第1章傳感器的基本概念

1、第第1章傳感器的基本概念章傳感器的基本概念宋玉宏2009年秋主要內(nèi)容主要內(nèi)容概述概述傳感器的分類傳感器的分類傳感器的基本性能傳感器的基本性能科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對傳感器性能的要求科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對傳感器性能的要求智能傳感器系統(tǒng)智能傳感器系統(tǒng)一、概述：引子一、概述：引子人的感覺來自五官人的感覺來自五官l視覺可以感覺到物體的形狀、大小和顏色視覺可以感覺到物體的形狀、大小和顏色l聽覺可以感覺到聲音聽覺可以感覺到聲音l嗅覺可以感覺到氣味嗅覺可以感覺到氣味l味覺可以感覺到酸、甜、苦、辣味覺可以感覺到酸、甜、苦、辣l觸覺可以感覺到冷熱觸覺可以感覺到冷熱當(dāng)外界刺激通過五官及神經(jīng)傳到人的大腦當(dāng)外界刺激通過五官及神經(jīng)傳

2、到人的大腦時，由大腦進(jìn)行處理，并指揮四肢作出相時，由大腦進(jìn)行處理，并指揮四肢作出相應(yīng)的反映應(yīng)的反映AlBO狗可以模擬出狗的各種，表情和性格，讓很多愛寵物的人都非常喜歡。一、概述：一、概述：1、傳感器與敏感元件、傳感器與敏感元件什么是傳感器？什么是傳感器？Transducer是將感受到的外界信息，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換是將感受到的外界信息，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成所需的有用信息的裝置。成所需的有用信息的裝置。獲取的信息可以是各種物理量、化學(xué)量和生物獲取的信息可以是各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也有各種形式。例如：電、量，而轉(zhuǎn)換后的信息也有各種形式。例如：電、光、溫度、聲、位移、壓力等物理量可

3、以通過光、溫度、聲、位移、壓力等物理量可以通過傳感器相互轉(zhuǎn)換。通常是將非電量或電量轉(zhuǎn)換傳感器相互轉(zhuǎn)換。通常是將非電量或電量轉(zhuǎn)換成易于處理和傳輸?shù)碾娏?。成易于處理和傳輸?shù)碾娏?。一、概述：一、概述?、傳感器與敏感元件、傳感器與敏感元件能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換輸入量輸入量輸出量輸出量電量（便于傳輸、電量（便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示）轉(zhuǎn)換、處理、顯示）物理量、化學(xué)物理量、化學(xué)量、生物量等量、生物量等一、概述：一、概述：1、傳感器與敏感元件、傳感器與敏感元件傳感器的組成傳感器的組成 敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量；轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的量成確定關(guān)

4、系的物理量；轉(zhuǎn)換元件把敏感元件的輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量；上述電路輸出作為它的輸入，轉(zhuǎn)換成電路參量；上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。被測量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路1.一、概述：一、概述：1、傳感器與敏感元件、傳感器與敏感元件直接感受被測量直接感受被測量轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量參數(shù)敏感元件的輸出作敏感元件的輸出作為轉(zhuǎn)換元件的輸入為轉(zhuǎn)換元件的輸入被測量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路1.一、概述：一、概述：1、傳感器與敏感元件、傳感器與敏感元件從信息技術(shù)的角度看，傳感器是獲取和轉(zhuǎn)換信息從信息技術(shù)的角度看，傳感器是獲取和轉(zhuǎn)換信息的一

5、種工具，這些信息包括電、磁、光、聲、熱、的一種工具，這些信息包括電、磁、光、聲、熱、力、位移、振動、流量、濕度、濃度、成分等。力、位移、振動、流量、濕度、濃度、成分等。傳感器的核心部件是敏感元件，它是傳感器中用傳感器的核心部件是敏感元件，它是傳感器中用來感知外界信息和轉(zhuǎn)換有用信息的元件。來感知外界信息和轉(zhuǎn)換有用信息的元件。注意：注意：敏感元件是構(gòu)成傳感器的敏感元，但同一敏感元件是構(gòu)成傳感器的敏感元，但同一敏感元件因裝置不同可以構(gòu)成為不同的傳感器！敏感元件因裝置不同可以構(gòu)成為不同的傳感器！同一功能的傳感器可由不同的敏感元件構(gòu)成！同一功能的傳感器可由不同的敏感元件構(gòu)成！想一想想一想，能舉出例子嗎？

6、，能舉出例子嗎？一、概述：一、概述：2、傳感器與計量測試技術(shù)、傳感器與計量測試技術(shù)傳感器是計量測試的前沿環(huán)節(jié)。傳感器是計量測試的前沿環(huán)節(jié)。沒有傳感器對原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的沒有傳感器對原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的采集和轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確、可靠的計量測試就無采集和轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確、可靠的計量測試就無從談起。從談起。一、概述：一、概述：3、傳感器與計算機(jī)、傳感器與計算機(jī)傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成電量，再把模擬信傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成電量，再把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過計算機(jī)的處理，號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過計算機(jī)的處理，計算機(jī)發(fā)出各種控制命令。計算機(jī)發(fā)出各種控制命令。測控系統(tǒng)與人相比，計算機(jī)相當(dāng)于人的大測控系統(tǒng)與人相比

7、，計算機(jī)相當(dāng)于人的大腦，傳感器就相當(dāng)于人的五官，執(zhí)行機(jī)構(gòu)腦，傳感器就相當(dāng)于人的五官，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就相當(dāng)于人的四肢。就相當(dāng)于人的四肢。一、概述：一、概述：4、傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域、傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域航空、航天方面，大型飛機(jī)的自動駕駛航空、航天方面，大型飛機(jī)的自動駕駛?cè)嗽煨l(wèi)星的遙感、遙測人造衛(wèi)星的遙感、遙測工業(yè)生產(chǎn)，自動化流水線工業(yè)生產(chǎn)，自動化流水線消費(fèi)電子，高檔相機(jī)等消費(fèi)電子，高檔相機(jī)等家用電器，全自動洗碗機(jī)、洗衣機(jī)等家用電器，全自動洗碗機(jī)、洗衣機(jī)等.電阻式遠(yuǎn)傳壓力表感應(yīng)式流量表稱重傳感器CCD傳感器質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器壓阻式液位傳感器光敏傳感器溫度傳感器風(fēng)力參數(shù)傳感器地震檢波器反射式光敏傳感器磁、氣、力

8、敏傳感器超聲傳感器光電煙感探測器光電煙感探測器智能清潔機(jī)器人智能清潔機(jī)器人無繩 自動行走不掉下樓梯不碰傷家具可進(jìn)入沙發(fā)底下 大容量收塵盒 易裝卸清潔滾刷 二、傳感器的分類：二、傳感器的分類：1、按照被測量的性質(zhì)、按照被測量的性質(zhì)機(jī)械（力學(xué)）量傳感器機(jī)械（力學(xué)）量傳感器l位移、力、速度、加速度、重量、幾何尺寸等位移、力、速度、加速度、重量、幾何尺寸等熱工量傳感器熱工量傳感器l溫度、壓力、流量、液位、物位等溫度、壓力、流量、液位、物位等化學(xué)量傳感器化學(xué)量傳感器l濃度、黏度、濕度、酸堿度（濃度、黏度、濕度、酸堿度（PH值）、氣體值）、氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分等化學(xué)成分、液體化學(xué)成分等生物量傳感器生

9、物量傳感器l血糖、血壓、酶等傳感器血糖、血壓、酶等傳感器擦傷傳感器擦傷傳感器l表面探傷、材料內(nèi)部裂紋或缺陷、材質(zhì)判別等表面探傷、材料內(nèi)部裂紋或缺陷、材質(zhì)判別等二、傳感器的分類：二、傳感器的分類：2、構(gòu)成原理、構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型物性型物性型二、傳感器的分類：二、傳感器的分類：2、構(gòu)成原理、構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型利用物理學(xué)中場的定律構(gòu)成的，包括動力場的運(yùn)動定律，電磁場的電磁定律等。物理學(xué)中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數(shù)學(xué)模型。這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎(chǔ)，而不是以材料特性變化為基礎(chǔ)。二、傳感器的分類：

10、二、傳感器的分類：2、構(gòu)成原理、構(gòu)成原理物性型物性型利用物質(zhì)定律構(gòu)成的,如虎克定律、歐姆定律等。物質(zhì)定律是表示物質(zhì)某種客觀性質(zhì)的法則。這種法則，大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出。這些常數(shù)的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不同而異。如，光電管，它利用了物質(zhì)法則中的外光電效應(yīng)。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關(guān)系。又如，所有半導(dǎo)體傳感器，以及所有利用各種環(huán)境變化而引起的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。 二、傳感器的分類：二、傳感器的分類：3、按照輸出量的性質(zhì)、按照輸出量的性質(zhì)參量型，能量控制型參量型，能量控制型電量式，能量轉(zhuǎn)換

11、型電量式，能量轉(zhuǎn)換型二、傳感器的分類：二、傳感器的分類：3、按照輸出量的性質(zhì)、按照輸出量的性質(zhì)參量型，能量控制型參量型，能量控制型在信息變化過程中，傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調(diào)制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運(yùn)信息而形成輸出信號，這類傳感器必須由外部提供激勵源。這類傳感器輸出是非源的電參量，包括電阻、電感、電容和頻率等。又可以分為電阻式（電位器、熱敏電阻、光敏電阻、壓敏電阻、磁敏電阻、氣敏電阻等）；電感式（自感、互感、壓磁、渦流等）；電容式二、傳感器的分類：二、傳感器的分類：3、按照輸出量的性質(zhì)、按照輸出量的性質(zhì)電量式，能量轉(zhuǎn)換型電量式，能量轉(zhuǎn)換型l傳感器將從被測對象獲取

12、的信息能量直接轉(zhuǎn)換成輸出信號能量，主要由能量變換元件構(gòu)成，它不需要外電源。l如基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動勢效應(yīng)、磁電式、壓電式等的傳感器都屬于此類傳感器。l因不需要電源，自身為有源的，故又稱為發(fā)電型傳感器二、傳感器的分類：二、傳感器的分類：4、按照機(jī)電耦合特性、按照機(jī)電耦合特性單向傳感器單向傳感器l在非電量的電測中，一般情況下輸入為機(jī)械量和在非電量的電測中，一般情況下輸入為機(jī)械量和熱工量，而輸出為電量，這是一種單向轉(zhuǎn)換傳感熱工量，而輸出為電量，這是一種單向轉(zhuǎn)換傳感器，是不可逆轉(zhuǎn)換的器，是不可逆轉(zhuǎn)換的雙向傳感器雙向傳感器l有的傳感器具有反向轉(zhuǎn)換功能，即輸入量為電量有的傳感器具有反向轉(zhuǎn)換功能，

13、即輸入量為電量時，可以輸出機(jī)械量或熱工量等。時，可以輸出機(jī)械量或熱工量等。l如動圈型電動式的速度傳感器，當(dāng)輸入量為振動如動圈型電動式的速度傳感器，當(dāng)輸入量為振動速度時，其輸出量為與之成正比的電壓；若此傳速度時，其輸出量為與之成正比的電壓；若此傳感器的線圈輸入一個電量，則輸出量為芯軸的運(yùn)感器的線圈輸入一個電量，則輸出量為芯軸的運(yùn)動，其幅值和頻率隨輸入量而變化。動，其幅值和頻率隨輸入量而變化。l如壓電陶瓷？如壓電陶瓷？三、傳感器的基本性能：三、傳感器的基本性能：1、精確度、精確度精確度是精密度和準(zhǔn)確度二者意義的總和精確度是精密度和準(zhǔn)確度二者意義的總和精度等級的概念非常重要精度等級的概念非常重要在工

14、程測試中為表示儀器測量結(jié)果的可靠在工程測試中為表示儀器測量結(jié)果的可靠程度引入一個表示儀器精度等級的概念，程度引入一個表示儀器精度等級的概念，用用A表示。表示。A通常是儀器在規(guī)定條件下其最大允許誤差通常是儀器在規(guī)定條件下其最大允許誤差y相對于儀器示值全程相對于儀器示值全程y的百分?jǐn)?shù)。的百分?jǐn)?shù)。三、傳感器的基本性能：三、傳感器的基本性能：2、輸入輸出特性、輸入輸出特性靈敏度（靈敏度（S）它表明傳感器在穩(wěn)態(tài)工作時輸出增量對輸入它表明傳感器在穩(wěn)態(tài)工作時輸出增量對輸入增量的比值即增量的比值即S y /X線性度線性度線性傳感器測出的輸入輸出曲線與某一規(guī)定線性傳感器測出的輸入輸出曲線與某一規(guī)定直線不吻合的程

15、度，稱為非線性誤差，或稱直線不吻合的程度，稱為非線性誤差，或稱為線性度為線性度三、傳感器的基本性能：三、傳感器的基本性能：2、輸入輸出特性、輸入輸出特性回滯回滯它指輸入量在進(jìn)程和回程時輸入輸出關(guān)系特它指輸入量在進(jìn)程和回程時輸入輸出關(guān)系特性不一致的程度性不一致的程度量程量程指傳感器測量上、下限值的范圍指傳感器測量上、下限值的范圍三、傳感器的基本性能：三、傳感器的基本性能：3、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性工作條件不變，工作性能在規(guī)定時間內(nèi)保工作條件不變，工作性能在規(guī)定時間內(nèi)保持不變的能力持不變的能力三、傳感器的基本性能：三、傳感器的基本性能：4、動態(tài)特性、動態(tài)特性頻響頻響是指傳感器能保持其各項性能指標(biāo)的情況是指

16、傳感器能保持其各項性能指標(biāo)的情況下，能工作的最高頻率或最低頻率下，能工作的最高頻率或最低頻率穩(wěn)定時間穩(wěn)定時間指從輸入信號階躍變化起、到輸出信號進(jìn)指從輸入信號階躍變化起、到輸出信號進(jìn)入并不再超過對最終穩(wěn)態(tài)值入并不再超過對最終穩(wěn)態(tài)值Ys規(guī)定的允差規(guī)定的允差區(qū)時的時間間隔區(qū)時的時間間隔三、傳感器的基本性能：三、傳感器的基本性能：5、可靠性、可靠性表示對于規(guī)定條件，在規(guī)定時間內(nèi)完成所表示對于規(guī)定條件，在規(guī)定時間內(nèi)完成所要求功能的能力。要求功能的能力。四、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對傳感器性能的要求四、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對傳感器性能的要求高性能高性能高靈敏度，高精確度、線性，再現(xiàn)性，高速響應(yīng)，高靈敏度，高精確度、線性，

17、再現(xiàn)性，高速響應(yīng)，互換性，無滯后現(xiàn)象等互換性，無滯后現(xiàn)象等高可靠性高可靠性長壽命，耐惡劣環(huán)境，遇到破壞時具有失效保險功長壽命，耐惡劣環(huán)境，遇到破壞時具有失效保險功能能小型化集成傳感器小型化集成傳感器將敏感元件與信號測量及處理電路都集成在同一芯將敏感元件與信號測量及處理電路都集成在同一芯片上，使檢測與信號處理一體化，從而使得整個傳片上，使檢測與信號處理一體化，從而使得整個傳感器體積小型化感器體積小型化四、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對傳感器性能的要求四、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對傳感器性能的要求多維化傳感器多維化傳感器利用電子掃描方法，把多個傳感器單元制作在一起，利用電子掃描方法，把多個傳感器單元制作在一起，使其可以識

18、別空間和復(fù)雜物體的狀態(tài)。如使其可以識別空間和復(fù)雜物體的狀態(tài)。如CCD圖像圖像傳感器傳感器智能化智能化是極為重要的發(fā)展方向是極為重要的發(fā)展方向利用最新原理開發(fā)新型傳感器利用最新原理開發(fā)新型傳感器利用新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)開發(fā)、研制新型傳利用新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)開發(fā)、研制新型傳感器。如機(jī)器人方面；宇宙、地球科學(xué)和海洋開發(fā)感器。如機(jī)器人方面；宇宙、地球科學(xué)和海洋開發(fā)等領(lǐng)域等領(lǐng)域五、智能傳感器系統(tǒng)：五、智能傳感器系統(tǒng)：1、概念、概念是一種帶有微處理器兼有檢測信息和信息處理功能的傳感器通過信號調(diào)理電路與微處理器賦予智能的結(jié)合且兼有檢測信息與信息處理功能的傳感器真正的“智能”必須具備學(xué)習(xí)、推理、感知、通信以及管理等功能五、智能傳感器系統(tǒng)：五、智能傳感器系統(tǒng)：2、特點(diǎn)、特點(diǎn)數(shù)據(jù)處理功能數(shù)據(jù)處理功能l進(jìn)行測量、自動采集數(shù)據(jù)、自動調(diào)零、自動平衡、自動標(biāo)定、自動校正、自動補(bǔ)償、自選量程自我診斷功能自我診斷功能l通過自檢，可以診斷有無故