傳感器與檢測(cè)技術(shù)(第2版)李增國主編 緒論和第一章 (1)

傳感器技術(shù)的發(fā)展過程傳感器由探頭技術(shù)發(fā)展而來，發(fā)展過程大體可分為以下三代:?第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量的變化來感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。?第二代是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料的某些特性制成的。?第三代傳感器是近年來剛剛發(fā)展起來的智能型傳感器，是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有一定的人工智能。眼（視覺）耳（聽覺）鼻（嗅覺）皮膚（觸覺）口（味覺）

感知外界信息→大腦→肌體人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較傳感器技術(shù)現(xiàn)狀

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。

因此，傳感器又被人們稱之為“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)

傳感器技術(shù)現(xiàn)狀集成化數(shù)字化微型化智能化仿生化傳感器技術(shù)的發(fā)展方向傳感器的發(fā)展趨勢(shì)將向以下五個(gè)方面突破：

0.1傳感器技術(shù)的由來、現(xiàn)狀與發(fā)展0.3課程性質(zhì)及主要任務(wù)第0章緒論0.2傳感技術(shù)的基本概念傳感技術(shù)敏感材料學(xué)傳感器技術(shù)及系統(tǒng)微機(jī)電加工技術(shù)微型計(jì)算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)傳感技術(shù)的基本概念

傳感器技術(shù)——以傳感器為核心，涉及傳感器原理、傳感器件設(shè)計(jì)、傳感器件開發(fā)與應(yīng)用的一門綜合技術(shù)。0.1傳感器技術(shù)的由來、現(xiàn)狀與發(fā)展0.2傳感器技術(shù)的基本概念0.3課程性質(zhì)及主要任務(wù)第0章緒論?了解傳感器的工作原理，作用和地位，對(duì)傳感器有一個(gè)較為系統(tǒng)的整體概念。?能夠根據(jù)任務(wù)要求，合理的選擇傳感器及相應(yīng)的測(cè)量電路；掌握常用物理量的檢測(cè)方法，能夠分析典型傳感器的應(yīng)用電路。?了解傳感器與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的結(jié)合與發(fā)展趨勢(shì)。主要任務(wù)課程性質(zhì)及主要任務(wù)本課程是設(shè)備類、自動(dòng)化類、電氣類專業(yè)的一門重要的配套性專業(yè)課程，具有涉及知識(shí)面廣、綜合性強(qiáng)與實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。課程性質(zhì)傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀--日常生活傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀--工業(yè)生產(chǎn)紙品傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀--醫(yī)療診斷傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀--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(cè)能量計(jì)費(fèi)消防系統(tǒng)保安系統(tǒng)照明系統(tǒng)DDC夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀--軍事美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器---OICW美國國家導(dǎo)彈防御計(jì)劃---NMD檢測(cè)參數(shù)---加速度、溫度、壓力、振動(dòng)、流量、應(yīng)變、聲學(xué)等。神州九號(hào)飛船：185臺(tái)（套）儀器裝置傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀--航空航天火箭測(cè)控---檢測(cè)火箭狀況、姿態(tài)、軌跡

飛行器測(cè)控---檢測(cè)飛行器姿態(tài)、發(fā)電機(jī)工況，控制與操縱

1.1傳感器的基本概念（重點(diǎn)）1.2傳感器的組成與分類1.3傳感器的基本特性第1章傳感器簡(jiǎn)論1.2.1傳感器的組成（重點(diǎn)）1.2.2傳感器的分類1.3.1傳感器的靜態(tài)特性（重點(diǎn)、難點(diǎn)）1.3.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性（難點(diǎn)）1.1傳感器的基本概念1.2傳感器的組成與分類1.3傳感器的基本特性第1章傳感器簡(jiǎn)論①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；②它的輸入量是某一被測(cè)量，被測(cè)量絕大部分為非電量，常見的非電量有位移、力、速度、溫度、液位和濃度等。③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量通常是電量；④它的輸出與輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。傳感器的基本概念傳感器（Transducer/Sensor）：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)的器件和裝置。被測(cè)量電量傳感器應(yīng)用實(shí)例:液位檢測(cè)系統(tǒng)傳感器的基本概念被測(cè)量：液位高度（非電量）輸出量：指針偏轉(zhuǎn)程度（電量）測(cè)量裝置：傳感器1.1傳感器的基本概念1.2傳感器的組成與分類1.3傳感器的基本特性第1章傳感器簡(jiǎn)論1.2.1傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路3大部分組成。但有部分傳感器將輔助電源作為其組成部分。圖1-1傳感器組成框圖直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他物理量的元件。將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成適用于傳輸或測(cè)量的電量后再輸出。將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率量的電路。用于提供傳感器正常工作能源的電源。例：測(cè)定油箱內(nèi)油面高度R是滑動(dòng)變阻器，它的金屬滑片是杠桿的一端，R’是定值電阻，油量表（由電壓表改裝而成）。油面浮標(biāo)上升時(shí)，油量表示數(shù)變大；反之，油量表示數(shù)變小。敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路輔助電源1.2.1傳感器的組成1.2.2傳感器的分類傳感器的分類按工作原理分類按被測(cè)量性質(zhì)分類按輸出量種類分類按結(jié)構(gòu)分類參量傳感器發(fā)電傳感器特殊傳感器機(jī)械量傳感器熱工量傳感器成分量傳感器狀態(tài)量傳感器探傷傳感器模擬傳感器數(shù)字傳感器直接傳感器差分傳感器補(bǔ)償傳感器1.1傳感器的基本概念1.2傳感器的組成與分類1.3傳感器的基本特性第1章傳感器簡(jiǎn)論在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)過程及自動(dòng)化設(shè)備工作中，要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并不失真地變換成相應(yīng)的電量這取決于傳感器的基本特性。傳感器的基本特性通常分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性傳感器的基本特性傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指被測(cè)量為靜態(tài)信號(hào)時(shí)，傳感器輸出量（y）和輸入量（x）之間的關(guān)系。靈敏度分辨力線性度穩(wěn)定度電磁兼容性可靠性重復(fù)性遲滯傳感器的靜態(tài)特性--靈敏度圖1-2傳感器靈敏度線性傳感器，靈敏度為常量非線性傳感器，靈敏度為變量靈敏度（S）——傳感器輸出量增量△y與被測(cè)量增量△x的比值，即S=△y/△x。它是輸出—輸入特性曲線的斜率。傳感器的靜態(tài)特性—分辨力分辨力

—傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)檢測(cè)被測(cè)量的最小變化量的能力。例如：用滿量程為20kg的機(jī)械磅秤稱葡萄。指示值為1kg。如果加一顆葡萄（假設(shè)每個(gè)10克），指針不會(huì)動(dòng)；加兩顆，還沒動(dòng)靜；當(dāng)加第三顆時(shí)，指針動(dòng)了。那么，這臺(tái)機(jī)械磅秤的分辨力為30g。那么這臺(tái)磅秤的分辨率為30g/20kg=0.15%。分辨率

—將分辨力除以儀表的滿度量程就是儀表的分辨率。傳感器的靜態(tài)特性--線性度?線性度是指？（輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系對(duì)于理想線性的偏離程度）?關(guān)于擬合:直線擬合線性化線性度圖1-3傳感器理想特性圖圖1-4特性曲線與線性度關(guān)系曲線1-擬合直線2-實(shí)際特性曲線傳感器的靜態(tài)特性—穩(wěn)定度穩(wěn)定度—在所有測(cè)量條件都恒定不變的情況下，傳感器輸出在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能維持其示值不變的能力。傳感器的靜態(tài)特性—電磁兼容性電磁兼容—傳感器在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中能正常工作的能力，且不向其他設(shè)備釋放超過允許范圍的電磁干擾?？煽啃浴趥鞲衅髡９ぷ鲿r(shí)由平均無故障時(shí)間來體現(xiàn)，在傳感器出現(xiàn)故障時(shí)由平均故障修復(fù)時(shí)間來體現(xiàn)。傳感器的靜態(tài)特性—可靠性圖1-5故障率變化的曲線傳感器的靜態(tài)特性—重復(fù)性重復(fù)性—傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。△ymax為△ymax1和△ymax2這兩個(gè)偏差中的較大者。重復(fù)性傳感器的靜態(tài)特性—遲滯遲滯—傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┬谐讨?，輸入和輸出特性曲線不一致的程度。圖1-6遲滯特性圖1-正向；2-反向產(chǎn)生原因：傳感器機(jī)械部分存在摩擦、間隙、松動(dòng)、積塵等。傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指在輸入發(fā)生變化時(shí)的輸出特性，即輸出對(duì)輸入變化的動(dòng)態(tài)跟隨能力。傳感器的動(dòng)態(tài)特性，常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。水溫T℃熱電偶環(huán)境溫度To℃T＞To階躍響應(yīng)按照階躍狀態(tài)變化輸入的響應(yīng)被稱之為階躍響應(yīng)。圖1-7階躍信號(hào)圖圖1-8階躍響應(yīng)曲線圖階躍響應(yīng)圖1-8階躍響應(yīng)曲線圖階躍響應(yīng)的六個(gè)主要參數(shù)：（1）時(shí)間常數(shù)（T）；（2）上升時(shí)間（tr）；（3）響應(yīng)時(shí)間（ts）；（4）超調(diào)量（δ）；（5）振動(dòng)次數(shù)（N）；（6）穩(wěn)態(tài)誤差（es)。頻率響應(yīng)傳感量對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特征，稱為頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)特性指標(biāo)：(1)頻帶傳感器增益保持在一