第一章 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

第一章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四本章目錄第一節(jié)機(jī)電一體化系統(tǒng)中物理量的測量與傳感器第二節(jié)傳感器的定義和組成第三節(jié)傳感器的分類第四節(jié)傳感器的基本特征第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四本章主要內(nèi)容理解傳感器的概念、作用了解傳感器的應(yīng)用及發(fā)展方向掌握傳感器的靜態(tài)特性熟悉傳感器的動(dòng)態(tài)特性第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)機(jī)電一體化系統(tǒng)中物理量的測量與傳感器機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合的綜合性高新技術(shù)。要把機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)備中的物理量準(zhǔn)確可靠的測量出來，以電信號(hào)的方式輸入給計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備，必須依賴電測量的方法。相對(duì)而言，電量的電測量比較容易，使用電工儀表和電子儀器就可以對(duì)一般的電量直接進(jìn)行測量。對(duì)于非電量就不能直接使用電工儀表和電子儀器進(jìn)行測量，而原有的對(duì)非電量的測量方法已不能適應(yīng)機(jī)電一體化系統(tǒng)的要求。這就要求對(duì)原有的非電量測量方法加以改進(jìn)和提高，采用新技術(shù)新方法。第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四采用傳感技術(shù)的非電量電測方法，就是人們?cè)趯?shí)踐中不斷摸索和提高，從而發(fā)展起來的測量方法。轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器，采用傳感器對(duì)非電量進(jìn)行電測具有以下的特點(diǎn)：（1）可進(jìn)行微量檢測，精度高、速度快。（2）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測及遙控。（3）可實(shí)現(xiàn)無損檢測。（4）能連續(xù)進(jìn)行測量、記錄和顯示。（5）可采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)和處理，并根據(jù)處理結(jié)果對(duì)被測量對(duì)象進(jìn)行工作狀態(tài)的控制。（6）測量安全可靠。第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式。其核心技術(shù)是農(nóng)田地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)精量播種變量噴藥精準(zhǔn)灌溉第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四無線傳感器結(jié)點(diǎn)工業(yè)監(jiān)測與控制產(chǎn)品檢測天然氣壓力監(jiān)測第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測監(jiān)測風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、能見度、降雨強(qiáng)度等。東海大橋第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四上海浦東機(jī)場的周界防入侵系統(tǒng)在機(jī)場四周設(shè)立無線傳感器警戒網(wǎng)，形成低空、地面、地下三維立體報(bào)警體系。每個(gè)結(jié)點(diǎn)由震動(dòng)、聲響、磁場和微波傳感器等組成。通過網(wǎng)絡(luò)，可以隨時(shí)監(jiān)測周邊實(shí)況。第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四太湖水自動(dòng)監(jiān)測工程

在太湖大范圍水域布放傳感器，通過無線傳輸方式

24小時(shí)監(jiān)測太湖水質(zhì)的各項(xiàng)變化，并將數(shù)據(jù)及時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)中心。

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo)

第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四我國科學(xué)家在海拔4093米的南極冰穹A地區(qū)，布設(shè)監(jiān)測冰雪變化的“智能塵埃”網(wǎng)絡(luò)，將南極冰雪表面數(shù)據(jù)與空中的遙感衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)南極冰穹開展天地一體的監(jiān)測研究。

環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)冰雪監(jiān)測系統(tǒng)第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)傳感器的定義和組成什么是傳感器？第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四什么是傳感器？眼（視覺）

耳（聽覺）

鼻（嗅覺）皮膚（觸覺）

舌（味覺）人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較

感知外界信息→大腦→肌體第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四什么是傳感器？人的體力和腦力勞動(dòng)通過感覺器官接收外界信號(hào)，將這些信號(hào)傳送給大腦，大腦把這些信號(hào)分析處理傳遞給肌體。如果用機(jī)器完成這一過程，計(jì)算機(jī)相當(dāng)人的大腦，執(zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)人的肌體，傳感器相當(dāng)于人的五官和皮膚。傳感器好比人體感官的延長，有人又稱“電五官”。

傳感器外界信息感官大腦肌體計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四從廣義來講，典型的傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成。敏感元件：它是直接感受和響應(yīng)被測量，并輸出與被測量有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出量就是它的輸入量，它把輸入量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量。但這個(gè)電路參數(shù)量往往需經(jīng)轉(zhuǎn)換后，才能被后續(xù)電路所應(yīng)用。轉(zhuǎn)換電路：它接受轉(zhuǎn)換元件所轉(zhuǎn)換成的電路參數(shù)量，并把它轉(zhuǎn)換成后續(xù)電路所能應(yīng)用的電信號(hào)。敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上時(shí)常是裝在一起的，轉(zhuǎn)換電路為了減小外界的干擾和影響也希望和它們裝在一起，但由于空間的限制或者其它原因，轉(zhuǎn)換電路常裝載于測控箱內(nèi)。第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四傳感器技術(shù)的作用和地位

構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是：

傳感器技術(shù)（信息采集）；

通信技術(shù)

（信息傳輸）；

計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）；

它們?cè)谛畔⑾到y(tǒng)中分別起到

“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。在利用信息的過程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。

第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四機(jī)器人

視覺:平面、立體非視覺:觸覺、滑覺、熱覺、力覺、接近覺、…

第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四

智能建筑

給排水系統(tǒng)泵系統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)環(huán)境控制電力監(jiān)測能量計(jì)費(fèi)消防系統(tǒng)保安系統(tǒng)照明系統(tǒng)DDC第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)傳感器的分類傳感器分類方法較多,大體有以下幾種：1）

按傳感器檢測的范疇分類

物理量傳感器化學(xué)量傳感器生物量傳感器２）按傳感器的輸出信號(hào)分類

模擬傳感器數(shù)字傳感器３）按傳感器的結(jié)構(gòu)分類

結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器復(fù)合型傳感器４）按傳感器的功能分類

單功能傳感器多功能傳感器智能傳感器

５）按傳感器的轉(zhuǎn)換原理分類

機(jī)—電傳感器光—電傳感器熱—電電傳感器磁—電傳感器電化學(xué)傳感器6）按傳感器的能源分類

有源傳感器無源傳感器

第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四（1）線性度傳感器靜態(tài)特性和輸入輸出關(guān)系可以用多項(xiàng)式表示：第四節(jié)傳感器的基本特征其中：X—輸入量，Y—輸出量；a0—x=0時(shí)的輸出值a1—理想靈敏度a2,a3…..an——非線性項(xiàng)系數(shù)

當(dāng)輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的信號(hào)時(shí)（如溫度、壓力），討論傳感器的靜態(tài)特性，輸入輸出關(guān)系稱靜態(tài)特性。

靜態(tài)特性包括：線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度、穩(wěn)定性

傳感器靜態(tài)特性第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四

傳感器的非線性誤差（線性度）通常用相對(duì)誤差表示：

——最大非線性絕對(duì)誤差

——滿量程輸出

——線性度

YXYiXiLmaxY=kx+b第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四（2）靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定條件下，輸出變化量ΔY和輸入變化量ΔX的比值，其表達(dá)式為：

式中：K——靈敏度，線性傳感器的靈敏度是個(gè)常數(shù)；ΔY——輸出變化量ΔX——輸入變化量第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四（3）遲滯傳感器輸入量增大行程期間（正行程）和輸入量減小行程期間（反行程），輸出-輸入特性曲線不重合稱為遲滯。遲滯誤差一般以正反行程間輸出的最大偏差與滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)來表示，其表達(dá)式為：

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，它是由于傳感器機(jī)械部分不可避免地存在著間隙、摩擦及松動(dòng)等原因所產(chǎn)生。第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期四（4）重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器輸入量按同一方向作全量程重復(fù)測量所得的輸出-輸入特性曲線不一致的程度。設(shè)正行程的最大重復(fù)性偏差為ΔRmax1，反行程的最大重復(fù)性偏差為ΔRmax2，重復(fù)性偏差取這兩個(gè)最大偏差中之較大者ΔRmax1，則重復(fù)性以ΔRmax與滿量程輸出Ym之比的百