傳感器原理及應(yīng)用教程

傳感器原理及應(yīng)用教程第一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28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?傳感器的分類第二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日人體系統(tǒng)和機(jī)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三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日第四頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日傳感器是一個(gè)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(cè)原理、傳感器件設(shè)計(jì)、傳感器開發(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。第五頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日工業(yè)生產(chǎn)第六頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28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)成本第七頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28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(chǎng)、振動(dòng)測(cè)量；“阿波羅10”飛船對(duì)3295個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，其中：溫度傳感器559個(gè)壓力傳感器140個(gè)信號(hào)傳感器501個(gè)遙控傳感器142個(gè)整個(gè)宇宙飛船就是高性能傳感器的集合體智能房屋（自動(dòng)識(shí)別主人，太陽(yáng)能提供能源）智能衣服（自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度）智能公路（自動(dòng)顯示、記錄公路壓力、溫度、車流量）智能汽車（無(wú)人駕駛、衛(wèi)星定位）未來(lái)世界第八頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日HumanwithSensors第九頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日傳感器還滲透到海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)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(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器。血壓測(cè)定方法和輸出的結(jié)果第十頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日?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(hào)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(hào)輸出的器件。?國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）：對(duì)傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。2、傳感器的定義第十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日?測(cè)量?jī)x器一般由信號(hào)檢測(cè)器件和信號(hào)處理兩部分組成。這種能感應(yīng)被測(cè)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(cè)信號(hào)輸出檢測(cè)器件信號(hào)處理廣義傳感器第十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日傳感器定義有以下含義①它能完成檢測(cè)任務(wù)，是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成檢測(cè)裝置；②輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③能按一定規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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；④傳感器的輸出與輸入之間存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。按使用場(chǎng)合不同又稱為：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭傳感器功用：一感二傳,即感受被測(cè)信息,并傳送出去。第十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28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(cè)量電量敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系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。基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。物理、化學(xué)、生物信息第十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)際上，有些傳感器很簡(jiǎn)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?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號(hào)，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(gè)敏感元件組成的最簡(jiǎn)單的傳感器質(zhì)量塊壓電片第十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28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)①按傳感器的工作原理第十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日②按被測(cè)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(hào)：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)?根據(jù)傳感器使用電源與否：有源傳感器和無(wú)源傳感器?傳感器的能量來(lái)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(DumbSensor)、智能傳感器(SmartSensor)、網(wǎng)絡(luò)化傳感器(NetworkedSensor)③其他分類第十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28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)

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傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)第十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日定義：傳感器特性：指輸入x（被測(cè)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(shí)的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)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(shí)的輸出量;a1,a2,…,an——非線性項(xiàng)系數(shù)。第十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日1．測(cè)量范圍和量程

傳感器所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入）xmin與最大被測(cè)量（輸入）xmax之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍（measuringrange）,表示為YFS或（xmin，xmax）。傳感器測(cè)量范圍的上限值與下限值之差xmax－xmin稱為量程（span）。例如一溫度傳感器的測(cè)量范圍是-30～+120℃,那么該傳感器的量程為150℃。

第二十頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28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(duì)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(wú)關(guān)。傳感器輸出的變化量y與引起該變化量的輸入變化量x之比即為其靜態(tài)靈敏度(Sensitivity)，其表達(dá)式為線性：S=Δy/Δx非線性：

S=dy/dx第二十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日第二十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得。在獲得特性曲線之后，可以說(shuō)問(wèn)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(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)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(xiàng)式代數(shù)方程表示：式中：y—輸出量；x—輸入量；a0—零點(diǎn)輸出；

a1—理論靈敏度；a2、a3、…

、an—非線性項(xiàng)系數(shù)。

各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn第二十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日ΔLmax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(shí)，全量程范圍實(shí)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(duì)誤差γL表示：一般來(lái)說(shuō)，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(lái)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(lái)的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)，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(jì)算是否簡(jiǎn)便。①理論擬合；②過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；③端點(diǎn)連線擬合；④端點(diǎn)連線平移擬合；⑤最小二乘擬合第二十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日第二十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日4．遲滯0yx⊿HmaxyFS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(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)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二十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日5．重復(fù)性(Repeatability)yx0⊿Rmax2⊿Rmax1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?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜃鋈砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度?；蛴脴?biāo)準(zhǔn)差σ計(jì)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。第二十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日?分辨力用絕對(duì)值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。

6．分辨力與分辨率?分辨力（resolution）:指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量的△xmin的絕對(duì)值。?有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí),輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。分辨率反映了傳感器檢測(cè)輸入微小變化的能力。?影響傳感器分辨力的因素很多，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的摩擦、電路中的儲(chǔ)能元件和A/D的位數(shù)。在傳感器的測(cè)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(shí)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(shí)稱為分辨率。

第二十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日?被測(cè)量可能以各種形式隨時(shí)間變化，只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)。其間的關(guān)系用動(dòng)態(tài)特性方程描述。、傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)?動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。?傳感器動(dòng)態(tài)特性方程就是指在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，傳感器的輸出量與輸入被測(cè)量之間隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。?它依賴于傳感器本身的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)，取決于系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)械的、電氣的、磁性、光學(xué)的等各種參數(shù)，而且這個(gè)特性本身不因輸入量、時(shí)間和環(huán)境條件的不同而變化。?使用傳感器時(shí)，根據(jù)動(dòng)態(tài)特性及使用條件確定使用方法，同時(shí)估計(jì)給定條件下傳感器動(dòng)態(tài)誤差、響應(yīng)速度(延遲時(shí)間)和動(dòng)態(tài)靈敏度。第二十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日傳感器動(dòng)態(tài)特性可用下列微分方程描述下面只研究零階、一階、二階系統(tǒng)：第三十頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日1．零階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)零階傳感器的輸出通過(guò)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(jω)=kk：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(dòng)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(chǔ)能元件。例如，用來(lái)測(cè)量線性位移和旋轉(zhuǎn)位移的電位器型傳感器。

第三十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日2．一階傳感器動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)在一階傳感器中包含一個(gè)儲(chǔ)能元件和另一些耗能元件。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/a0τ—時(shí)間常數(shù)，τ=a1/a0第三十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)初始狀態(tài)為零的傳感器,當(dāng)輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)第三十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號(hào)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(hào),而是從零開始,按指數(shù)規(guī)律上升,最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無(wú)窮大時(shí)才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,但實(shí)際上當(dāng)t=4τ時(shí)其輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的98.2%,可以認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。τ越小,響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線,因此,τ值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。

第三十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日第三十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日二階傳感器包含兩個(gè)儲(chǔ)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(dòng)態(tài)特性指標(biāo)τ—時(shí)間常數(shù)，；ωn—固有頻率,ωn=1/τξ—阻尼系數(shù)，；k—靜態(tài)靈敏度，k=b0/a0(常取為1)第三十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)ωτ(b)0-30°-60°-90°-120°-150°-180°0.511.522.5ωτξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=1ξ=0.8ξ=0.707ξ=0ξ=0.2ξ=0.4ξ=0.6ξ=0.707ξ=0.8ξ=1ξ=0.8ξ=1ξ=0.707ξ=0.6ξ=0.4ξ=0.2ξ=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)ξ→0時(shí)，在ωτ=1處A(ω)趨近無(wú)窮大，這一現(xiàn)象稱之為諧振。隨著ξ的增大，振蕩現(xiàn)象逐漸不明顯。?當(dāng)ξ≥0.707時(shí)，不再出現(xiàn)振蕩，這時(shí)A(ω)將隨著ωτ的增大而單調(diào)下降。阻尼系數(shù)的影響A(ω)第三十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日二階傳感器的階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)通式ωn—傳感器的固有頻率；ζ—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）0＜ξ＜1(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→∞,y→kA求出A3；根據(jù)初始條件求出A1、A2，則令x=A第三十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日其曲線如圖,這是一衰減振蕩過(guò)程,ξ越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。tw0.021ttmδmξ<1的二階傳感器的過(guò)渡過(guò)程(設(shè)允許相對(duì)誤差γy=0.02)2)ξ=0(零阻尼)：輸出變成等幅振蕩，即

發(fā)生時(shí)間過(guò)沖量穩(wěn)定時(shí)間tW=4τ/ξ第三十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日4）ξ>1(過(guò)阻尼)：特征方程具有兩個(gè)不同的實(shí)根3)ξ=1(臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,過(guò)渡函數(shù)為

上兩式表明，當(dāng)ξ≥1時(shí)，該系統(tǒng)不再是振蕩的，而是由兩個(gè)一階阻尼環(huán)節(jié)組成，前者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相同，后者兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不同。過(guò)渡函數(shù)為第四十頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日杭州微圖視覺科技有限公司趙工機(jī)器視覺系統(tǒng)工業(yè)相機(jī)傳感器工業(yè)鏡頭第四十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28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)

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傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)指標(biāo)第四十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日定義：傳感器特性：指輸入x（被測(cè)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(shí)的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)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(shí)的輸出量;a1,a2,…,an——非線性項(xiàng)系數(shù)。第四十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，2022年，8月28日1．測(cè)量范圍和量程

傳感器所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入）xmin與最大被測(cè)量（輸入）xmax之間的范圍稱為傳感器的測(cè)量范圍（measuringrange）,表示為YFS或（xmin，xma