傳感器原理及應(yīng)用1

1、傳感器原理及應(yīng)用第一講教材內(nèi)容概要 緒論 傳感器作什么用？ 傳感器在什么領(lǐng)域用？ 傳感器由什么構(gòu)成？ 傳感器有哪些種類(lèi)？ 第一章 傳感器的特性 什么樣的傳感器才算好的傳感 器？(怎么買(mǎi)，怎么選？) 什么是理想的傳感器？ 傳感器一般存在哪些問(wèn)題？如何量化這些問(wèn)題？0.1傳感器的作用無(wú)處不在！ iPhone、汽車(chē)、高速公路收費(fèi)； 空調(diào)、燃?xì)庠睿?水表、電表、煤氣表； 醫(yī)療化驗(yàn)、體檢； PM2.5、尾氣排放、噪聲檢測(cè)； 航空、航天、軍事； 概以言之，傳感器的作用三個(gè)方面：測(cè)量測(cè)量、控制控制、監(jiān)視監(jiān)視汽車(chē)上的傳感器普通家庭轎車(chē)上大約安裝近百只傳感器；豪華轎車(chē)上傳感器可達(dá)二百余只。機(jī)器人內(nèi)部傳感器： 用

2、來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測(cè)位置和角度的傳感器。 外部傳感器： 明暗覺(jué)（明暗覺(jué)（光敏管、光電斷續(xù)器） 色覺(jué)（色覺(jué)（彩色攝像機(jī)、彩色CCD ） 位置覺(jué)（位置覺(jué)（光敏陣列、CCD） 形狀覺(jué)（形狀覺(jué)（光敏陣列、CCD ） 接觸覺(jué)（接觸覺(jué)（光電傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等） 壓覺(jué)（壓覺(jué)（壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料） 力覺(jué)（力覺(jué)（應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠） 接近覺(jué)（接近覺(jué)（光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器 ） 滑覺(jué)（滑覺(jué)（球形接點(diǎn)式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動(dòng)檢測(cè)器）iPhone 近距離接近傳感器 運(yùn)動(dòng)/加速度傳感器 環(huán)境光傳感器 濕度傳感器 陀螺儀 耳機(jī)

3、插孔已可外接多種傳感器如氣壓傳感器、元素探測(cè)器、心電圖傳感器等航空航天 美阿波羅美阿波羅10號(hào)飛船（號(hào)飛船（1969年）：年）：3295個(gè)傳感器，溫度個(gè)傳感器，溫度539個(gè)，壓力個(gè)，壓力140個(gè)，信號(hào)個(gè)，信號(hào)501個(gè)，遙控個(gè)，遙控142個(gè)；個(gè)； 歐航天局阿麗亞娜火箭試驗(yàn)期：常規(guī)型傳感器歐航天局阿麗亞娜火箭試驗(yàn)期：常規(guī)型傳感器1100個(gè)，低個(gè)，低溫型傳感器溫型傳感器600個(gè)；個(gè)；光電開(kāi)關(guān)在流水線(xiàn)上的應(yīng)用光電開(kāi)關(guān)在流水線(xiàn)上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)咖啡罐咖啡罐流水線(xiàn)運(yùn)行方向流水線(xiàn)運(yùn)行方向罐裝高度檢測(cè)罐裝高度檢測(cè)儲(chǔ)料倉(cāng)儲(chǔ)料倉(cāng)落料口落料口遮斷式光電開(kāi)關(guān)（計(jì)數(shù)）遮斷式光電開(kāi)關(guān)（計(jì)數(shù)）

4、光幕應(yīng)用光幕應(yīng)用三維尺寸檢測(cè)三維尺寸檢測(cè)寬度寬度 測(cè)量測(cè)量長(zhǎng)度長(zhǎng)度 測(cè)量測(cè)量高度高度 測(cè)量測(cè)量 光幕應(yīng)用（續(xù)）光幕應(yīng)用（續(xù)）光幕用于光幕用于 自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車(chē)輛檢測(cè)車(chē)輛檢測(cè)模糊洗衣機(jī)模糊洗衣機(jī)的模糊推理的模糊推理 智能樓宇停車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)智能樓宇停車(chē)監(jiān)控系統(tǒng) 在智能樓宇內(nèi)，多配置有地下車(chē)庫(kù)。車(chē)庫(kù)綜合管理系統(tǒng)監(jiān)在智能樓宇內(nèi)，多配置有地下車(chē)庫(kù)。車(chē)庫(kù)綜合管理系統(tǒng)監(jiān)控車(chē)輛的進(jìn)入，指示停車(chē)位置，禁止無(wú)關(guān)人員闖入，甚至能自控車(chē)輛的進(jìn)入，指示停車(chē)位置，禁止無(wú)關(guān)人員闖入，甚至能自動(dòng)登錄車(chē)牌號(hào)碼。動(dòng)登錄車(chē)牌號(hào)碼。 中央控制器中央控制器車(chē)牌識(shí)車(chē)牌識(shí)別系統(tǒng)別系統(tǒng)刷卡刷卡門(mén)禁門(mén)禁行車(chē)泊行車(chē)泊位系統(tǒng)位系統(tǒng)活動(dòng)

5、物活動(dòng)物體監(jiān)視體監(jiān)視燈光燈光自控自控停車(chē)監(jiān)控原理框圖停車(chē)監(jiān)控原理框圖 0.1 傳感器的作用傳感器的作用信息的拾取傳感器技術(shù)現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)：傳輸處理通訊技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)“感官”“神經(jīng)”“大腦”“沒(méi)有傳感器就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”門(mén)捷列夫：“科學(xué)僅僅是在人們懂得了測(cè)量才開(kāi)始的。” 傳感器（transducer或sensor） 傳感器是將各種非電量（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。0.2 傳感器及傳感技術(shù)傳感器及傳感技術(shù)利用原理、材料和工藝把傳感器做出來(lái)，工程技術(shù)問(wèn)題！物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)等原理，科學(xué)問(wèn)題！本學(xué)科的兩大核心問(wèn)題！貫

6、穿本課程的始終！0.3 傳感器的組成傳感器的組成傳感器由三部分組成： 敏感元件敏感元件是指?jìng)鞲衅髦兄苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分； 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髂軐⒚舾性敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。 信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路將傳感器微弱的信號(hào)進(jìn)行放大或變換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。 敏感元件轉(zhuǎn)換元件測(cè)量電路輔助電源 被測(cè)量（非電量）輸出電量 例如：例如： 我們要測(cè)量一個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)的加速度（規(guī)定我們要測(cè)量一個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)的加速度（規(guī)定的被測(cè)量）?？梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置。的被測(cè)量）?？梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置。敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件+電子線(xiàn)路電子線(xiàn)路輸出輸出0

7、.3 傳感器的組成傳感器的組成敏感敏感元件元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換元件元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 電路電路被測(cè)量被測(cè)量電量電量砝碼砝碼m千克千克彈簧彈簧k轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 電路電路加速度加速度電量電量a力力mama/k位移位移vma/kL0.3 傳感器的組成傳感器的組成0.1 傳感器的組成與分類(lèi)傳感器的組成與分類(lèi)|傳感器的分類(lèi)：傳感器的分類(lèi)：1、按輸入量分類(lèi)：、按輸入量分類(lèi)：2、按測(cè)量原理分類(lèi)：、按測(cè)量原理分類(lèi)： 機(jī)械量：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、角度傳感器； 溫度傳感器 力傳感器：壓力傳感器、扭矩傳感器 應(yīng)變式 電容式 電感式 熱敏式 光敏式 0.1 傳感器的組成與分類(lèi)傳感器的組成與分類(lèi)|傳感器的分類(lèi)：傳感器的分

8、類(lèi)：3、按輸入量分類(lèi)：、按輸入量分類(lèi)：結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型：依賴(lài)敏感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)（形狀或尺寸）變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換。 物性型物性型：依賴(lài)敏感元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換。 0.5 傳感器的發(fā)展趨向傳感器的發(fā)展趨向u固態(tài)化固態(tài)化物性型傳感器也稱(chēng)固態(tài)傳感器，相對(duì)結(jié)構(gòu)型傳感器靈敏度高、響應(yīng)速度快、小而輕，易于實(shí)現(xiàn)集成化和多功能化。世界各國(guó)在此方面投入了大量人力物理，目前發(fā)展很快！u集成化集成化集成化是指將敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路，甚至電源集成在同一芯片上。u多功能化多功能化多功能化是傳感器具有測(cè)量多種參數(shù)的功能，各功能共享某些資源如轉(zhuǎn)換、測(cè)量電路或電源等。u圖像化圖像化不僅是對(duì)一點(diǎn)物理量的測(cè)量，而是一維、二

9、維、三維甚至四維的測(cè)量。u智能化智能化傳感器輸出信號(hào)的后繼處理、自我診斷、自動(dòng)調(diào)零和調(diào)量程第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性什么樣的傳感器才是好的傳感器？ 輸入量為穩(wěn)態(tài)量時(shí)，輸出量與輸入量的關(guān)系輸入量為穩(wěn)態(tài)量時(shí)，輸出量與輸入量的關(guān)系傳感器輸出量對(duì)隨傳感器輸出量對(duì)隨時(shí)間時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)變化的輸入量的響應(yīng)特性。特性。1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 通常希望傳感器的輸出量Y與其輸入量X成線(xiàn)性關(guān)系：YXO即：XaY1但往往做不到這一點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)往往是：nnXaXaXaaY2210這里a1稱(chēng)之為靈敏度，常用K表示。

10、 因此，穩(wěn)態(tài)下，輸出量Y與輸入量X的實(shí)際關(guān)系：YXOnnXaXaXaaY2210如果在我們關(guān)心的輸入量范圍內(nèi)，Y與X的關(guān)系接近線(xiàn)性，可用這段直線(xiàn)來(lái)代替，即線(xiàn)性化。a0a0稱(chēng)為零位輸出。 如何得到Y(jié)與X的關(guān)系曲線(xiàn)？（如何獲知絕對(duì)真理） 這種線(xiàn)性化的前提“接近線(xiàn)性”，如何來(lái)評(píng)判？1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性我們用靜態(tài)校準(zhǔn)曲線(xiàn)來(lái)代替Y與X的真實(shí)關(guān)系。1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性相對(duì)真理校準(zhǔn)曲線(xiàn)是指： 在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下，利用一定精度等級(jí)的校準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，可得到一組“輸入-輸出”數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)列成表格，再畫(huà)出各被測(cè)量值（正行程 反行程）對(duì)應(yīng)輸出平均值的連線(xiàn)，

11、即為傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)曲線(xiàn)。YXO一、 線(xiàn)性度 在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)間最大偏差與滿(mǎn)量程輸出值的百分比，即：YXOXmaxYF S Ymax%100maxSFLYY其中， Ymax 為校準(zhǔn)曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)間最大偏差 YF S 傳感器滿(mǎn)量程輸出1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性(a) 端基法將傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值a0和滿(mǎn)量程輸出平均值b0連成直線(xiàn)a0 b0作為傳感器特性的擬合直線(xiàn)，其方程為：YXa0b0KXaY0式中a0為Y軸上的截距；K為直線(xiàn)的a0 b0斜率顯然，這種方法只用到了兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，精度較低。但這種方法簡(jiǎn)單直觀，可用在非線(xiàn)性度較小的場(chǎng)合。一、 線(xiàn)性度1.1

12、傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性| 常用擬合方法(b) 最小二乘法最小二乘法用最小二乘原則擬合直線(xiàn)，可使擬合精度最高。設(shè)有n個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)(Xi, Yi)（i=1,n）要求的擬合直線(xiàn)方程為： Y = a0+KX這里的a0和K為待求參數(shù)。設(shè)第i個(gè)點(diǎn)與擬合直線(xiàn)間線(xiàn)差為：最小二乘法的原則是找到讓 最小的a0和K值。)(0iiiKXaYnii12| 常用擬合方法一、 線(xiàn)性度1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性0YYiXy=kx+bXi最小二乘擬合法傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比。XYK輸入變化量輸出變化量如果要考慮傳感器的非線(xiàn)性時(shí)，可用局部（某點(diǎn)處）的靈敏度來(lái)描述。dXdYK XY0X

13、YXY0dxdydxdy1.1 傳感器的靜態(tài)特性二、 靈敏度低精密度、低準(zhǔn)確度低精密度、低準(zhǔn)確度高精密度、低準(zhǔn)確度高精密度、低準(zhǔn)確度低精密度、高準(zhǔn)確度低精密度、高準(zhǔn)確度高精密度、高準(zhǔn)確度高精密度、高準(zhǔn)確度1.1 傳感器的靜態(tài)特性三、精確度（精度）精密度精密度 ：隨機(jī)誤差：隨機(jī)誤差準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度 ：系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差精確度精確度 ：是精密度與準(zhǔn)確度的總和，即：是精密度與準(zhǔn)確度的總和，即0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0FSAA=100%YAFSY- 測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差- 滿(mǎn)量程輸出 ：1.4A=100%1.4%100-0根據(jù)50

14、Pa處來(lái)計(jì)算精度等級(jí)：1.4 1.5，所以該傳感器合格的。1.1 傳感器的靜態(tài)特性三、精確度（精度）傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵雠c輸入曲線(xiàn)不重合時(shí)稱(chēng)為遲滯。max/100%FSHHY 或%100)2/(maxFSHYH遲滯反映了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造工藝 的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動(dòng)、元件腐蝕等。1.1 傳感器的靜態(tài)特性四、遲滯遲滯誤差用最大偏差或最大偏差的一半與滿(mǎn)量程輸出值的百分?jǐn)?shù)表示。傳感器在同一工作條件下，在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線(xiàn)不一致的程度。其中：23為置信度; 為標(biāo)準(zhǔn)差，若用貝賽爾公式計(jì)算，為%100)32(FSkY1)(12nY

15、Ynii注：重復(fù)性反映的是測(cè)量結(jié)果偶然誤差的大小，不表示與真值之間的差別。有時(shí)重復(fù)性雖然很好，但可能遠(yuǎn)離真值。1.1 傳感器的靜態(tài)特性五、重復(fù)性%1000FSYY零漂其中： 為最大零點(diǎn)偏差0Y1.1 傳感器的靜態(tài)特性六、零點(diǎn)漂移l溫漂表示在輸入不變的情況下，傳感器輸出值隨著溫度的變化而變化的特性。l溫漂是以單位溫度變化引起的最大輸出變化量與滿(mǎn)量程輸出的百分比來(lái)表示的。 max100%TFSy 溫 度 漂 移maxT1.1 傳感器的靜態(tài)特性七、溫漂1.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性為什么要分析動(dòng)態(tài)特性？是不是只分析靜態(tài)特性就夠了？例如，在動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中，系統(tǒng)很少處于穩(wěn)態(tài)，如汽車(chē)的行駛。如何保證在我們的控制后，汽車(chē)有足夠快的響應(yīng)呢？因此，分析傳感器動(dòng)態(tài)特性是不可或缺的一環(huán)！在實(shí)際測(cè)試和控制過(guò)程中，被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。由于存在阻尼、慣性等環(huán)節(jié)和溫度變化的影響，輸出量y(t)不僅與x(t)有關(guān)，還與輸入量的變化速度dx(t)/dt、加速度d2x (t)/ dt2等有關(guān)。tX(t)Y(t)t1.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性二、傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)單位階躍輸入下的二階傳感器典型指標(biāo)：超