第一章傳感器的基本知識

1、第一章 傳感器的基本知識復習思考題1. 簡述傳感器的概念、作用及組成。2. 傳感器的分類有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點？3. 傳感器是如何命名的？其代號包括哪幾部分？在各種文件中如何應用？4. 傳感器的靜態(tài)性能指標有哪些？其含義是什么？5. 傳感器的動態(tài)特性主要從哪兩方面來描述？采用什么樣的激勵信號？其含義是什么？ 1.1 傳感器的作用與地位u 世界是由物質(zhì)組成的，各種事物都是物質(zhì)的不同形態(tài)。人們?yōu)榱藦耐饨绔@得信息，必須借助于感覺器官。u 人的“五官”眼、耳、鼻、舌、皮膚分別具有視、聽、嗅、味、觸覺等直接感受周圍事物變化的功能，人的大腦對“五官”感受到的信息進行加工、處理，從而調(diào)節(jié)人的行為活動。u

2、人們在研究自然現(xiàn)象、規(guī)律以及生產(chǎn)活動中，有時需要對某一事物的存在與否作定性了解，有時需要進行大量的實驗測量以確定對象的量值的確切數(shù)據(jù)，所以單靠人的自身感覺器官的功能是遠遠不夠的，需要借助于某種儀器設備來完成，這種儀器設備就是傳感器。傳感器是人類“五官”的延伸，是信息采集系統(tǒng)的首要部件。電量和非電量u 表征物質(zhì)特性及運動形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量兩類。u 電量一般是指物理學中的電學量，例如電壓、電流、電阻、電容及電感等；u 非電量則是指除電量之外的一些參數(shù)，例如壓力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、濃度及酸堿度等等。u 人類為了認識物質(zhì)及事物的本

3、質(zhì)，需要對物質(zhì)特性進行測量，其中大多數(shù)是對非電量的測量。傳感器的作用u 非電量不能直接使用一般的電工儀表和電子儀器進行測量，因為一般的電工儀表和電子儀器只能測量電量，要求輸入的信號為電信號。u 非電量需要轉(zhuǎn)化成與其有一定關系的電量，再進行測量，實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術的器件就是傳感器。u 傳感器是獲取自然或生產(chǎn)中信息的關鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集工具。采用傳感器技術的非電量電測方法，就是目前應用最廣泛的測量技術。傳感器的地位u 隨著科學技術的發(fā)展，傳感器技術、通信技術和計算機技術構成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱產(chǎn)業(yè)，分別充當信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”，他們構成了一個完整

4、的自動檢測系統(tǒng)。u 在利用信息的過程中，首先要解決的問題就是獲取可靠、準確信息， 所以傳感器精度的高低直接影響計算機控制系統(tǒng)的精度，可以說沒有性能優(yōu)良的傳感器，就沒有現(xiàn)代化技術的發(fā)展。1.2 傳感器的應用與發(fā)展 傳感器幾乎滲透到所有的技術領域。如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探索、環(huán)境保護、資源利用、醫(yī)學診斷、生物工程、文物保護等等廣泛領域，并逐漸深入到人們的生活中。 在機器人的技術發(fā)展中，傳感器采用與否及采用數(shù)量的多少是衡量機器人是否具有智能的標志，現(xiàn)代智能機器人因為采用了大量的、性能更好的、功能更強的、集成度更高的傳感器，才使得其具有自我診斷、自我補償、自我學習等能力，機器人通過傳感器實現(xiàn)類似于

5、人的知覺作用。傳感器被稱為機器人的“電五官”。 在航空、航天技術領域，僅阿波羅10號飛船就使用了數(shù)千個傳感器對3295個測量參數(shù)進行監(jiān)測 在兵器領域中，使用了諸如機械式、壓電、電容、電磁、光纖、紅外、激光、生物、微波等等傳感器，以實現(xiàn)對周圍環(huán)境的監(jiān)測與目標定位信息的收集，從而更好的解決了安全、可靠的防衛(wèi)能力。 在民用工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器也起著至關重要的作用。如一座大型煉鋼廠就需要2萬多臺傳感器和檢測儀表 大型的石油化工廠需要6千臺傳感器和檢測儀表 一部現(xiàn)代化汽車需要90多只傳感器 一臺復印機需要20多只傳感器 日常生活中的電冰箱、洗衣機、電飯煲、音像設備、電動自行車、空調(diào)器、照相機、電熱水器、報

6、警器等家用電器都安裝了傳感器 在醫(yī)學上，人體的體溫、血壓、心腦電波及腫瘤等的準確診斷與監(jiān)控都需要借助各種傳感器來完成。 當今信息時代，隨著電子計算機技術的飛速發(fā)展，自動檢測、自動控制技術顯露出非凡的能力，傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。沒有傳感器對原始信息進行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，就沒有現(xiàn)代化的自動檢測和自動控制系統(tǒng)；沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展。 自1980年以來，世界傳感器的產(chǎn)值年增長率達15%30%，1985年世界傳感器市場的年產(chǎn)值為50億，1990年為155億。傳感器的發(fā)展是如泉涌，不可阻擋，它是衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展及現(xiàn)代化程度的重要標志。1.3 傳感器的定義與組成

7、1.3.1 傳感器的定義“能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。 這一定義包含了幾個方面的含義：傳感器是測量裝置，能完成測量任務；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量、也可能是化學量、生物量等；它的輸出量是某一物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等，這就是所謂的“可用信號”的含義；輸出與輸入有一定的對應關系，這種關系要有一定的規(guī)律。根據(jù)字義可以理解傳感器為一感二傳，即感受信息并傳遞出去。1.4 傳感器的分類常用的分類方法有兩種：u 一種是按被測輸入量來分.u 另一種是按傳感器的工作原理來分.1.4.1 按被測物理量分類u 這一種方法是根據(jù)被測量的性

8、質(zhì)進行分類，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉(zhuǎn)距傳感器等。u 這種分類方法把種類繁多的被測量分為基本被測量和派生被測量。例如力可視為基本被測量，從力可派生出壓力、重量、應力和力矩等派生被測量。當需要測量這些被測量時，只要采用力傳感器就可以了。了解基本被測量和派生被測量的關系，對于系統(tǒng)使用何種傳感器是很有幫助的。u 這種分類的優(yōu)點：比較明確地表達了傳感器的用途，便于使用者根據(jù)其用途選用。u 缺點：沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機理上有何共性和差異，不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。1.4.2 按傳感器工作原理分類u 這一種分類方法是

9、以工作原理劃分，將物理、化學、生物等學科的原理、規(guī)律和效應作為分類的依據(jù)。u 這種分類的優(yōu)點是對傳感器的工作原理表達的比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對傳感器進行深入的研究分析。u 缺點是不便于使用者根據(jù)用途選用。1. 電學式傳感器 u 電學式傳感器常用的有: 電阻式傳感器利用變阻器將被測非電量轉(zhuǎn)換成電阻信號的原理制成。 電容式傳感器利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從 而使電容量發(fā)生變化的原理制成的。 電感式傳感器利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的 電感量或壓磁效應原理制成的。 磁電式傳感器利用電磁感應原理，把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量而制成。 電渦流式傳感器

10、利用金屬在磁場中運動切割磁力線，在金屬內(nèi)形成渦 流的原理而制成。2. 磁學式傳感器u 磁學式傳感器的是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應而制成的。u 磁學式傳感器的主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。3. 光電式傳感器u 光電式傳感器在非電量電測及自動控制技術中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應和光學原理制成。u 光電式傳感器主要用于光強、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。4. 電勢型傳感器u 電勢型傳感器是利用熱電效應、光電效應及霍耳效應等原理而制成。u 電勢型傳感器主要用于溫度、磁通量、電流、速度、光通量及熱輻射等參數(shù)的測量。5. 電荷型傳感器u 電荷型傳感器是利用壓電效應原理而制成。u 主要用

11、于力及加速度的測量。 （動態(tài)力測量）6.半導體型傳感器u 半導體型傳感器是利用半導體的壓阻效應、內(nèi)光電效應、電磁效應及半導體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。u 半導體型傳感器主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。7. 諧振式傳感器u 諧振式傳感器是利用改變電或機械固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成。u 主要用來測量壓力。8. 電化學式傳感器u 電化學式傳感器是以離子導電原理為基礎而制成。u 根據(jù)其電特性的形成不同，電化學傳感器可分為電位式傳感器、電導式傳感器、電量式傳感器、極譜（極化）式傳感器和電解式傳感器等。u 電化學式傳感器主要用于分析氣體成分、液體成分、溶于液體的固

12、體成分、液體的酸堿度、電導率及氧化還原電位參數(shù)的測量。9、其他分類方法u 按能量分類有源傳感器和無源傳感器；u 按輸出信號的性質(zhì)分類模擬式和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，便于與計算機聯(lián)用，且抗干擾性較強，例如盤式角度數(shù)字傳感器，光柵傳感器等。u 本書主要是按被測量分類編寫的，適當加以工作原理的分析，重點講述各種傳感器的用途，使讀者學會使用傳感器，進一步去開發(fā)新型傳感器。1.5 傳感器的命名及代號1.5.1 傳感器命名法的構成 傳感器產(chǎn)品的名稱，應由主題詞及四級修飾語構成。（1）主題詞傳感器。（2）第一級修飾語被測量，包括修飾被測量的定語。（3）第二級修飾語轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”

13、字。（4）第三級修飾語特征描述，指必須強調(diào)的傳感器結(jié)構、性能、材料特征、敏感元件及其他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。（5）第四級修飾語主要技術指標（量程、精確度、靈敏度等）。 本命名法在有關傳感器的統(tǒng)計表格、圖書索引、檢索以及計算機漢字處理等特殊場合使用。例1 傳感器，絕對壓力，應變式，放大型，13500kPa；例2 傳感器，加速度，壓電式，20g。 在技術文件、產(chǎn)品樣書、學術論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱應采用與上述相反的順序。例1 13500kPa放大型應變式絕對壓力傳感器；例2 20g壓電式加速度傳感器。1.5.2 傳感器代號的標記方法u 一般規(guī)定用大寫漢字拼音字母和

14、阿拉伯數(shù)字構成傳感器完整代號。u 傳感器完整代號應包括以下四個部分：（1）主稱（傳感器）；（2）被測量；（3）轉(zhuǎn)換原理；（4）序號。四部分代號格式為：在被測量、轉(zhuǎn)換原理、序號三部分代號之間有連字符“-”連接。例1：應變式位移傳感器，代號為：CWY-YB-10；例2：光纖壓力傳感器，代號為：CY-GQ-1；例3：溫度傳感器，代號為：CW-01A；例4：電容式加速度傳感器，代號為：CA-DR-2。u 有少數(shù)代號用其英文的第一個字母表示，如加速度用“A”表示。1.6 傳感器的基本特性u 傳感器的基本特性，即輸入輸出特性u 靜態(tài)特性-被測量不隨時間變化或隨時間變化緩慢時輸入與輸出間的關系。u 動態(tài)特性-被測量隨時間快速變化時傳感器輸入與輸出間的關系。靜態(tài)測量：緩慢變化