傳感器原理及應(yīng)用教程

1、傳感器原理及應(yīng)用教程第1頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日2.1 傳感器的組成和分類 傳感器的作用 傳感器的定義 傳感器的組成 傳感器的分類第2頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日人體系統(tǒng)和機器系統(tǒng)比較眼（視覺）耳（聽覺）鼻（嗅覺）皮膚（觸覺）舌（味覺）感知外界信息 大腦 肌體2.1 傳感器的組成和分類1、傳感器的地位和作用第3頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日第4頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日傳感器是一個匯聚物理、化學(xué)、材料、電子、生物工程等多類型交叉學(xué)科，涉及傳感檢測原理、傳感器件設(shè)計、傳感器

2、開發(fā)與應(yīng)用的綜合技術(shù)。傳感器技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一 。第5頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日工業(yè)生產(chǎn)第6頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日智能建筑降低能耗提高操作者工作效率提高樓宇內(nèi)部舒適程度提供高效的設(shè)備管理手段監(jiān)控軟件縮短投資回收周期降低培訓(xùn)成本第7頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日航空航天宇宙飛船 飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、磁場、振動測量；“阿波羅10”飛船對3295個參數(shù)進行檢測，其中：溫度傳感器559個壓力傳感器140個信號傳感器501個遙控傳感器142個整個宇宙飛船就是高性能傳感器

3、的集合體智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源）智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動顯示、記錄公路壓力、溫度、車流量）智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位）未來世界第8頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日Human with Sensors第9頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日傳感器還滲透到海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。血壓測定方法和輸出的結(jié)果第10頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日

4、廣義：傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學(xué)、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）：對傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。2、傳感器的定義第11頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日測量儀器一般由信號檢測器件和信號處理兩部分組成。 這種能感應(yīng)被測量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其他物理量變化 的器件就是傳感器。輸入匹配放大變換被測信號輸出檢測器件信號處理廣義傳感器第12頁，共47頁，2022年，5月20日，21點2

5、7分，星期日傳感器定義有以下含義它能完成檢測任務(wù)，是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成檢測裝置；輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；能按一定規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；傳感器的輸出與輸入之間存在確定的對應(yīng)關(guān)系。 按使用場合不同又稱為：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器功用：一感二傳,即感受被測信息,并傳送出去。第13頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日3、傳感器的組成 輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系

6、的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。物理、化學(xué)、生物信息第14頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成的傳感器由于空間的限制或者其他原因,轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。然而，因為不少傳感器要在通過轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 由一個敏感元件組成的最簡單的傳感器質(zhì)量塊壓電片第15頁，共47頁，2022年，5月20日，

7、21點27分，星期日4. 傳感器的分類 物理型：化學(xué)型：利用電化學(xué)反應(yīng)原理 生物型：利用生物活性物質(zhì)選擇性 結(jié)構(gòu)型：取決于幾何尺寸和形狀物性型：取決于材料性質(zhì)按傳感器的工作原理第16頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日 按被測量溫度、 流量、壓力、濕度、濃度、力學(xué)量、磁學(xué)量、光學(xué)量、氣體成分等根據(jù)傳感器輸出信號：模擬信號和數(shù)字信號根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器傳感器的能量來源：能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器按可變電參量：電阻型、電感型或電容型按傳感器技術(shù)發(fā)展：聾啞傳感器(Dumb Sensor)、智能傳感器(Smart Sensor)、網(wǎng)絡(luò)化傳感器(Netw

8、orked Sensor)其他分類第17頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日2.2 傳感器的特性與主要性能指標(biāo) 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo) 傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)指標(biāo)第18頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日定義： 傳感器特性：指輸入x（被測量）與輸出y之間的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時的關(guān)系動態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時的關(guān)系2.2 傳感器的特性與主要性能指標(biāo)2.2.1 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo) 式中：a0輸入量x為零時的輸出量; a1, a2, , an非線性項系數(shù)。第19頁，共47頁，2022年，5月20日，21點

9、27分，星期日1測量范圍和量程 傳感器所能測量到的最小被測量（輸入）xmin與最大被測量（輸入）xmax之間的范圍稱為傳感器的測量范圍（measuring range）,表示為YFS或（xmin，xmax） 。傳感器測量范圍的上限值與下限值之差xmaxxmin稱為量程（span）。例如一溫度傳感器的測量范圍是-30+120,那么該傳感器的量程為150 。 第20頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日2靈敏度與靈敏度誤差可見，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。對線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度s是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。傳感器輸出的變化量 y與引起該變化量

10、的輸入變化量 x之比即為其靜態(tài)靈敏度(Sensitivity)，其表達式為線性： S=y/x非線性： S=dy/dx 第21頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日第22頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日靜態(tài)特性曲線可實際測試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說問題已經(jīng)得到解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補償，進行線性化處理。3線性度(Linearity)傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜態(tài)特性可用下列多項式代數(shù)方程表示：式中：y輸出量；

11、x輸入量； a0零點輸出； a1理論靈敏度； a2、a3、 、 an非線性項系數(shù)。 各項系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn第23頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日Lmax一最大非線性誤差； yFS滿量程輸出。在采用直線擬合線性化時，全量程范圍實際曲線與其擬合曲線之間的最大偏差與滿量程輸出值之比，就稱為非線性誤差或線性度，用相對誤差L表示：一般來說，這些辦法都比較復(fù)雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來線性化。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，

12、選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計算是否簡便。理論擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合；端點連線擬合； 端點連線平移擬合；最小二乘擬合第24頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日第25頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日4遲滯0yxHmaxyFS遲滯特性式中 Hmax正反行程間輸出的最大差值。 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。 傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合

13、稱為遲滯。遲滯差值：正反行程的差值。遲滯誤差：傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值Hmax與滿量程輸出值之比第26頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日5重復(fù)性(Repeatability)yx0Rmax2Rmax1重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度?；蛴脴?biāo)準(zhǔn)差計算，表示如下：Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差， Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。第27頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日分辨力用絕對值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時稱為分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為

14、閾值。 6分辨力與分辨率分辨力（resolution）:指傳感器能檢測到的最小的輸入增量的xmin的絕對值。有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時,輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。分辨率反映了傳感器檢測輸入微小變化的能力。影響傳感器分辨力的因素很多，如機械運動部件的摩擦、電路中的儲能元件和A/D的位數(shù)。在傳感器的測量范圍內(nèi)，由于其輸入/輸出之間呈非線性關(guān)系，所以在不同輸入時分辨力不同，用max| xmin|表示傳感器的分辨力。用滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時稱為分辨率。 第28頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日被測量可能以各種形式隨時間變化，只要

15、輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。其間的關(guān)系用動態(tài)特性方程描述。、傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)指標(biāo)動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性方程就是指在動態(tài)測量時，傳感器的輸出量與輸入被測量之間隨時間變化的函數(shù)關(guān)系。它依賴于傳感器本身的測量原理、結(jié)構(gòu)，取決于系統(tǒng)內(nèi)部機械的、電氣的、磁性、光學(xué)的等各種參數(shù)，而且這個特性本身不因輸入量、時間和環(huán)境條件的不同而變化。使用傳感器時，根據(jù)動態(tài)特性及使用條件確定使用方法，同時估計給定條件下傳感器動態(tài)誤差、響應(yīng)速度(延遲時間)和動態(tài)靈敏度。第29頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日傳感器動態(tài)特性可用下列微分方

16、程描述下面只研究零階、一階、二階系統(tǒng)：第30頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日1零階傳感器動態(tài)特性指標(biāo)零階傳感器的輸出通過下列類型的方程與其輸入相聯(lián)系 y(t)=kx(t) 傳感器的傳輸函數(shù) G(s)=k傳感器的頻率特性 G(j)=k k：靜態(tài)靈敏度或放大系數(shù)。零階傳感器是比例傳感系統(tǒng)，傳函恒定不變。因此，傳感器的動態(tài)誤差和延遲兩者皆為零。上式的輸入輸出關(guān)系要求傳感器不包含任何儲能元件。例如，用來測量線性位移和旋轉(zhuǎn)位移的電位器型傳感器。 第31頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日2一階傳感器動態(tài)特性指標(biāo)在一階傳感器中包含一個儲能元件和另一些耗能元件

17、。輸入x(t)和輸出y(t)由一階微分方程描述： 相應(yīng)的傳遞函數(shù)為： K靜態(tài)靈敏度(靜態(tài)增益) ，K= 1/a0時間常數(shù)，= a1/a0第32頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日 對初始狀態(tài)為零的傳感器, 當(dāng)輸入一個單位階躍信號第33頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號為 相應(yīng)的響應(yīng)曲線如圖2-7所示。由圖可見, 傳感器存在慣性, 它的輸出不能立即復(fù)現(xiàn)輸入信號, 而是從零開始, 按指數(shù)規(guī)律上升, 最終達到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無窮大時才達到穩(wěn)態(tài)值, 但實際上當(dāng)t=4時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的98.2%, 可以認(rèn)為已

18、達到穩(wěn)態(tài)。越小, 響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線, 因此, 值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。 第34頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日第35頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日二階傳感器包含兩個儲能元件和一些耗能元件。如，由質(zhì)量、彈簧和阻尼器構(gòu)成的加速度傳感器，可變電感、分布電容和匹配電阻構(gòu)成的位移傳感器，均為經(jīng)典的二階系統(tǒng)。傳感器輸入x(t)和輸出y(t)由二階微分方程相聯(lián)系： 傳遞函數(shù)：3二階傳感器動態(tài)特性指標(biāo)時間常數(shù)， ； n固有頻率,n=1/ 阻尼系數(shù)， ； k靜態(tài)靈敏度，k=b0/a0 (常取為1)第36頁，共47頁，2022年，5月20日，

19、21點27分，星期日2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0二階傳感器幅頻與相頻特性（a）幅頻特性 （b）相頻特性當(dāng)0時，在=1處A()趨近無窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著的增大，振蕩現(xiàn)象逐漸不明顯。當(dāng)0.707時，不再出現(xiàn)振蕩，這時A()將隨著的增大而單調(diào)下降。阻尼系數(shù)的影響A()第37頁，共47頁，202

20、2年，5月20日，21點27分，星期日二階傳感器的階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)通式n傳感器的固有頻率；傳感器的阻尼比特征方程根據(jù)阻尼比的大小不同，分為四種情況：1）01(有/欠阻尼)：該特征方程具有共軛復(fù)數(shù)根方程通解根據(jù)t,ykA求出A3；根據(jù)初始條件求出A1、A2，則令x=A第38頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日其曲線如圖,這是一衰減振蕩過程,越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。tw0.021ttmm1 (過阻尼)：特征方程具有兩個不同的實根3) =1(臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/,過渡函數(shù)為 上兩式表明，當(dāng)1時，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個時間

21、常數(shù)相同，后者兩個時間常數(shù)不同。過渡函數(shù)為第40頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日杭州微圖視覺科技有限公司趙工 機器視覺系統(tǒng) 工業(yè)相機 傳感器 工業(yè)鏡頭第41頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日2.2 傳感器的特性與主要性能指標(biāo) 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo) 傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)指標(biāo)第42頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日定義： 傳感器特性：指輸入x（被測量）與輸出y之間的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時的關(guān)系動態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時的關(guān)系2.2 傳感器的特性與主要性能指標(biāo)2.2.1 傳感器的靜態(tài)特性與主要性能指標(biāo) 式中：a0輸入量x為零時的輸出量; a1, a2, , an非線性項系數(shù)。第43頁，共47頁，2022年，5月20日，21點27分，星期日1測量范圍和量程 傳感器所能測量到的最小被測量（輸入）xmin與最大被測量（輸入）xmax之間的范圍稱為傳感器的測量范圍（measuring range）,表示為YFS或（xmin，xmax） 。傳感器測量范圍的上