(完整版)傳感器的定義與組成

第2講傳感器概述教學(xué)目標(biāo)

本講闡述傳感器及傳感技術(shù)的作用；傳感器的定義與組成；傳感器的分類方法；傳感器的特性。教學(xué)重點(diǎn)傳感器的定義、組成及發(fā)展趨勢傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)及定量描述方法

傳感器概述信息社會(huì)的三大技術(shù)：傳感器的作用通信技術(shù)信息的采集信息的處理計(jì)算機(jī)技術(shù)信息的傳輸傳感器技術(shù)感官神經(jīng)大腦人和機(jī)器進(jìn)行體力勞動(dòng)、腦力勞動(dòng)過程傳感器→電五官五官感覺傳感器大腦筋肉計(jì)算機(jī)執(zhí)行器來自外界的信息機(jī)器人傳感器的作用傳感器亦稱為換能器、變送器、探測器等。GB７６６５－８７：能感受規(guī)定的被測量并能按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的定義和組成敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路電源被測量電量引言、常見的外觀電磁接近開關(guān)光纖傳感器紅外傳感器壓電傳感器的外形壓力變送器超聲波傳感器傳感器的發(fā)展公元前1000年左右,中國的指南針、記里鼓車;埃及王朝時(shí)代開始使用的天平;利用液體膨脹進(jìn)行溫度測量在16世紀(jì)前后就已出現(xiàn);19世紀(jì)建立了電磁學(xué)的基礎(chǔ),當(dāng)時(shí)建立的物理法則直到現(xiàn)在作為各種傳感器的工作原理仍在應(yīng)用;以電量作為輸出的傳感器，其發(fā)展歷史最短,但是隨著真空管和半導(dǎo)體等有源元件的可靠性的提高,這種傳感器得到飛速發(fā)展。傳感器技術(shù)迅速發(fā)展的原因電子工業(yè)和信息技術(shù)促進(jìn)了傳感器產(chǎn)業(yè)的相應(yīng)發(fā)展；政府對(duì)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供資助并大力扶植；國防、空間技術(shù)和民用產(chǎn)品有廣大的傳感器市場；在許多高新技術(shù)領(lǐng)域可獲得用于開發(fā)傳感器的理論和工藝；由于微電子技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù)、納米技術(shù)的迅速發(fā)展,傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)得以延伸和提高。開展基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開發(fā)傳感器的新材料和新工藝，實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象;開發(fā)新材料采用微細(xì)加工技術(shù)研究多功能集成傳感器智能化傳感器新一代航天傳感器研究仿生傳感器研究

傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)向品種：2萬種以上產(chǎn)值：近400億$美國：軍費(fèi)龐大，形成先軍事后民用，先提高后普及，產(chǎn)值占全世界1/2。日本：立足于市場，先普及后提高，引進(jìn)、仿制、創(chuàng)新，很重視材料的研究；中國：1300多家企業(yè)，品種多，水平較低，但某些軍用傳感器達(dá)到國際先進(jìn)水平。國內(nèi)外傳感器的發(fā)展情況各國對(duì)傳感器的重視程度2003年全國儀器儀表進(jìn)口總額度91.5億$

，占73.5%，高端全部進(jìn)口。2005年進(jìn)口額為140.1億$美國白宮計(jì)劃西歐尤里卡計(jì)劃中國八五十一五傳感器的作用傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段，沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)，是現(xiàn)代科學(xué)的前沿技術(shù)。傳感器位于自控系統(tǒng)的最前端，系統(tǒng)整體精度難以超越檢測部分的精度；20世紀(jì)以來與檢測技術(shù)發(fā)展相關(guān)的若貝爾獎(jiǎng)有27項(xiàng)。1）自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳感器的依賴越大阿波羅運(yùn)載火箭有2077個(gè)傳感器及其配套檢測儀器；大型發(fā)電機(jī)組需要3000臺(tái)傳感器及其配套檢測儀表；大型石油化工廠需要6000臺(tái)傳感器及其配套監(jiān)測儀表；一個(gè)鋼鐵廠需要20000臺(tái)傳感器及其配套監(jiān)測儀表；傳感器的作用一個(gè)電站需要5000臺(tái)傳感器及其配套監(jiān)測儀表；一架飛機(jī)需要3600只傳感器及其配套監(jiān)測儀表；一輛汽車需要30～100只傳感器及其配套監(jiān)測儀表。2）檢測系統(tǒng)越先進(jìn)，設(shè)備的生命力越強(qiáng)如殲七飛機(jī)的勝衰3）傳感器技術(shù)是“頂天立地”的技術(shù)，是社會(huì)技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志。傳感器的作用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)用傳感器主要有：壓力傳感器：主要檢測汽缸負(fù)壓、大氣壓、汽缸內(nèi)壓、油壓等；溫度傳感器：主要用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度等；氣體濃度傳感器：主要用于檢測車體內(nèi)氣體和廢氣排放；傳感器的重要性流量傳感器：主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比，啟動(dòng)、點(diǎn)火等；位置和轉(zhuǎn)速傳感器：主要用于檢測曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等；爆震傳感器：汽油在即將燃燒而沒有發(fā)生明顯爆燃時(shí)，燃燒速度最快、動(dòng)力性最好。用檢測發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)。傳感器的重要性霍爾傳感器安裝位置及作用★作用：感應(yīng)凸輪軸位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)，將此信號(hào)傳給ECU以確定點(diǎn)火時(shí)刻和噴油時(shí)刻。傳感器的重要性空氣流量計(jì)安裝位置及作用★作用：熱膜式，檢測進(jìn)氣量的多少，給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU提供進(jìn)氣數(shù)量信號(hào)。傳感器的重要性爆振傳感器安裝位置及作用另一爆振傳感器安裝在三四缸之間的相同位置?！镒饔茫焊袘?yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的爆振狀況。如產(chǎn)生爆振，將信號(hào)傳給ECU，ECU將對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，以消除或減輕爆振。傳感器的重要性按輸入量分類壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、角度傳感器（傳感器手冊等的編排通常采用這種方法）按傳感器原理進(jìn)行分類：應(yīng)變式傳感器，電阻式傳感器，電容式傳感器，電感式傳感器，壓電式傳感器，磁阻式傳感器，霍爾式傳感器，磁光式傳感器。（通常的教科書均采用這種分類方法）按輸出電量的形式進(jìn)行分類：模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器傳感器的分類按人的五官感覺分類：聽覺傳感器、觸覺傳感器、視覺傳感器、嗅覺傳感器、味覺傳感器。按信息傳遞方式分類直接型傳感器、間接型傳感器傳感器的分類傳感器特性：描述傳感器輸出與輸入關(guān)系特性靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化緩慢時(shí)的輸出與輸入之間的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快變化時(shí)的輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器的基本特性傳感器的靜態(tài)特性線性度靈敏度遲滯重復(fù)性漂移傳感器的基本特性線性度(非線性誤差)輸入輸出特性曲線偏離擬合直線的程度。通常用相對(duì)誤差表示傳感器的基本特性yYFSx理想特性曲線實(shí)際特性曲線0采用擬合直線的原則：獲得最小的非線性誤差，使用計(jì)算方便。直線的擬合方法：yYFSDLmaxDL2ox(b)過零旋轉(zhuǎn)擬合yYFSox(a)理論擬合DLmaxyYFSx(c)oDLmax端點(diǎn)連線擬合yYFSDL1DL2DL3ox(d)DLmax端點(diǎn)平移擬合傳感器的基本特性靈敏度：傳感器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)輸出量的變化與引起此變化的輸入量變化之比。傳感器的基本特性輸入、輸出同量綱時(shí)，S稱為放大倍數(shù)

遲滯（回程誤差、變差）遲滯（或稱遲環(huán)）特性表明傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間輸出—輸入特性曲線不重合的程度。傳感器的基本特性

Hmax—正反行程間輸出的最大差值重復(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試時(shí)所得特性曲線不一致性程度。多次重復(fù)測試的曲線重復(fù)性好，誤差也小。yx0

Rmax2

Rmax1漂移漂移：指傳感器在輸入量不變的情況下，其輸出量隨著時(shí)間變化稱為漂移。產(chǎn)生原因：傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）常見漂移：溫漂