無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)第二章

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)第二章1第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.1傳感器概述1、傳感器的定義和作用

傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探頭通常代表了用戶(hù)功能需求，終端傳感器技術(shù)是支撐和最大化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能的基石，為網(wǎng)絡(luò)提供了豐富多彩的業(yè)務(wù)功能。

什么是傳感器？一般來(lái)說(shuō)能夠把特定的被測(cè)量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)（電信號(hào)、光信號(hào)等）的器件或裝置，我們把它稱(chēng)為傳感器。2第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六傳感器是生物體感官的工程模擬物；反過(guò)來(lái)，生物體的感官又可以看作是天然的傳感器。隨著數(shù)字化和信息技術(shù)與機(jī)械裝置的融合，傳感器和執(zhí)行器已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、控制功能和控制參數(shù)協(xié)調(diào)一體化，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與外部連接。隨著基礎(chǔ)自動(dòng)化控制功能的重新分配，許多計(jì)算機(jī)控制功能下放到傳感器和執(zhí)行器中完成，如參數(shù)檢測(cè)、控制、診斷和維護(hù)管理等。傳感器的作用類(lèi)似于感覺(jué)器官，是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與控制的首要環(huán)節(jié)。3第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成。

敏感元件是傳感器中能感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分。

轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)。

轉(zhuǎn)換電路對(duì)獲得的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，構(gòu)成集成傳感器。4第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

傳感器接口技術(shù)

各種物理量用傳感器將其變成電信號(hào)，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號(hào)檢測(cè)和預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)或者微處理器處理。5第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、傳感器的分類(lèi)按被測(cè)量與輸出電量的轉(zhuǎn)換原理劃分，可分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型兩大類(lèi)。能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測(cè)對(duì)象（如機(jī)械量）的輸入轉(zhuǎn)換成電能。包括壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電偶傳感器等。6第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六能量控制型傳感器直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電參量（如電阻等），依靠外部輔助電源才能工作，并且由被測(cè)量控制外部供給能量的變化。屬于這種類(lèi)型的傳感器包括電阻式、電感式、電容式等。7第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六傳感器按測(cè)量原理分類(lèi)，主要有物理和化學(xué)原理，包括電參量式、磁電式、磁致伸縮式、壓電式和半導(dǎo)體式等。執(zhí)行器按控制系統(tǒng)要求，應(yīng)具備高精確度控制和快速響應(yīng)的能力，主要有電動(dòng)執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器、液壓執(zhí)行器、壓電陶瓷執(zhí)行器和納米執(zhí)行器等。

按被測(cè)量的性質(zhì)不同劃分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。8第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

按輸出信號(hào)的性質(zhì)可分為開(kāi)關(guān)型（二值型）、數(shù)字型、模擬型。數(shù)字式傳感器能把被測(cè)的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，它的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于微機(jī)接口、便于信號(hào)處理和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。9第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.2常見(jiàn)傳感器的類(lèi)型介紹1、能量控制型傳感器

能量控制型傳感器將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電參量，在工作過(guò)程中不能起換能作用，需從外部供給輔助能源使其工作，所以又稱(chēng)作無(wú)源傳感器。

電阻式、電容式、電感式均屬這一類(lèi)型。10第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量轉(zhuǎn)換型傳感器感受外界機(jī)械量變化后，輸出電壓、電流或電荷量。可以直接輸出或放大后輸出信號(hào)，傳感器本身相當(dāng)于一個(gè)電壓源或電流源，因而這種傳感器又叫做有源傳感器。

壓電式、磁電式和熱電式傳感器等均屬這一類(lèi)型。11第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、光敏傳感器

光敏傳感器是一種感應(yīng)光線(xiàn)強(qiáng)弱的傳感器。當(dāng)感應(yīng)到光強(qiáng)度不同時(shí)，光敏探頭內(nèi)的電阻值就會(huì)有變化。常見(jiàn)的光敏傳感器有光電式傳感器、色敏傳感器、CCD圖像傳感器和紅外/熱釋電式光敏器件等。將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱(chēng)為光電傳感器或光電元件。12第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4、氣、濕敏傳感器氣敏傳感器是一種能將檢測(cè)到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。半導(dǎo)體氣敏傳感器廣泛應(yīng)用于可燃性氣體的探測(cè)與報(bào)警，以預(yù)測(cè)災(zāi)害性事故的發(fā)生。13第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5、集成與智能傳感器

集成傳感器是將敏感元件、測(cè)量電路和各種補(bǔ)償元件等集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)和性能好的特點(diǎn)。常用集成傳感器有集成溫度傳感器、集成壓力傳感器、集成霍爾傳感器等。若將幾種不同的敏感元件集成在一個(gè)芯片上，可以制成多功能傳感器，可同時(shí)測(cè)量多種參數(shù)。14第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六智能傳感器（SmartSensor）是在集成傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是一種裝有微處理器的、能夠信息處理和信息存儲(chǔ)以及邏輯分析判斷的傳感器系統(tǒng)。智能傳感器利用集成或混合集成的方式將傳感器、信號(hào)處理電路和微處理器集成為一個(gè)整體。智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）具有自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)校準(zhǔn)功能。（2）具有判斷和信息處理功能，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行各種修正和誤差補(bǔ)償。（3）實(shí)現(xiàn)多參數(shù)綜合測(cè)量。（4）自動(dòng)診斷故障。（5）具有數(shù)字通信接口，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)。15第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.3傳感器的一般特性和正確選型2.3.1傳感器的一般特性傳感器的正確選用是保證不失真測(cè)量的首要環(huán)節(jié)，因而在選用傳感器之前，掌握傳感器的基本特性是必要的。1、靈敏度傳感器的靈敏度高，意味著傳感器能感應(yīng)微弱的變化量，即被測(cè)量有一微小變化時(shí)，傳感器就會(huì)有較大的輸出。但是，在選擇傳感器時(shí)要注意合理性，因?yàn)橐话銇?lái)講，傳感器的靈敏度越高，測(cè)量范圍往往越窄，穩(wěn)定性會(huì)越差。16第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

傳感器的靈敏度指?jìng)鞲衅鬟_(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起變化的輸入變化量之比，即

線(xiàn)性傳感器的校準(zhǔn)曲線(xiàn)的斜率就是靜態(tài)靈敏度；對(duì)于非線(xiàn)性傳感器的靈敏度，它的數(shù)值是最小二乘法求出的擬合直線(xiàn)的斜率。K=輸出變化量/輸入變化量=△Y/△X=dy/dx17第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、響應(yīng)特性傳感器的動(dòng)態(tài)性能是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它是傳感器的輸出值能真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力反映，即傳感器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)希望一致或相近。傳感器的響應(yīng)特性良好，意味著傳感器在所測(cè)的頻率范圍內(nèi)滿(mǎn)足不失真測(cè)量的條件。另外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)過(guò)程總有一定的延遲，但希望延遲的時(shí)間越小越好。18第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、線(xiàn)性范圍任何傳感器都有一定的線(xiàn)性范圍，在線(xiàn)性范圍內(nèi)它的輸出與輸入成比例關(guān)系。線(xiàn)性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線(xiàn)性范圍內(nèi)，是保證測(cè)量精確度的基本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測(cè)力量程的基本因素。當(dāng)超過(guò)彈性極限時(shí)，傳感器就將產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差。任何傳感器很難保證做到絕對(duì)的線(xiàn)性，在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以在近似線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)使用。19第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，得到輸入/輸出特性列表或曲線(xiàn)。人們通常希望這個(gè)特性曲線(xiàn)是線(xiàn)性的，這樣會(huì)對(duì)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便。但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線(xiàn)性，對(duì)比理論直線(xiàn)有偏差。20第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

所謂線(xiàn)性度是指?jìng)鞲衅鞯膶?shí)際輸入-輸出曲線(xiàn)（校準(zhǔn)曲線(xiàn)）與擬合直線(xiàn)之間的吻合（偏離）程度。選定擬合直線(xiàn)的過(guò)程，就是傳感器的線(xiàn)性化過(guò)程。實(shí)際曲線(xiàn)與它的兩個(gè)端尖連線(xiàn)（稱(chēng)為理論直線(xiàn)）之間的偏差稱(chēng)為傳感器的非線(xiàn)性誤差。取其中最大值與輸出滿(mǎn)度值之比作為評(píng)價(jià)線(xiàn)性度（或非線(xiàn)性誤差）的指標(biāo)。式中為線(xiàn)性度(非線(xiàn)性誤差)，

為校準(zhǔn)曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)間的最大差值，

為滿(mǎn)量程輸出值。21第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用之后，輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。為了保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇合適類(lèi)型的傳感器。例如電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會(huì)影響到它的絕緣性，溫度會(huì)影響零漂；光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r(shí)，會(huì)改變感光性能，帶來(lái)測(cè)量誤差。22第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5、重復(fù)性

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(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特征曲線(xiàn)的不一致性，在數(shù)值上用各測(cè)量值正反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍于滿(mǎn)量程

的百分比來(lái)表示。上式中δ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，

為測(cè)量值，Y為測(cè)量值的算術(shù)平均值。23第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6、漂移

由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱(chēng)為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時(shí)的漂移稱(chēng)為零點(diǎn)漂移。傳感器無(wú)輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值）。上式中

為最大零點(diǎn)偏差（或相應(yīng)偏差）24第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在其它因素不變的情況下，輸出隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生的漂移稱(chēng)為時(shí)間漂移。隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱(chēng)為溫度漂移，它表示當(dāng)溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1度時(shí)，輸出的最大偏差與滿(mǎn)量程的百分比來(lái)表示。25第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7、精度

傳感器精度指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度來(lái)表示重復(fù)某個(gè)讀數(shù)的能力，其誤差越小則傳感器精度越高。傳感器的精度表示為傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)傳感器滿(mǎn)量程輸出的百分?jǐn)?shù)。

上式中△A為測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差。所謂最大誤差是指在曲線(xiàn)上任取10個(gè)點(diǎn)測(cè)量某7點(diǎn)達(dá)10次，確定的最大誤差即為所求。26第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

精度表示測(cè)量結(jié)果和“真值”的靠近程度，一般采用校驗(yàn)或標(biāo)定的方法來(lái)確定，此時(shí)“真值”則靠其它更精確的儀器或工作基準(zhǔn)來(lái)給出。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了傳感器和測(cè)試儀表的精度等級(jí)，如電工儀表精度分七級(jí)，分別是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5級(jí)。精度等級(jí)的確定方法是首先算出絕對(duì)誤差與輸出滿(mǎn)度量程之比的百分?jǐn)?shù)，然后靠近比其低的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)值即為該儀器的精度等級(jí)。27第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六8、分辨率(力)分辨力是指能檢測(cè)出的輸入量的最小變化量，即傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量。在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱(chēng)為閾值，即產(chǎn)生可測(cè)輸出變化量時(shí)的最小輸入量值。如圖所示左圖為非線(xiàn)性、右圖為線(xiàn)性輸出結(jié)果，其中的x0均表示可以開(kāi)始檢測(cè)的的最小輸出值。數(shù)字式傳感器一般用分辨率表示，分辨率是指分辨力/滿(mǎn)量程輸入值。28第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9、遲滯遲滯是指在相同工作條件下作全測(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間的最大偏差。它表示傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線(xiàn)的不重合程度，數(shù)值用最大偏差(△Amax)或最大偏差的一半與滿(mǎn)量程輸出值的百分比來(lái)表示，它們分別如下所示：29第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.3.2傳感器選型的原則現(xiàn)代傳感器在原理和結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境合理選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器的型號(hào)確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。30第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1、測(cè)量對(duì)象與環(huán)境根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下問(wèn)題：量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的輸出方法，有線(xiàn)或非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口；價(jià)格能否承受，是否自行研制。31第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、靈敏度通常在傳感器的線(xiàn)性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值會(huì)比較大，這有利于信號(hào)處理。但傳感器的靈敏度較高時(shí)，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，從而導(dǎo)致影響測(cè)量精度。因此，選用傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫敫蓴_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)方向性要求較高時(shí)，應(yīng)選擇在其它方向上靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。32第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)時(shí)間總有一定的延遲，通常希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)越高，則可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就越寬。由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因而傳感器頻率低，則可測(cè)信號(hào)的頻率就較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)，以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差。33第33頁(yè)，共3