傳感器的基本概念概要

1、傳感器的基本概念概要第一章 傳感器的根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(diǎn)傳感器的數(shù)學(xué)模型概述傳感器的根本特性傳感器的引入人通過五官視、聽、嗅、味、觸承受外界的信息，經(jīng)過大腦的思維信息處理，作出相應(yīng)的動(dòng)作。而用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來代替人的勞動(dòng)，那么可以說電子計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦一般俗稱電腦，而傳感器那么相當(dāng)于人的五官局部“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。人與機(jī)器人的對(duì)應(yīng)關(guān)系 第一節(jié) 傳感器的定義與組成 1. 傳感器transducer or sensor 的定義： 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)

2、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。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。 2. 傳感器的組成：1敏感元件：是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)與檢測(cè)出被測(cè)對(duì)象的待測(cè)信息非電量的局部。2轉(zhuǎn)換元件：是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)出的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的局部。3其他輔助部件：包括信號(hào)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？傳感器是一種以一定的準(zhǔn)確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。其包含一下幾個(gè)方面的意思：1傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；2它的輸入量是某一被測(cè)量

3、，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(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的準(zhǔn)確度。1傳感器的作用傳感器實(shí)際上是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。3. 傳感器的作用和重要性為什么要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)？ 傳感器所檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)來顯著地增加，因此其品種也極其繁多。為了對(duì)各種各樣的信號(hào)進(jìn)展檢測(cè)、控制，就必須獲得盡量簡(jiǎn)單易于處理的信號(hào)，這樣的要求只有電信號(hào)可以滿足。電信號(hào)能較容易地進(jìn)展放大、反響、濾波、微分、存貯、遠(yuǎn)間隔 操作等。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(hào)變換

4、為電信號(hào)的一類元件。 傳感器來自外界的信號(hào)電信號(hào)2傳感器的重要性作為人腦的一種模擬的電子計(jì)算機(jī)的開展極為迅速，可是起五種感覺模擬作用的傳感器卻開展很慢，因此假設(shè)不進(jìn)展傳感器的開發(fā)，如今的電子計(jì)算機(jī)將不能適應(yīng)實(shí)際需要?，F(xiàn)代社會(huì)要求傳感器、電子計(jì)算機(jī)和執(zhí)行器三者都能互相協(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(shì)。4. 傳感器的應(yīng)用：傳感器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化、軍事國(guó)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(shí)，它正以自己的宏大潛力，向著與人們生活親密相關(guān)的方面浸透；生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、平安防范、家用電器

5、、網(wǎng)絡(luò)家居等方面的傳感器已層出不窮，并在日新月異地開展。1. 按工作機(jī)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)作為分類的根據(jù)。可分為構(gòu)造型、物性型和復(fù)合型。 第二節(jié) 傳感器的分類1構(gòu)造型的性能與構(gòu)成材料關(guān)系不大，其構(gòu)造的幾何尺寸厚度、角度、位置等在被測(cè)量作用下發(fā)生變化，能獲得比例于被測(cè)非電量的電信號(hào)的敏感元件或裝置。 例如，測(cè)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。2物性型那么是利用物質(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(cè)非電量，并可以將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的敏感元器件或裝置。 特

6、點(diǎn)：響應(yīng)快，材料本身就是敏感體，不存在顯著的構(gòu)造特征，也無所謂的“構(gòu)造變化 ；易集成化、小型化、智能化。 例：半導(dǎo)體、金屬、陶瓷、合金傳感器 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(cè)量轉(zhuǎn)換為物性型敏感元件可以感受的信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 2. 按被測(cè)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。 用處分類、科目分類、功能分類、輸出信號(hào)的性質(zhì)分類。第三節(jié) 傳感器的技術(shù)特點(diǎn) 傳感器技術(shù)

7、包括：傳感器的研究、設(shè)計(jì)、試制、消費(fèi)、檢測(cè)與應(yīng)用。 特點(diǎn)：內(nèi)容范圍廣且離散知識(shí)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 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；具有一定的過載才能。靈敏度高，精度適當(dāng)即要求其輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求。響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定，可靠性高。使用性和適應(yīng)性強(qiáng)體積小，重量輕，動(dòng)作能量小，對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)影響??；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(duì)接。使用經(jīng)濟(jì)本錢低，壽命長(zhǎng)，且便于使用、維修和校準(zhǔn)。傳感器

8、開發(fā)的新趨勢(shì)傳感器開發(fā)的新趨向包括:社會(huì)對(duì)傳感器需求的新動(dòng)向傳感器新技術(shù)的開展趨勢(shì)傳感器技術(shù)的開展趨勢(shì) 傳感器的開發(fā)方向，大致分為如下四個(gè)方面：向檢測(cè)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Smart sensor1向檢測(cè)范圍挑戰(zhàn)： 傳感器的量子化 傳感器的極限檢測(cè)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： 向敏感功能裝置開展 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。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

9、和生物傳感器。4智能傳感器： 具有判斷才能、學(xué)習(xí)才能的傳感器 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)才能的敏感裝置具有創(chuàng)造才能的敏感裝置 從構(gòu)成上看，智能式傳感器是一個(gè)典型的以微處理器為核心的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。智能式傳感器特點(diǎn)： 同一般傳感器相比，智能式傳感器有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：精度高穩(wěn)定、可靠性好檢測(cè)與處理方便功能廣性能價(jià)格比高 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(diǎn)誤差、正反行程誤差等)，而且還可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償隨機(jī)誤差，降低噪聲，從而使傳感器的精度大大進(jìn)步。穩(wěn)定、可靠性好： 它具有自

10、診斷、自校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，對(duì)于智能構(gòu)造系統(tǒng)還有自適應(yīng)功能。檢測(cè)與處理方便： 它不僅具有一定的可編程自動(dòng)化才能，可根據(jù)檢測(cè)對(duì)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(yuǎn)地計(jì)算機(jī)進(jìn)展處理。功能廣： 不僅可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測(cè)量，擴(kuò)大測(cè)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(jià)格比高： 在一樣精度條件下，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(jià)格比高，尤其是在采用比較廉價(jià)的單片機(jī)后更為明顯。從系統(tǒng)的角度看，一種傳感器就是一種系統(tǒng)。

11、 一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程或函數(shù)來描繪。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。靜態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 第四節(jié) 傳感器的數(shù)學(xué)模型概述1. 靜態(tài)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，描繪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(xiàng)式來表零位輸出 非線性項(xiàng)的待定系數(shù)傳感器線性靈敏度，常用K或S表示三種有用的特殊形式：嚴(yán)格的線性關(guān)系非線性關(guān)系2. 動(dòng)態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型是指在準(zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)輸入信號(hào)隨時(shí)間而變化的量作用下，描繪其輸出輸入信號(hào)的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。 動(dòng)態(tài)模型常用微分方程和傳遞函數(shù)等來描繪。1微分方程 多數(shù)傳感器都屬于模擬連續(xù)變

12、化系統(tǒng)，且通常看作是線性時(shí)不變系統(tǒng)。、傳感器的構(gòu)造參數(shù)通常2傳遞函數(shù)當(dāng)時(shí)，那么有的拉氏變換：對(duì)微分方程取拉氏變換，有：得傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)框圖為H(s)X(s)Y(s)傳遞函數(shù)的串聯(lián)形式H1(s)X(s)H2(s)Hr(s)Y(s)傳遞函數(shù)的并聯(lián)形式H1(s)X(s)H2(s)Hr(s)Y(s) 第五節(jié) 傳感器的根本特性 傳感器所測(cè)量非電量的一般形式： 靜態(tài)信號(hào) 一種穩(wěn)定信號(hào)，不隨時(shí)間變化或變化及其緩慢。動(dòng)態(tài)信號(hào) 隨時(shí)間變化而變化的信號(hào)。靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性1.1 線性度：是指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)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(shí)際曲線與擬合直線之

13、間的最大偏向； 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(shí)際曲線與擬合直線間最大偏向與滿量程輸出值的百分比。輸出滿量程值。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(xiàng)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 一般希望傳感器的靈敏度在滿量程范圍內(nèi)保持恒定。 靈敏度的量綱輸出輸入量的量綱之比1.3 重復(fù)性 重復(fù)

14、性表示的是傳感器在輸入量按同一方向作全量程屢次測(cè)試時(shí)，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(jī)械局部的磨損、間隙、松動(dòng)、部件的內(nèi)摩擦、積塵、輔助電路的老化和漂移等。 當(dāng)誤差服從高斯分布時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏向可以用貝賽爾公式計(jì)算。 在數(shù)值上用各測(cè)量值正、反量程標(biāo)準(zhǔn)偏向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(jī)誤差1.4 遲滯現(xiàn)象 遲滯是指在一樣工作條件下作全測(cè)量范圍校準(zhǔn)時(shí)，在同一次校準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程其輸出值間的最大偏向。即，遲滯現(xiàn)象能說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

15、。滯環(huán)誤差： 最大滯環(huán)率：在整個(gè)測(cè)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。 傳感器的分辨率是在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量 。有時(shí)用該值和滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù) 表示。 1.5 分辨率 1.6 穩(wěn)定性 短期穩(wěn)定性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性 對(duì)于傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性來描繪其穩(wěn)定性。其指在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。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(diǎn)漂移和靈敏度漂移。其又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。 時(shí)間漂移指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化。 溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零

16、點(diǎn)或靈敏度的漂移。2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性2.1 傳感器的動(dòng)態(tài)特性和誤差概念動(dòng)態(tài)特性：是傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的輸出響應(yīng)特性。 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-輸入具有一樣類型的時(shí)間函數(shù)。 動(dòng)態(tài)誤差：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)具有完全一樣的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異。具有較好動(dòng)態(tài)特性的要求： 1要求傳感器能準(zhǔn)確地測(cè)量信號(hào)的幅值大??； 2要求傳感器能測(cè)量出信號(hào)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(hào)的幅值變化和無失真地再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。研究傳感器動(dòng)態(tài)特性的目的： 從測(cè)量角度分析產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因

17、以及提出改善措施。研究傳感器動(dòng)態(tài)特性的方法： 時(shí)域：瞬態(tài)響應(yīng)法 頻域：頻率響應(yīng)法 2.2 階躍響應(yīng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。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?jǐn)?shù)表示。2延滯時(shí)間 ：階躍響應(yīng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的50所需的時(shí)間。衡量階躍特性的幾項(xiàng)指標(biāo)：3上升時(shí)間 ：有的種定義： 響應(yīng)曲線到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的10%90%所需的時(shí)間； 響應(yīng)曲線到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的5%95%所需的時(shí)間； 響應(yīng)曲線從零上升到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。4峰值時(shí)間 ：響應(yīng)曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需要的時(shí)間。5響應(yīng)時(shí)間 ：響應(yīng)曲線衰減到與穩(wěn)態(tài)值之差不超過 5%或2%時(shí)所需要的時(shí)間，有時(shí)稱為過渡過程時(shí)間。階躍響應(yīng)特性ty(t)最大偏離量延滯時(shí)間上升時(shí)間峰值時(shí)間響應(yīng)時(shí)間2.3 頻率響應(yīng)特性頻率響應(yīng)函數(shù)是傳遞函數(shù)的特例，有令那么有得頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)的復(fù)指數(shù)形式