傳感器ppt課件-第一章

第一章傳感器的基本概念

什么是傳感器和傳感器技術(shù)

傳感器與傳感器技術(shù)的作用和地位

傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

傳感器的定義和組成

傳感器分類

傳感器技術(shù)的特點(diǎn)

傳感器的需求、水平、現(xiàn)狀

傳感器與傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

傳感器的一般特性

1第一章傳感器的基本概念什么是傳感器和傳感器技術(shù)1什么是傳感器和傳感器技術(shù)為了研究自然現(xiàn)象和制造勞動(dòng)工具，人類必須了解外界各類信息。外界信息感官人腦肢體人體系統(tǒng)傳感器計(jì)算機(jī)執(zhí)行器機(jī)器系統(tǒng)2什么是傳感器和傳感器技術(shù)外感官人腦肢體人傳感器是獲取信息的工具。是指那些對(duì)某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并按照一定規(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。

傳感器（Transducer或Sensor），俗稱探頭，有時(shí)亦被稱為換能器、變送器、變換器或探測(cè)器。

傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)。工業(yè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)能量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換效率3傳感器是獲取信息的工具。工業(yè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)能量轉(zhuǎn)換密封型壓力變送器

壓阻式壓力傳感器電容式差壓變送器旋轉(zhuǎn)差動(dòng)變壓器電渦流傳感器電感式接近開關(guān)電阻應(yīng)變式力傳感器4密封型壓力變送器壓阻式壓力傳感器電容式差壓變送器旋轉(zhuǎn)差動(dòng)變熱電阻、熱電偶熱敏電阻光敏電阻壓電加速度傳感器光電管光敏二、三極管5熱電阻、熱電偶熱敏電阻光敏電阻壓電加速度傳感器光電管光敏二、旋轉(zhuǎn)編碼器霍爾電壓傳感器超聲物位開關(guān)

濕度傳感器光電池?zé)後岆妭鞲衅鰿CD圖像傳感器集成霍爾傳感器6旋轉(zhuǎn)編碼器霍爾電壓傳感器超聲物位開關(guān)濕度傳感器光電池?zé)後岆?/p>

傳感器位于系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于人的五官，直接敏感外界信息。是信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化測(cè)量和自動(dòng)控制的主要環(huán)節(jié)，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程要獲取的信息，都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理、記錄、顯示和控制的可用信號(hào)。自動(dòng)測(cè)控（監(jiān)控）系統(tǒng)作用：傳感器與傳感器技術(shù)的作用和地位7傳感器位于系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于人的五官，地位：傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并列成為支撐整個(gè)現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。傳感器——感官；

通信——神經(jīng)；

計(jì)算機(jī)——大腦。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會(huì)賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。如果沒(méi)有先進(jìn)的傳感器技術(shù)，那么信息的準(zhǔn)確獲取就成為一句空話，通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)就成了無(wú)源之水。

“沒(méi)有傳感器技術(shù)就沒(méi)有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)現(xiàn)在已為全世界所公認(rèn)?？茖W(xué)技術(shù)越發(fā)達(dá)，自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳感器的依賴性就越大。所以國(guó)內(nèi)外都將傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)。

8地位：傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)并列成為支撐整個(gè)現(xiàn)代信傳感器應(yīng)用領(lǐng)域傳感器的應(yīng)用范圍很廣，從航天、航空、兵器、船舟、交通、冶金、機(jī)械、電子、化工、輕工、能源、環(huán)保、煤炭、石油、醫(yī)療衛(wèi)生、生物工程、宇宙開發(fā)等領(lǐng)域至農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)，甚至人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方方面面，幾乎無(wú)處不使用傳感器，無(wú)處不需要傳感器技術(shù)。也可以說(shuō)，傳感器已幾乎應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

9傳感器應(yīng)用領(lǐng)域9信息處理電信電話科技測(cè)試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機(jī)床機(jī)器人家用電器照相機(jī)汽車飛機(jī)船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農(nóng)林機(jī)械能利用貨幣金融食品111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量10信息處理電信電話科技測(cè)試設(shè)備控制交通控制輸電系統(tǒng)機(jī)床機(jī)器人家例：化工產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程：1、自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等加工工業(yè)。設(shè)備推動(dòng)力液體或氣體檢測(cè)壓力或壓強(qiáng)進(jìn)料自動(dòng)稱重按比例混合反應(yīng)容器內(nèi)液體成品半成品在生產(chǎn)線上傳輸自動(dòng)控制傳輸速度自動(dòng)控制容器液位測(cè)定容器中的壓力體積自動(dòng)稱重分裝計(jì)數(shù)11例：化工產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程：1、自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)石油、化2、汽車傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量等。安全：安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、汽車“黑匣子”等。環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置等。122、汽車傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量等3、家用電器、通信及文化用品微波爐、電磁灶、燃?xì)庠?、電飯鍋、電子熱水器、飲水機(jī)、吸塵器、風(fēng)干器、電熨斗、加濕器、電風(fēng)扇、空調(diào)器、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、消毒柜、電冰箱、照相機(jī)、攝像機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、家庭影院、電話機(jī)、手機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀、打印機(jī)等。133、家用電器、通信及文化用品微波爐、電磁灶、4、機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人：生產(chǎn)用的自動(dòng)機(jī)械式（加工、組裝、檢驗(yàn)）。汽車焊接機(jī)器人倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人

汽車噴漆機(jī)器人144、機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人：生產(chǎn)用的自動(dòng)機(jī)械式（加工、組裝、檢驗(yàn)）智能機(jī)器人：判斷能力日本喂飯機(jī)器人

瑞士“達(dá)芬奇”手術(shù)機(jī)器人

美軍爆炸物處理機(jī)器人

日本營(yíng)救機(jī)器人

15智能機(jī)器人：判斷能力日本喂飯機(jī)器人瑞士“達(dá)芬奇”手術(shù)機(jī)器人日本廚師機(jī)器人

日本豐田公司機(jī)器人樂(lè)隊(duì)

德國(guó)人形機(jī)器人調(diào)制速溶茶

16日本廚師機(jī)器人日本豐田公司機(jī)器人樂(lè)隊(duì)德國(guó)人形機(jī)器人調(diào)制速日立新款機(jī)器人服務(wù)生

韓國(guó)機(jī)器人藝人

中科院機(jī)器人能歌善舞哈工大仿人型殘疾人假手

17日立新款機(jī)器人服務(wù)生韓國(guó)機(jī)器人藝人中科院機(jī)器人能歌善舞哈美國(guó)宇航局機(jī)器人檢修太空設(shè)備

美國(guó)宇航局探索機(jī)器人

美軍排雷機(jī)器人

月球車18美國(guó)宇航局機(jī)器人檢修太空設(shè)備美國(guó)宇航局探索機(jī)器人美軍排雷電影《泰坦尼克》中用于水下探測(cè)的“鄧肯”號(hào)機(jī)器人采礦機(jī)器人美國(guó)“水下龍蝦”機(jī)器人

19電影《泰坦尼克》中用于水下探測(cè)的“鄧肯”號(hào)機(jī)器人采礦機(jī)器人美

2003年9月17日，全球現(xiàn)場(chǎng)直播埃及胡夫金字塔內(nèi)世界最古老石棺的考古挖掘進(jìn)程，揭開古埃及金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)之謎。美國(guó)《醫(yī)學(xué)月刊》曾刊登調(diào)查報(bào)告：l00名曾經(jīng)進(jìn)入金字塔的人中，在未來(lái)l0年內(nèi)死于癌癥的高達(dá)40%。幾十年來(lái)，一些進(jìn)入大金字塔深處考古的科學(xué)家們不約而同感染了一種神秘細(xì)菌，有的更于幾月后不治身亡！1923年4月5日，卡那封勛爵因蚊子叮咬引起膿毒性肺炎而在開羅逝世。由于卡那封勛爵一年前曾進(jìn)入埃及法老圖坦哈蒙的陵墓，于是“法老的詛咒”流傳開來(lái)。這個(gè)世界上最大的地上陵墓上有一段令人生畏的銘文：不論是誰(shuí)騷擾了法老的安寧，死神之翼將在他的頭上降臨。202003年9月17日，全球現(xiàn)場(chǎng)直播埃及胡夫金字塔內(nèi)世金字塔密室信道的容積很小，一般人無(wú)法進(jìn)去，所以考古學(xué)家們只有動(dòng)用微型機(jī)械人“金字塔漫游者”，從胡夫金字塔入口處沿著一條向上的信道爬行大約六十四米，來(lái)到一間幾千年來(lái)從未使用過(guò)的房間——“皇后墓室”，然后，機(jī)械人將沿著墓室內(nèi)兩個(gè)秘密信道繼續(xù)前行，到達(dá)一扇帶著兩個(gè)銅把手的石門處，那里曾是十多年前科學(xué)家們無(wú)奈止步的地方。機(jī)械人將用高清晰攝影探頭，探究石門背后的秘密。

“金字塔漫游者”總重量只有2.7千克，13厘米高，全長(zhǎng)也不過(guò)30厘米，具有多種探測(cè)手段：超聲波傳感器、地面探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)、力度測(cè)量?jī)x、精密光纖鏡頭、導(dǎo)電傳感器。能測(cè)出石頭的厚度，穿透3英寸寬的混凝土和更遠(yuǎn)距離的金字塔滲水石灰石。21金字塔密室信道的容積很小，一般人無(wú)法進(jìn)去，所以考古學(xué)5、醫(yī)學(xué)醫(yī)用傳感器：人體內(nèi)部溫度、血液、呼吸流量、腫瘤、心音、腔內(nèi)壓力、心腦電波等檢測(cè)、化驗(yàn)。6、航空及航天飛行器在預(yù)定軌道上速度、加速度、飛行距離、高度、陀螺儀、陽(yáng)光、星光、地磁、周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)、氣壓等的檢測(cè)。225、醫(yī)學(xué)醫(yī)用傳感器：6、航空及航天飛行器在預(yù)7、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)237、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)238、遙感技術(shù)飛機(jī)及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠(yuǎn)紅外線、微波傳感器等。船舶：超聲波傳感器。微波紅外接收傳感器紅外線分布差異礦藏埋藏地區(qū)地面秘魯兩大型露天銅礦遙感影像

248、遙感技術(shù)飛機(jī)及航天飛行器：近紫外線、可見光、遠(yuǎn)紅外線、微9、傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用“信息時(shí)代的軍事革命”——美國(guó)參聯(lián)會(huì)副主席歐文斯上將“……改變那種認(rèn)為軍事力量主要是軍艦、坦克和飛機(jī)的概念，把我們的注意力放在思考信息和電信技術(shù)所能提供的軍事力量上來(lái)。這場(chǎng)軍事革命標(biāo)志著一種轉(zhuǎn)變，即從重視軍艦、坦克和飛機(jī)，轉(zhuǎn)為重視諸如傳感器這類東西的作用?！?/p>

“陸軍、海軍、空軍都將只不過(guò)是歷史的產(chǎn)物……你也許將成立一個(gè)把所有的傳感器放在一起的軍種（可稱之為傳感器軍）用于觀察戰(zhàn)場(chǎng)……”259、傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用“信息時(shí)代的軍事革命”“……改傳感器定義：傳感器是將各種非電量（包括物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量（一般為電量）的裝置。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：

能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。國(guó)際電工委員會(huì)IEC的定義是：傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)。傳感器定義和組成

26傳感器定義：傳感器是將各種非電量（包括物理量、化學(xué)量、生物量如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件，因此，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩者合一的傳感器是很多的。例如：壓電傳感器、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等都是這種形式的傳感器。

組成：敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)理電路輔助電路被測(cè)量非電量其它量非電量電量電信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電量并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)理電路和輔助電路組成。27如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)1.敏感元件（預(yù)變換器）（SensingElement）：傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量（非電量）并輸出與之成確定關(guān)系的其它量（非電量）的部分。（在完成非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接變換為電量，往往是將被測(cè)非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量，然后再變換為電量。能夠完成預(yù)變換的器件稱為敏感元件）。2.轉(zhuǎn)換元件（TransductionElement）：傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)到的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的可用輸出信號(hào)（一般為電信號(hào)）的部分。3.信號(hào)調(diào)理電路：是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)（常用電壓、電流、頻率）的電路。類型視轉(zhuǎn)換元件的分類而定，常采用的有電橋電路、放大器、振蕩器、阻抗變換、補(bǔ)償及其它特殊電路，如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路等。4.輔助電路：通常指電源，即交、直流供電系統(tǒng)。

281.敏感元件（預(yù)變換器）（SensingElement）：舉例1：測(cè)量壓力的電位器式壓力傳感器1-彈簧管2-電位器當(dāng)被測(cè)壓力p增大時(shí)，彈簧管撐直，通過(guò)齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)電位器的電刷產(chǎn)生角位移。

電位器轉(zhuǎn)換元件電阻變化電量電壓變化有用電信號(hào)輸出信號(hào)調(diào)理電路分壓比電路電源輔助電路壓力非電量角位移非電量敏感元件彈簧管29舉例1：測(cè)量壓力的電位器式壓力傳感器1-彈簧管2-電位舉例2：應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性膜片和電阻應(yīng)變片組成。其中彈性膜片就是敏感元件，它能將壓力轉(zhuǎn)換成彈性膜片的應(yīng)變（形變）；彈性膜片的應(yīng)變施加在電阻應(yīng)變片上，使應(yīng)變片也產(chǎn)生應(yīng)變（形變），應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，電阻應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件。

應(yīng)變片轉(zhuǎn)換元件電阻變化電量電壓變化有用電信號(hào)輸出信號(hào)調(diào)理電路電橋電源輔助電路壓力非電量形變非電量敏感元件彈性膜片30舉例2：應(yīng)變式壓力傳感器是由彈性膜片和電阻應(yīng)變片組成。其中彈傳感器分類

傳感器種類繁多（2萬(wàn)多種），功能各異。同一被測(cè)量可用不同轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)探測(cè)；利用同一種物理法則、化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計(jì)制作出檢測(cè)不同被測(cè)量的傳感器；而功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，故傳感器有不同的分類法?！铩铩?1傳感器分類傳感器種類繁多（2萬(wàn)多種），功能各★★32★★32其它分類：按輸出信號(hào)的傳送方式：電傳送、氣傳送（易燃、易爆環(huán)境）和光傳送（抗干擾、絕緣能力強(qiáng)）；位式作用（開關(guān)作用）和連續(xù)作用；有觸點(diǎn)及無(wú)觸點(diǎn)（利用晶體管或晶閘管的通斷發(fā)出信號(hào)）；常規(guī)式及靈巧式（Smart，處理電路使用單片機(jī)，功能豐富、使用靈活）；接觸式（敏感元件必須和被測(cè)物質(zhì)接觸）及非接觸式；普通型、隔爆型（在內(nèi)部電路和周圍易燃?xì)怏w之間采取了隔離措施，允許使用在有一定危險(xiǎn)性的環(huán)境里）及本安型（本質(zhì)安全型，依靠特殊設(shè)計(jì)的電路保證在正常工作及故障狀態(tài)下都不會(huì)引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的場(chǎng)所）。33其它分類：按輸出信號(hào)的傳送方式：電傳送、氣傳送（易燃、易爆環(huán)傳感器技術(shù)的特點(diǎn)

傳感器技術(shù)包括傳感器的研究、設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、檢測(cè)與應(yīng)用。它已逐漸形成了一門相對(duì)獨(dú)立的專門學(xué)科。與其它學(xué)科相比，它具有如下技術(shù)特點(diǎn):

1.內(nèi)容范圍廣且離散傳感器可涉及到的內(nèi)容廣而離散的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在傳感器技術(shù)可利用的物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)等學(xué)科中的基礎(chǔ)“效應(yīng)”、“反應(yīng)”、“機(jī)理”不僅為數(shù)甚多，而且它們往往彼此獨(dú)立、甚至是完全不相關(guān)。2.知識(shí)密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃

由于傳感器技術(shù)是以材料的電、磁、光、聲、熱、力等功能效應(yīng)和功能形態(tài)變換原理為基礎(chǔ)，并綜合了物理學(xué)、化學(xué)、生物工程、微電子學(xué)、材料科學(xué)、精密機(jī)械、微細(xì)加工、試驗(yàn)測(cè)量等方面的知識(shí)和技術(shù)而形成的一門科學(xué)。由此可見，傳感器技術(shù)是學(xué)科交錯(cuò)應(yīng)用極多，知識(shí)密集極高，與許多基礎(chǔ)科學(xué)和專業(yè)工程學(xué)有著極為密切關(guān)系的技術(shù)。

34傳感器技術(shù)的特點(diǎn)傳感器技術(shù)包括傳感器的研究、3.技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高

傳感器的制造涉及了許多高新技術(shù)，如集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、微細(xì)或納米加工技術(shù)、粘合技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)以及多功能化、智能化技術(shù)等。因此，傳感器的制造工藝難度很大，要求很高。4.功能優(yōu)、性能好

傳感器功能優(yōu)良主要體現(xiàn)在其功能的擴(kuò)展性好、適應(yīng)性強(qiáng)。具體地說(shuō)，傳感器不但具備人類“五官”所具有的視、聽、觸、嗅、味覺功能，而且還能檢測(cè)五官不能感覺到的信息，同時(shí)還能在人類無(wú)法忍受的高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作。性能好體現(xiàn)在傳感器的量程寬、精度高、可靠性好等方面。5.品種繁多、應(yīng)用廣泛

由于現(xiàn)代信息系統(tǒng)中待測(cè)的信息（待測(cè)量）很多，而且一種待測(cè)量往往可用幾種傳感器來(lái)測(cè)量，因此，傳感器產(chǎn)品品種極為龐雜、繁多。

353.技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高35傳感器的需求、水平、現(xiàn)狀由于傳感器技術(shù)的重要性，上世紀(jì)80年代以來(lái)國(guó)際上出現(xiàn)了“傳感器熱”。引起各國(guó)政府高度重視。日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)（計(jì)算機(jī)、通訊、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和傳感器）之一。日本政府還在21世紀(jì)技術(shù)預(yù)測(cè)中將傳感器列為首位。美國(guó)把傳感器技術(shù)列為90年代22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，美國(guó)白宮將“傳感器及信號(hào)處理”列為對(duì)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)之一。西歐各國(guó)在制定“尤里卡”發(fā)展計(jì)劃中，把傳感器技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。我國(guó)政府在“863計(jì)劃”及重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目中，均把傳感器列在重要位置。36傳感器的需求、水平、現(xiàn)狀由于傳感器技術(shù)的重要傳感器技術(shù)之所以受到如此看重并獲得極為迅速發(fā)展的原因是：1.微型計(jì)算機(jī)的普及、信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，而獲取信息的工具——傳感器處于明顯拖后腿的狀態(tài)，形成推動(dòng)傳感器技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。2.廣闊的市場(chǎng)和強(qiáng)烈的社會(huì)需求是傳感器技術(shù)發(fā)展的又一強(qiáng)勁推動(dòng)力，傳感器的銷售值反映一個(gè)國(guó)家科技發(fā)達(dá)與社會(huì)進(jìn)步的程度。2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上。37傳感器技術(shù)之所以受到如此看重并獲得極為迅速發(fā)傳感器市場(chǎng)結(jié)構(gòu)

38傳感器市場(chǎng)結(jié)構(gòu)3890年代國(guó)內(nèi)市場(chǎng)各主要行業(yè)傳感器的用量

電力系統(tǒng) 140萬(wàn)件化工系統(tǒng) 80萬(wàn)件鋼鐵系統(tǒng) 130萬(wàn)件能源管理與爐窯控制 4000萬(wàn)件汽車行業(yè) 4400萬(wàn)件機(jī)床行業(yè) 1500萬(wàn)件文化辦公機(jī)械 200萬(wàn)件各類儀器儀表 3億件

3990年代國(guó)內(nèi)市場(chǎng)各主要行業(yè)傳感器的用量39

一個(gè)電站 需要5000臺(tái)傳感器及其儀表；一個(gè)鋼鐵廠 需要20000臺(tái)傳感器及其儀表；大型石油化工廠需要6000臺(tái)傳感器及其儀表；大型發(fā)電機(jī)組 需要3000臺(tái)傳感器及其儀表；一部汽車 需要30至100臺(tái)傳感器；一架飛機(jī) 需要3600臺(tái)傳感器；所以說(shuō)，傳感器的市場(chǎng)需求非常龐大。其根本原因就是因?yàn)椤皞鞲衅魑挥谙到y(tǒng)之首”，“是現(xiàn)代信息技術(shù)系統(tǒng)的源頭”。40一個(gè)電站 需要5000

自動(dòng)化過(guò)程都包括有三種主要功能塊：傳感器、計(jì)算機(jī)(或微處理器)、執(zhí)行器。

傳感器相當(dāng)于人的感官，時(shí)時(shí)檢測(cè)“對(duì)象”的狀態(tài)及其相應(yīng)的物理參量，并及時(shí)饋送給計(jì)算機(jī)；

計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人的大腦，經(jīng)過(guò)運(yùn)算、分析、判斷，根據(jù)“對(duì)象”狀態(tài)偏離設(shè)定值的方向與程度，對(duì)執(zhí)行器下達(dá)修正動(dòng)作的命令；

執(zhí)行器相當(dāng)于人的肢體，按大腦的命令對(duì)“對(duì)象”進(jìn)行操作。執(zhí)行器傳感器計(jì)算機(jī)對(duì)象顯示監(jiān)視（測(cè)量）監(jiān)控（測(cè)控）41自動(dòng)化過(guò)程都包括有三種主要功能塊：傳感器、計(jì)執(zhí)行器包括：水磨、蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)、各種閥體、繼電器、電磁鐵等。42執(zhí)行器包括：水磨、蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)、各種閥體、繼電器、電

透視人類自動(dòng)化的歷史進(jìn)程，我們看到：首先人們發(fā)展了執(zhí)行器，然后計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，通過(guò)擴(kuò)展計(jì)算機(jī)程序的“智能”，產(chǎn)生了“信息革命”。現(xiàn)在，人們正在通過(guò)應(yīng)用傳感器來(lái)擴(kuò)展“感覺”，去獲得信息數(shù)據(jù)，以便校正自動(dòng)化過(guò)程中的偏差，并能根據(jù)各種情況的變化做出實(shí)時(shí)正確的處理。在實(shí)際應(yīng)用中，需要三個(gè)功能塊（傳感器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器）都經(jīng)濟(jì)耐用，有良好的性能價(jià)格比。目前隨著計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器的迅猛發(fā)展，傳感器的價(jià)格性能比相對(duì)來(lái)說(shuō)卻居高不下，傳感器、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器價(jià)格性能比的下降幅度為3:10:1000，傳感器與其它兩個(gè)功能塊的發(fā)展形勢(shì)不相適應(yīng)，制約了自動(dòng)化的發(fā)展。

需要大力發(fā)展傳感器。43透視人類自動(dòng)化的歷史進(jìn)程，我們看到：43傳感器與傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

一是開展基礎(chǔ)研究，探索新理論，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝；二是增加品種、減小體積和重量，向標(biāo)準(zhǔn)化、固態(tài)化、集成化、多功能化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化：

不同廠家的產(chǎn)品，在硬件、軟件、通信規(guī)程、連接方式等方面互相兼容、互換聯(lián)用，既方便用戶使用，又易于安裝維修。固態(tài)化：

采用半導(dǎo)體、電介質(zhì)、強(qiáng)磁性體、陶瓷等材料。集成化：

將敏感元件、信息處理或轉(zhuǎn)換單元以及電源等部分利用半導(dǎo)體技術(shù)將其制作在同一芯片上。多功能化：傳感器具有多種參數(shù)的檢測(cè)功能。數(shù)字化：

用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，提高可靠性和抗干擾能力。智能化：

將信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)回路和信號(hào)處理回路等外圍電路全部集成在一塊基片上，使它具有自診斷、遠(yuǎn)距離通信、自動(dòng)調(diào)整零點(diǎn)和量程等功能。網(wǎng)絡(luò)化：傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,使測(cè)控系統(tǒng)主動(dòng)進(jìn)行信息處理以及遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線測(cè)量成為可能。

44傳感器與傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)一是開展基礎(chǔ)研究，傳感器網(wǎng)絡(luò)：有線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。45傳感器網(wǎng)絡(luò)：有線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。45傳感器的一般特性一個(gè)傳感器就是一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)總可以用一個(gè)數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來(lái)描述。即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入間的關(guān)系和特性。從傳感器的靜態(tài)輸入－輸出關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型叫靜態(tài)模型；從傳感器的動(dòng)態(tài)輸入－輸出關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型叫動(dòng)態(tài)模型。傳感器所測(cè)量的非電量一般有兩種形式：一種是穩(wěn)定的，即不隨時(shí)間變化或變化極其緩慢，稱為靜態(tài)信號(hào)；另一種是隨時(shí)間變化而變化，稱為動(dòng)態(tài)信號(hào)。由于輸入量的狀態(tài)不同，傳感器所呈現(xiàn)出來(lái)的輸入－輸出特性也不同，因此存在所謂的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。為了降低或消除傳感器在測(cè)量控制系統(tǒng)中的誤差，傳感器必須具有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，才能使信號(hào)(或能量)按規(guī)律準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換。

●

靜態(tài)模型

●

動(dòng)態(tài)模型

●

靜態(tài)特性

●

動(dòng)態(tài)特性

46傳感器的一般特性一個(gè)傳感器就是一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)總可靜態(tài)模型

式中x——輸入量；

y——輸出量；

a0——零位輸出；

a1——傳感器線性靈敏度，常用K或S表示

a2，…，an——非線性項(xiàng)的待定系數(shù)。

靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號(hào)情況下，描述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(lái)表示：

47靜態(tài)模型靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號(hào)情況下動(dòng)態(tài)模型

動(dòng)態(tài)模型指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下，描述其輸出和輸入信號(hào)的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。

動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)等來(lái)描述。1.微分方程絕大多數(shù)傳感器都屬模擬（連續(xù)變化）系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。

式中：x為輸入量；y為輸出量；t為時(shí)間；an,an-1,…,a0和bm,bm-1,…,b0

為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（是常量）。對(duì)于傳感器，除b0≠0外，一般取b1,b2,…,bm為0。

48動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)作用下2.傳遞函數(shù)

在分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用傳感器時(shí)，傳遞函數(shù)的概念非常有用。傳遞函數(shù)是輸出量和輸入量之間的數(shù)學(xué)表示。如果傳遞函數(shù)已知，那么由任一輸入量就可求出相應(yīng)的輸出量。傳遞函數(shù)的定義是輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之比。

D（算子）——

d/dt

這種形式的傳遞函數(shù)對(duì)瞬變輸入特別有用。對(duì)于線性系統(tǒng)，瞬變輸入所產(chǎn)生的輸出由于它只出現(xiàn)一次而不重復(fù)，通常直接表示為時(shí)間函數(shù)y(t)，它是這個(gè)傳感器微分方程的解。492.傳遞函數(shù)D（算子）——d/dt49

對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t≤0，y(t)=0。這對(duì)于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件均符合上述初始條件。從上式可知，它與輸入量無(wú)關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)ai，bi有關(guān)。因此，可以簡(jiǎn)單而恰當(dāng)?shù)孛枋銎漭敵雠c輸入關(guān)系。只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意兩者，第三者便可方便地求出。這時(shí)可見，無(wú)需了解復(fù)雜系統(tǒng)的具體內(nèi)容，只要給系統(tǒng)一個(gè)激勵(lì)信號(hào)x(t)，使可得到系統(tǒng)的響應(yīng)y(t)

，系統(tǒng)特性就能被確定。

y(t)的拉氏變換Y(S)和x(t)的拉氏變換X(S)的比為拉氏傳遞函數(shù)H(S)：50對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t≤0，y靜態(tài)特性

傳感器在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

a0=0時(shí)，表示靜態(tài)特性曲線通過(guò)原點(diǎn)。此時(shí)靜態(tài)特性有四種典型情況：1.理想線性（圖a）2.具有x奇次階項(xiàng)的非線性（圖b）3.具有x一次及偶次階項(xiàng)的非線性（圖c）4.具有x奇、偶次階項(xiàng)的非線性（圖d）51靜態(tài)特性傳感器在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出除圖(a)為理想線性特性外（幾乎每一種傳感器都不具備如此特性，即都存在非線性），其余均為非線性關(guān)系。僅具有奇次方的多項(xiàng)式模型，圖(b)，在原點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)基本上是線性特性。在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，應(yīng)將測(cè)量范圍選取在靜態(tài)特性最接近直線的一小段，此時(shí)原點(diǎn)可能不在零點(diǎn)。以圖(d)為例，如取ab段，則原點(diǎn)在c點(diǎn)。傳感器靜態(tài)特性的非線性，使其輸出不能成比例地反映被測(cè)量的變化情況，而且對(duì)動(dòng)態(tài)特性也有一定影響。因此在使用非線性傳感器時(shí)，必須對(duì)傳感器輸出特性進(jìn)行線性處理。52除圖(a)為理想線性特性外（幾乎每一種傳感器傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能指標(biāo)來(lái)描述:

1.線性度（非線性誤差）2.靈敏度3.分辨率和分辨力4.遲滯（滯環(huán)）5.重復(fù)性6.精確度（精度）7.穩(wěn)定性8.漂移53傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能指標(biāo)來(lái)描述:1.線性度

傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間的線性程度。一般來(lái)說(shuō)傳感器都是非線性的，在非線性項(xiàng)的次數(shù)不高、輸入量變化范圍不大時(shí)，可用切線或割線等直線來(lái)近似代表實(shí)際曲線的一段，這種方法稱為傳感器的非線性特性的線性化，所采用的直線稱為擬合直線。線性度（非線性誤差）

實(shí)際靜態(tài)特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為非線性誤差。54傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間的線非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準(zhǔn)直線算出來(lái)的。因而，基準(zhǔn)直線不同，所得線性度也不同。

非線性誤差：式中Ymax為輸出量和輸入量實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差；YFS為輸出滿量程值。

55非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準(zhǔn)靈敏度

傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對(duì)輸入變化的比值，常用Sn或K來(lái)表示。即對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖(a)所示。即

非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)變量，如圖(b)所示，即用dy/dx表示傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。

56靈敏度傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸

分辨率和分辯力都是表示傳感器能檢測(cè)被測(cè)量的最小值的性能指標(biāo)。分辨力：指?jìng)鞲衅髂軝z出被測(cè)信號(hào)的最小變化量。分辯力是以最小量程的單位值來(lái)表示，有量綱。分辨率：將分辨力除以傳感器的滿量程就是傳感器的分辨率。分辨率常以百分比或幾分之一表示，無(wú)量綱。分辨率和分辯力57分辨率和分辯力都是表示傳感器能檢測(cè)被測(cè)量的最小值的性遲滯(滯環(huán))現(xiàn)象

遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輔出-輸入特性曲線不重合的程度。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)x，在x連續(xù)增大的行程中，對(duì)應(yīng)某一輸出量為yi，在x連續(xù)減小過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于輸出量為yd之間的差值叫做滯環(huán)誤差，這就是所謂的遲滯現(xiàn)象。該誤差用E表示為在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用max表示，它與滿量程輸出值YFS的比值稱為最大滯環(huán)率。

58遲滯(滯環(huán))現(xiàn)象遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量重復(fù)性

重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度。多次按相同