傳感器基礎(chǔ)(傳感器定義、組成、靜態(tài)特性)

1、1基本概念基本概念 傳感器的應(yīng)用傳感器的定義與組成 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)與檢測(cè)23456 對(duì)人體的健康狀況進(jìn)行診斷需要進(jìn)行多種生理參數(shù)的測(cè)量。 國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功地開(kāi) 發(fā)出了用于測(cè)量近紅外組織血氧參數(shù)的檢測(cè)儀器。人類基因組計(jì)劃的研究也大大促進(jìn)了對(duì)酶、免疫、微生物、細(xì)胞、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和體液組份以及血?dú)狻⒀獕?、血流量、脈搏等傳感器的研究。醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)7傳感器與航空及航天傳感器與航空及航天航天航天8物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息。世界信

2、息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮9物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)組成物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)組成10傳感器的定義傳感器的定義 根據(jù)GB7665-2005傳感器通用術(shù)語(yǔ)的定義定義為：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 我國(guó)往往把“傳感器”和“敏感元件”等同使用1112 能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的定義的理解傳感器的定義的理解所謂傳感器是來(lái)自“感覺(jué)”一詞、傳感器技術(shù)屬現(xiàn)代高新技術(shù)（電五官） 13傳感器的特征參數(shù)傳感器的特征參數(shù)被測(cè)量被測(cè)量傳感器輸入量，是傳感器命名和分類的重要依據(jù)。輸出量輸出量含有原始信號(hào)，且為便

3、于接收與處理的信號(hào)形式。1415傳感器的組成傳感器的組成 傳感器一般由敏感元件 、 轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路）三部分組成15WWW.CQIST.COM （1）敏感元件：傳感器的核心部件，是感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。量，聲音的大小跟振幅成一種線性關(guān)系。（2）轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。（3）基本轉(zhuǎn)換電路：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)的電路。常用的電路有電橋、放大器。161718傳感器的分類傳感器的分類按被測(cè)量分類：根據(jù)輸入物理量的性質(zhì)進(jìn)行分類。具體可分為物理量、化學(xué)量、生物量三大

4、類。 傳感器的分類多種多樣，可按原理、被測(cè)量、材料、工藝、對(duì)象、應(yīng)用等進(jìn)行分類。 同時(shí)，傳感器的種類繁多，同一種被測(cè)量，可以用不同原理的傳感器來(lái)測(cè)量；而基于同一種傳感器原理或同一類技術(shù)，又可以制作多種被測(cè)量傳感器。18基本物理量基本物理量派生物理量派生物理量位移位移線位移線位移長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度等長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、不平度等角位移角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)等旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)等速度速度線速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量等速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量等角速度角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)等轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)等加速度加速度線加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等角加速度角加速

5、度角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力力壓力壓力重量、應(yīng)力、力矩等重量、應(yīng)力、力矩等時(shí)間時(shí)間頻率頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等溫溫 度度熱容量、氣體速度、渦流等熱容量、氣體速度、渦流等光光光通量與密度、光譜分布等光通量與密度、光譜分布等 傳感器按功能原理分類包括工作機(jī)理、能量種類、有無(wú)電源供電等。結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（如形狀、尺寸等）的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換， 從而檢測(cè)出被測(cè)量。如：電容式壓力傳感器。物性型傳感器是利用某些材料本身的物性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的變換，其主要是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性體等作為敏感材料的固態(tài)器件。按工作機(jī)理可分為結(jié)構(gòu)型（空間型）和物性型

6、（材料型）兩大類。20按敏感材料分類按敏感材料分類 陶瓷傳感器、半導(dǎo)體傳感器、金屬材料傳感器、高分子或電子聚合物傳感器、光纖傳感器、復(fù)合材料傳感器等。按加工工藝分類按加工工藝分類 厚薄膜傳感器、MEMS 傳感器、納米傳感器等。按傳感對(duì)象分類按傳感對(duì)象分類 地震傳感器、圖像傳感器、心電傳感器、呼吸傳感器、脈搏傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、水質(zhì)傳感器、血糖傳感器、輪胎傳感器等。按應(yīng)用領(lǐng)域分類按應(yīng)用領(lǐng)域分類 汽車傳感器、機(jī)器人傳感器、家電傳感器、環(huán)境傳感器、 氣象傳感器、海洋傳感器等21傳感器的特性傳感器的特性 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器的特性就是對(duì)

7、輸入輸出關(guān)系的描述，理想的特性是在任何情況下輸入與輸出都是一一對(duì)應(yīng)的。 可以衡量測(cè)量裝置性能的優(yōu)劣性。22傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性：輸入不隨時(shí)間變化或者變化極慢時(shí)（在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下），傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系。變換函數(shù)（靜態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型）變換函數(shù)（靜態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型） 變換函數(shù)反映傳感器輸入與輸出間的關(guān)系式， y=f(x) 其中x為輸入量，y為輸出量。23為測(cè)量（x）上限與下限的代數(shù)差。量程（滿量程輸入）24最小檢測(cè)量（分辨力） 指?jìng)鞲衅髂艽_切反映被測(cè)量的最低極限量 x，小于這個(gè)量的區(qū)域稱為死區(qū)。25最小檢測(cè)量(或感度)的影響因素：(1) 輸入的變動(dòng)量x在傳感器內(nèi)部被吸收

8、如：帶有螺紋或齒條傳遞的傳感器，由于螺紋和螺母間、齒輪和齒條間存在間隙，當(dāng)輸入變量x小于這一間隙時(shí)，便被傳感器內(nèi)部吸收。(2) 傳感器輸入、輸出端均存在噪聲干擾，x過(guò)小時(shí)，被外界噪聲所淹沒(méi)。26靈敏度 輸出（Y）變化量與相應(yīng)的輸入（x）變化量之比。27滯后性（回差）在輸入量作滿量程變化時(shí)，對(duì)于同一輸入量，傳感器的正、反行程輸出量之差。 在輸入量增加過(guò)程中測(cè)得的某一點(diǎn)輸出值，與在輸入減少過(guò)程測(cè)得的同一點(diǎn)值不一樣，這種現(xiàn)象稱為滯后。圖中曲線稱為滯環(huán)特性曲線。 28對(duì)滯后性的衡量，一般用滯環(huán)的最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比來(lái)表示，稱為滯環(huán)誤差 如果傳感器存在滯后性，則輸入與輸出就不能

9、保持一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此應(yīng)盡量使之變小。產(chǎn)生滯后性的原因主要是材料的物理性質(zhì)所造成的。滯后性（回差）29重復(fù)性重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全量程范圍內(nèi)連續(xù)變動(dòng)多次所得特性曲線的不一致性。 30線性度在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程（F.S）輸出值的百分比稱為線性度。 線性度： 擬合方法有基端線性擬合、最佳直線擬合和最小二乘法擬合。 31零點(diǎn)漂移傳感器無(wú)輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一段時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值），即為零點(diǎn)飄移，用百分比表示： 其中，y0為最大零點(diǎn)偏差（或相應(yīng)偏差）。 32在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，滿量程輸出僅隨時(shí)間的變化（y FS

10、 ） ，通常用滿量程的百分比來(lái)表示滿量程輸出漂移33溫度漂移由環(huán)境溫度變化引起的零點(diǎn)輸出變化，通常用單位溫度的滿量程輸出的百分比來(lái)表示。 34 由環(huán)境溫度變化所引起的滿量程輸出變化，通常用單位溫度的滿量程輸出的百分比來(lái)表示。熱滿量程輸出漂移35傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器動(dòng)態(tài)特性：傳感器的響應(yīng)特性。傳感器響應(yīng)：當(dāng)輸入信號(hào)隨時(shí)間變化時(shí)，輸出信號(hào)隨之變化的情況。3637常見(jiàn)傳感器圖片微加工加速度傳感器微加工加速度傳感器濕敏傳感器濕敏傳感器室外室外室內(nèi)室內(nèi)接近開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān) 安裝安裝 螺紋螺紋安裝法蘭安裝法蘭普通普通熱電偶熱電偶溫控溫控儀表儀表紫外線光電管紫外線光電管光敏電阻光敏電阻光敏二極

11、管光敏二極管紅外線輻射溫度計(jì)紅外線輻射溫度計(jì)集成集成IC IC 溫度測(cè)量溫度測(cè)量紅外檢測(cè)元件紅外檢測(cè)元件紅外檢測(cè)套件紅外檢測(cè)套件紅外報(bào)警器紅外報(bào)警器吸頂式紅外報(bào)警器吸頂式紅外報(bào)警器紅外傳感器應(yīng)用紅外傳感器應(yīng)用 自動(dòng)亮燈自動(dòng)亮燈 防盜報(bào)警防盜報(bào)警感應(yīng)范圍感應(yīng)范圍無(wú)線無(wú)線煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)警器 蜂鳴器蜂鳴器48傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)與檢測(cè)49傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖50 敏感元件是傳感器的核心元件，是用于感知物理、化學(xué)、生物等被測(cè)量、并將被測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出的電子元件敏感元件51 傳感器信號(hào)檢測(cè)處理電路就是傳感器的檢測(cè)調(diào)理電路（基本轉(zhuǎn)換電路）。 在傳感器信號(hào)檢測(cè)技術(shù)中， 通常將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)

12、， 以作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可識(shí)別的輸入信號(hào)，這就需要信號(hào)調(diào)理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)檢測(cè)處理電路52 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。隨著數(shù)字技術(shù)， 特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代傳感器、檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字信號(hào)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等） ，要使數(shù)字儀表傳感器能識(shí)別、處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換53 微控制器技術(shù)，在當(dāng)下的傳感器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用得非常的廣泛。在微控制器 MCU 中寫(xiě)入相應(yīng)的算法可以提高傳感器的整體測(cè)量質(zhì)量，如精度、分辨率、靈敏度、線性度、重復(fù)性等等。微控制器 MCU54 傳感器最終的測(cè)量結(jié)果需要輸出， 其輸出方式非常的多， 從大類上分為顯示和傳輸兩種輸出方