fā)展技術(shù)之一。世界上傳感器品種達到三萬多種，傳感器地位作用不斷增加。信息技術(shù)的三大支柱：計算機技術(shù)用于信息處理，通信技術(shù)用于信息傳輸，傳感器技術(shù)用于采集信息。如果把計算機比喻為處理和識別信息的“大腦”，把通信系統(tǒng)比喻為傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”，那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。因此傳感器技術(shù)是21世紀世界各國在高新技術(shù)領(lǐng)域爭奪一個重要領(lǐng)域。

傳感器一般由敏感元件、變換元件、信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成：傳感器的構(gòu)成調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路是指將敏感元件或變換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換成便于處理、顯示、記錄和控制的可用電信號。敏感元件是指傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測量的部分。變換元件是指能將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件或元件。傳感器的構(gòu)成

輔助電源提供轉(zhuǎn)換能量，有的傳感器需要外加電源才能工作，例如應(yīng)變片組成的電橋、差動變壓器等；有的傳感器則不需要外加電源就能工作，例如壓電晶體等。注意：并非所有的傳感器必須包含敏感元件和變換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時兼為變換元件；如果變換元件能直接感受被測量而輸出與之成一定關(guān)系的電量，它就同時兼為敏感元件。0.1.2常見傳感器及應(yīng)用領(lǐng)域1.電阻式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電阻值，包括應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。4.光電傳感器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，用于檢測非電量引起的光量變化，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等。2.電感式傳感器建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，輸入物理量轉(zhuǎn)換為線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，通過測量電路將L或M的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。5.生物傳感器將生物化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化成電信號，具有選擇性高、分析速度快、操作簡易和價格低廉的特點。3.電容式傳感器利用非電量變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化來實現(xiàn)對物理量的測量，具有簡單、體積小、分辨率高、動態(tài)響應(yīng)好、溫度穩(wěn)定性好等特點。6.磁敏感式傳感器通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換為電信號，磁電作用分為電磁感應(yīng)和霍爾效應(yīng)兩種情況。新型傳感器技術(shù)是一種用于感知和檢測環(huán)境中各種物理和化學(xué)參數(shù)的先進技術(shù)。相比傳統(tǒng)傳感器技術(shù)，新型傳感器技術(shù)具有更高的精確度、更低的功耗和更小的體積。新型傳感器包括多種類型的傳感器，例如光學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新型傳感器技術(shù)正不斷突破傳統(tǒng)的限制，GPS定位、陀螺儀、電子羅盤以及生物識別技術(shù)等新型傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用在自動駕駛、人工智能、軍事安全以及消費類電子等領(lǐng)域。傳感器技術(shù)的進步將進一步推動物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的發(fā)展，為人們的生活帶來更多便利和舒適，為未來的科技創(chuàng)新和應(yīng)用提供更廣闊的可能性。7.新型傳感器1.集成化、功能化的傳感器不斷得到發(fā)展0.1.3傳感器的發(fā)展趨勢2.新材料、新工藝的新型傳感器3.與其它學(xué)科的交叉整合，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)化4.傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器的誤差分析0.20.2

傳感器的誤差分析測量的目的是為了獲得被測量的真實值，但是由于種種原因，任何測量都不可能絕對準確，都存在誤差，只要誤差在允許范圍內(nèi)即可認為符合標(biāo)準。所謂測量誤差，即測量的輸出值與理論輸出值的差值。因此，在設(shè)計和制造傳感器時允許有誤差，但必須在規(guī)定誤差的指標(biāo)之內(nèi)。為了使其能滿足一定的精度要求，必須掌握誤差的種類、分析產(chǎn)生誤差的原因以及克服與減少誤差的方法。0.2.1.真值和測量誤差1.真值

真值是指在一定的時間及空間（位置或狀態(tài)）條件下，被測量所體現(xiàn)的真實數(shù)值，它是一個理想的概念，一般是無法得到的，所以在計算誤差時，一般用約定真值或相對真值來代替。

約定真值是一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值；相對真值也叫實際值，由于系統(tǒng)誤差不可能完全被排除掉，故通常只能把精度更高一級的標(biāo)準器具所測得的值作為“真值”。

2.測量誤差

測量結(jié)果與被測量真值之差稱為測量誤差。在實際測量中真值無法確定，因此通常用約定真值或相對真值代替真值來確定測量誤差。0.2.2誤差的表示方法

絕對誤差：絕對誤差用

（德爾塔）來表示，是指測量值A(chǔ)x與約定真值A(chǔ)0的差值

絕對誤差可以表示測量值偏離實際值的程度，但不能表示測量的準確度。0.2.2

誤差的表示方法

測量所造成的絕對誤差與被測量（約定）真值的百分比稱為相對誤差，它是一個無量綱的值。一般來說，相對誤差更能反映測量的可信程度。例如，測量者用同一把尺子測量長度為1厘米和10厘米的物體，它們的測量值的絕對誤差顯然是相同的，但是相對誤差前者比后者大了一個數(shù)量級，表明后者測量值更為可信。

在實際測量中，相對誤差有下列三種表示形式：

3.引用誤差

引用誤差γm用絕對誤差

與儀器量程Am的百分比表示，即：測量工作是在一定條件下進行的，外界環(huán)境、觀測者的技術(shù)水平和儀器本身構(gòu)造的不完善等原因，都可能導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生。具體來說，測量誤差主要來自以下三個方面：外界條件：主要指觀測環(huán)境中氣溫、氣壓、空氣濕度、風(fēng)力以及氣流擾動等因素所引起的誤差；儀器條件：測量儀表本身以及儀表組成元件不完善所引入的誤差。為了減小測量裝置誤差應(yīng)該不斷的提高儀表及組成元件本身的質(zhì)量；測量者自身條件：由于觀測者自身能力所限，若所選擇的測量方法不正確，則可能引起誤差。按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律:系統(tǒng)誤差、隨機誤差、粗大誤差。

按照按被測量隨時間變化的速度分類可以分成靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。0.2.3誤差的分類誤差的分類在相同的條件下，對同一物理量進行多次測量，如果誤差按照一定規(guī)律出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差，簡稱系差。系統(tǒng)誤差表明了一個測量結(jié)果偏離真值和實際值的程度。系統(tǒng)誤差愈小，測量愈準確，所以常用準確度來表征系統(tǒng)誤差大小。1.系統(tǒng)誤差2.隨機誤差當(dāng)對某一物理量進行多次重復(fù)測量時，若誤差出現(xiàn)的大小和符號均以不可預(yù)知的方式變化，則該誤差為隨機誤差。隨機誤差的特點：

無法完全排除或避免：隨機誤差是實驗中不可避免的，無論實驗條件如何控制，都無法完全消除它的存在。但是隨著測量次數(shù)增加，隨機誤差的算數(shù)平均趨向零。

值大小不固定：隨機誤差的大小是隨機的，可能很小，也可能很大，但是等值反號的隨機誤差出現(xiàn)概率接近，而且隨機誤差絕對值不會超過一定接線。

可以通過統(tǒng)計方法進行處理：由于隨機誤差是隨機的，其值可以通過重復(fù)實驗并進行統(tǒng)計處理，得到一個近似真值。

誤差的分布：

系統(tǒng)測量值與真值之間總是會存在誤差，系統(tǒng)隨機誤差服從統(tǒng)計上的正態(tài)分布曲線，經(jīng)過多次測量得到的平均值與真值之間的系統(tǒng)誤差是穩(wěn)定的，而通過多次測量隨機誤差是可以抵消進而縮小的。誤差的分類明顯超出規(guī)定條件下的預(yù)測值的誤差稱為粗大誤差。3.粗大誤差

靜態(tài)誤差：是指在測量過程中，被測量隨時間變化很緩慢或基本不變時的測量誤差。

動態(tài)誤差：動態(tài)誤差是在被測量隨時間變化時所測得的誤差。對測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理是一個去偽存真的過程，針對不同性質(zhì)的誤差應(yīng)采取不同的處理方法。誤差分析的理論多基于測量數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，而實際測量過程中由于受到各種因素的影響，測量數(shù)據(jù)的分布情況復(fù)雜，因此，測量數(shù)據(jù)必須消除系統(tǒng)誤差、正態(tài)性檢驗和剔除粗大誤差后，才能進一步處理，以得到可信的結(jié)果。1.傳感器的準確度準確度是指量具的測量值接近真實值的程度，準確度只是一個定性概念而無定量表達。測量誤差的絕對值越大，其準確度越低。但準確度不等于誤差。準確度只有諸如：高、低；大、??；合格與不合格等類表述。0.2.4傳感器的準確度和精確度對于測量儀器的準確度，則還有級別或等別的表述。如壓力傳感器的準確度等級分別為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等，我國電工儀表的準確度等級分別為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0等。儀表的準確度等級S常用最大引用誤差來定義：例1-1：現(xiàn)有準確度等級為0.5級，量程為0～300℃和準確度等級為1.0級，量程為0～100℃的兩個溫度計，要測80℃的溫度，試問采用哪一個溫度計好？

解：用準確度等級為0.5級的溫度計測量時，最大標(biāo)稱相對誤差為：用準確度等級為1.0級的溫度計測量時，最大標(biāo)稱相對誤差為：由此可得

S2<S1，顯然用準確度等級為1.0級的儀表測量比用準確度等級為0.5級的溫度計測量更合適。

2.傳感器的精確度

傳感器的精確度是指測量值彼此接近的程度，多個測量值之間有多接近。傳感器的精確度通常受到多個因素的影響，例如環(huán)境溫度、濕度、電源穩(wěn)定性以及傳感器的制造質(zhì)量等。因此，對于不同類型的傳感器，其精確度可能會有所不同。圖0-4通過子彈打中靶標(biāo)的情況形象的表示出了測量的準確度和精確度。傳感器的基本特性0.31靈敏度

0.3.1傳感器的靜態(tài)特性

靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時傳感器輸出量y和輸入量x之比，或輸出量的增量△y和相應(yīng)輸入量△x的增量之比。線性傳感器的靈敏度

K為常數(shù)，非線性傳感器的靈敏度

K是隨輸入量變化的量。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也往往愈差。2分辨力和分辨率

0.3.1傳感器的靜態(tài)特性

分辨力指的是傳感器能夠檢測出的被測信號的最小變化量。這個最小變化量用絕對值表示，它決定了傳感器對輸入量變化的最低可檢測閾值。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。分辨率則是指分辨力與滿量程值之比，通常用百分比表示。分辨率表征了傳感器在滿量程范圍內(nèi)對被測量變化的分辨能力，是分辨力與滿量程之比。3測量范圍和量程

0.3.1傳感器的靜態(tài)特性

在允許誤差范圍內(nèi)，傳感器能夠測量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之間的范圍稱為測量范圍，表示為ymin～ymax；上限值與下限值的差稱為量程，表示為yF.S＝y(tǒng)max－ymin。如某溫度計的測量范圍是-20~100℃，量程則為120℃。4誤差特性

0.3.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器的誤差特性包括線性度、遲滯、重復(fù)性、零漂和溫漂等。

1）線性度

線性度是指傳感器輸入量與輸出量之間的靜態(tài)特性曲線偏離直線的程度，其又稱為非線性誤差。在實際使用中，大多數(shù)傳感器的靜態(tài)特性曲線是非線性的?？捎靡粭l直線(切線或割線)近似地代表實際曲線的一段，這條直線稱為擬合直線，如圖0-5所示。

靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度）。圖0-5傳感器擬合直線示意圖2）遲滯遲滯是指在相同工作條件下，傳感器正行程特性與反行程特性的不一致的程度。圖0-6遲滯特性曲線3）重復(fù)性如圖0-7所示，傳感器的重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性。在數(shù)值上用各測量值正、反行程標(biāo)準偏差最大值的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。圖0-7傳感器重復(fù)特性曲線4）零漂和溫漂

傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時，每隔一定時間，其輸出值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比，即為零漂。溫度每升高1℃，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比，稱為溫漂。

0.3.2傳感器的動態(tài)特性

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。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規(guī)律，將能同時再現(xiàn)輸入隨時間變化的規(guī)律（變化曲線），即具有相同的時間函數(shù)。但實際上除了具有理想的比例特性的環(huán)節(jié)外，輸出信號將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就是所謂的動態(tài)誤差。

為了便于比較、評價或動態(tài)定標(biāo)，最常用的輸入信號為階躍信號和正弦信號，與其對應(yīng)的方法為階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。

我國早在

20世紀60年代就開始涉足傳感器制造業(yè)。1972年，成立中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位；1974年，研制成功中國第一個實用壓阻式壓力傳感器；1978年，誕生中國第一個固態(tài)壓阻加速度傳感器；1982年，國內(nèi)最早開始微電子機械系統(tǒng)（MEMS）加工技術(shù)和SOI（絕緣襯底上的硅）技術(shù)的研究。進入

20世紀90年代后，MEMS加工技術(shù)的絕對壓力傳感器、微壓傳感器、多晶硅壓力傳感器等相繼問世并實現(xiàn)量產(chǎn)。

我國傳感器技術(shù)的發(fā)展歷程

2018年，我國中央科技新聞媒體《科技日報》發(fā)表了系列文章，報道了制約我國工業(yè)發(fā)展的35項“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注與討論。其中除了眾所周知的芯片、光刻機、核心工業(yè)軟件等技術(shù)外，也包括觸覺傳感器、激光雷達等高端傳感器技術(shù)。時至今日，觸覺傳感器和激光雷達在我國科研人員的努力下