傳感器及其一般特性

1、傳感器及傳感器的一般特性cdl目錄1.11.1傳感器基本概念1.21.2傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系2.12.1傳感器的組成和分類2.22.2傳感器技術(shù)特點(diǎn)2.32.3傳感器發(fā)展趨勢2.42.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2.52.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)3.13.1傳感器的數(shù)學(xué)模型和特性3.23.2傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.1傳感器基本概念什么是傳感器？通常能將把被測物理量、化學(xué)量或者生物量轉(zhuǎn)化為與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的裝置稱為傳感器?？梢詮囊韵氯矫胬斫猓?傳感器的作用體現(xiàn)在測量上，傳感器的目的即是獲取被測量；.傳感器的工作原理體現(xiàn)在敏感元件上，其能感受或者響應(yīng)被測量，是傳感器技術(shù)的核心；.傳感器的輸出信號(hào)形式體現(xiàn)在

2、電信號(hào)上，非電量轉(zhuǎn)化為電量，微弱電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可用電信號(hào)；傳感器由于應(yīng)用場合和領(lǐng)域不同，也叫做變換器、換能器、轉(zhuǎn)換器、變送器、發(fā)送器或者探測器。1.2傳感器與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系物聯(lián)網(wǎng)英文名稱：The Internet of Things.我的簡單理解：萬物互聯(lián)，感知世界。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎(chǔ)，傳感器可用于高溫、高壓、輻射等惡劣環(huán)境，以及微弱磁、離子、射線等人類無法親身感知的信息；傳感器傳感器人類感官人類感官光敏傳感器視覺聲敏傳感器聽覺氣敏傳感器嗅覺化學(xué)傳感器味覺壓敏、溫敏、流體傳感器觸覺傳感器是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中需求量最大和最為基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)之一。傳感器 電五官2.1傳感器的組成和分類敏感元件：直接感受

3、被測量，并輸出與被測量有確定關(guān)系的物理量；轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電路參量；測量電路：將轉(zhuǎn)換元件的電路參量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)一般都很微弱，一般要配以測量電路、輔助電源，測量電路一般為放大補(bǔ)償電路（運(yùn)放電路）；并不是所有的傳感器都能明顯區(qū)分出敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，二者可能合一，如熱電偶，被測量的溫度變化可直接由其轉(zhuǎn)換成微弱電勢。敏感元件轉(zhuǎn)換元件測量電路輔助電源被測量電信號(hào)傳感器組成：2.1傳感器的組成和分類傳感器分類：傳感器分類方法繁多，這里介紹按照被測量分類： 物理量 傳感器 力學(xué)量壓力傳感器、力傳感器、力矩傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、

4、位置傳感器、尺度傳感器、密度傳感器、粘度傳感器、硬度傳感器、濁度傳感器 熱學(xué)量溫度傳感器、熱流傳感器、熱導(dǎo)率傳感器 光學(xué)量可見光傳感器、紅外光傳感器、紫外光傳感器、照度傳感器、色度傳感器、圖像傳感器、亮度傳感器 磁學(xué)量磁場強(qiáng)度傳感器、磁通傳感器 電學(xué)量電流傳感器、電壓傳感器、電場強(qiáng)度傳感器 聲學(xué)量聲壓傳感器、噪聲傳感器、超聲波傳感器、聲表面波傳感器 射線x射線傳感器、射線傳感器、射線傳感器、輻射劑量傳感器 化學(xué)量 傳感器離子傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器 生理量 傳感器 生物量體壓傳感器、脈搏傳感器、心音傳感器、體溫傳感器、血流傳感器、呼吸傳感器、血容量傳感器、體電圖傳感器 生化

5、量酶式傳感器、免疫血型傳感器、微生物型傳感器、血?dú)鈧鞲衅?、血液電解質(zhì)2.1傳感器的組成和分類傳感器分類：按敏感材料分類：1、半導(dǎo)體傳感器（硅、鍺、硒等,以硅、鍺應(yīng)用最廣）；2、陶瓷傳感器；3、光導(dǎo)纖維傳感器；4、金屬傳感器；按能量分類：1、無源傳感器（能量控制型傳感器，僅對(duì)傳感器中的能量起到控制或調(diào)節(jié)作用，不可直接轉(zhuǎn)換能量形式）；2、有源傳感器（將一種能量直接轉(zhuǎn)換為另一種能量，一般是將非電量轉(zhuǎn)換為電量）；按應(yīng)用范圍分類：工業(yè)、民用、醫(yī)用、軍用等。2.2傳感器的技術(shù)特點(diǎn)傳感器技術(shù)包括：研究、設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、檢測、應(yīng)用等；技術(shù)特點(diǎn)：1.內(nèi)容離散、涉及多個(gè)學(xué)科； 涉及物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、材料、

6、電子、通信等多個(gè)學(xué)科；2.種類繁多，彼此相互獨(dú)立； 被測參數(shù)之間相互獨(dú)立，熱工量（溫度、壓力、流量、物位等），電工量（電壓、電流、功率等），機(jī)械量（力、力矩、位移、速度、加速度、角速度、轉(zhuǎn)角、振動(dòng)等），化學(xué)量（氧、氫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等），物理量（光、磁、聲、射線等），生物量（血壓、心率、肌肉張力等）、狀態(tài)量（開關(guān)、二維三維圖形等）；3.知識(shí)密集，學(xué)科邊緣性強(qiáng)； 結(jié)合了物理學(xué)、化學(xué)、生物工程、精密機(jī)械、微電子學(xué)、材料科學(xué)、微細(xì)加工、試驗(yàn)測量等； 學(xué)科中一旦有新發(fā)現(xiàn)，可迅速應(yīng)用于傳感器，具有學(xué)科邊緣性；2.2傳感器的技術(shù)特點(diǎn)4.技術(shù)復(fù)雜，工藝要求高； 涉及到集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、超導(dǎo)技

7、術(shù)、微細(xì)納米加工、粘合技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)、多功能化和智能技術(shù)等； 工藝上主要體現(xiàn)在尺寸、精度、量程等參數(shù)，提高了制造工藝要求；5.性能穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)； 高可靠、穩(wěn)定、高重復(fù)性、低遲滯、寬量程、快響應(yīng)； 耐高低溫、高壓、抗干擾、耐腐蝕、防爆、安裝維護(hù)便利6.應(yīng)用廣泛、要求千差萬別； 航天、航空、兵器、船舶、機(jī)械、電子、化工、醫(yī)療、生物工程等皆有需求； 有的要求通用性強(qiáng)，有的要求專業(yè)性強(qiáng)，有的要求高精度； 2015年工博會(huì)上我看到一款測量心率及人體姿態(tài)的穿戴傳感器，因走醫(yī)療路線，其很大一部分成本耗費(fèi)在了材料（耐汗?jié)n腐蝕，無毒無污染）和醫(yī)療應(yīng)用許可申請上；2.3發(fā)展趨勢1.發(fā)現(xiàn)新原理

8、； 與行業(yè)最前沿，也可能比較邊緣的技術(shù)有關(guān)系，可多關(guān)注相關(guān)學(xué)科最新的科研動(dòng)態(tài)；2.開發(fā)新材料； 傳感器領(lǐng)域開發(fā)的新材料包括半導(dǎo)體硅材料、石英晶體材料、功能陶瓷材料、光纖、高分子聚合物等；3.采用新工藝； 主要體現(xiàn)在微機(jī)械加工工藝； .平面電子加工工藝，如光刻、擴(kuò)散、沉積、氧化； .選擇性三維刻蝕技術(shù)； .固相鍵合工藝，如SI-SI鍵合，實(shí)現(xiàn)硅一體化結(jié)構(gòu)； .機(jī)械切割工藝，如分離切斷技術(shù)，避免損傷； .整體封裝工藝，將傳感器封裝于一個(gè)密閉腔體，隔離外界干擾；一、傳感器新原理、新材料、新工藝的發(fā)展趨勢2.3發(fā)展趨勢1.傳感器微型化； 體積小、重量輕、尺寸為微納米級(jí)；2.傳感器多功能； 是指能檢測兩

9、種及以上的被測量； 例如使用特殊陶瓷將溫度和濕度敏感元件集成在一起，構(gòu)成溫濕度傳感器，美國honeywell研制的ST-3000智能壓力傳感器，在3*4*0.2mm的基片上采用半導(dǎo)體工藝，將靜壓、差壓、溫度三種敏感元件與處理系統(tǒng)集成，可測量三種被測量；3.集成化； 包含傳感器與集成電路（IC）的集成制造技術(shù)，以及多參量的集成制造技術(shù)，縮小了傳感器的體積，提高了抗干擾能力。二、傳感器微型化、多功能、集成化的趨勢此外傳感器還有智能化、多融合、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)/ /衛(wèi)星衛(wèi)星匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)管理節(jié)點(diǎn)用戶用戶檢測區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn) 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)既具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終

10、端功能，即可以進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理，還具有路由器的功能，對(duì)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理，協(xié)同完成一些任務(wù)； 匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，既連接傳感器網(wǎng)絡(luò)，又與外部網(wǎng)絡(luò)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種通信協(xié)議棧之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)帶有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)單獨(dú)的通信模塊； 管理節(jié)點(diǎn)一般為普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置、管理，發(fā)布檢測任務(wù)、收集數(shù)據(jù)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等。2.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 1.自組織、無中心網(wǎng)絡(luò)； 沒有控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等（對(duì)等網(wǎng)絡(luò)），節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)加入和撤離網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗

11、毀性； 2.動(dòng)態(tài)性、多跳網(wǎng)絡(luò)； 節(jié)點(diǎn)可能死亡，也可能產(chǎn)生新的節(jié)點(diǎn)，所以網(wǎng)絡(luò)要具有可調(diào)性和重構(gòu)性；由于移動(dòng)終端的發(fā)射功率和覆蓋范圍有限，所以與覆蓋范圍之外的終端進(jìn)行通信，需要借助中間節(jié)點(diǎn)，多跳路由是由普通節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成，而非專門路由； 3.硬件資源有限； 每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是信息的發(fā)起者，作為中間節(jié)點(diǎn)時(shí)又是轉(zhuǎn)發(fā)者，傳統(tǒng)的Internet協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)開銷太大，需新的簡單有效的通信協(xié)議； 4.能量受限； 如何在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)省能源，最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題之一； 2.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 5.大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)； 為了減少測量盲區(qū)，提高精確度，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)非常密集，因此需要大規(guī)模、冗余的嵌入

12、式設(shè)備協(xié)同工作； 6.以數(shù)據(jù)為中心； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要關(guān)心某個(gè)區(qū)域的參數(shù)指標(biāo)，而不是某個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)； 7.無人值守； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，每個(gè)接地需要自帶或者自主產(chǎn)生電能； 8.易受物理環(huán)境影響； 無線傳感器隨著環(huán)境的變化而變化，因此要求其具有動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性； 3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型和特性傳感器一般分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性；輸入不隨時(shí)間變化，稱為傳感器的靜態(tài)特性，輸入量隨時(shí)間變化，稱為動(dòng)態(tài)特性；一、靜態(tài)模型及靜態(tài)特性nnxx.xy2210y:輸出量；x:輸入量；0：零位輸出；1:傳感器的線性靈敏度，常用K或者S表示；2 n：傳感器的非線性項(xiàng)的待定常熟；以上公式不考慮遲滯和蠕變效應(yīng)

13、；3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型和特性靜態(tài)特性包括：1.線性度： 指傳感器的輸出量與輸入量之間的線性程度。 如果傳感器是理想線性的，可得線性方程：x1y實(shí)際傳感器大多是非線性的，常用線性度來表示其非線性程度，指傳感器輸出量與輸入量之間實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度；%100yyF.SmaxLymax：實(shí)際關(guān)系曲線與擬合曲線的最大偏差；yF.S：滿量程輸出；L：線性度；實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻的刻度讀書，常用一條擬合直線近似代替實(shí)際特性曲線，擬合直線的選取有很多種方法，如最小二乘法等。3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型和特性2.靈敏度： 穩(wěn)態(tài)下，輸出增量y與輸入增量x的比值，常用K表示：如果傳感器為線性，靈敏度

14、K為常數(shù)；非線性時(shí)K為變量；xyK3.遲滯： 傳感器在輸入量由小到大再由大到小的變化器件， 輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯：%100yHF.SmaxHHmax：正反行程輸出量最大偏差；yF.S：滿量程輸出值；H：遲滯誤差；3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型和特性4.重復(fù)性： 輸入量按同一方向做全程連續(xù)多次變化時(shí)，特性曲線不一致的程度， H 表示；5.精度： 指測量結(jié)果的可靠程度，是指量程內(nèi)最大基本誤差與量程的百分比；RLH%100yyF.Smaxmax：最大基本誤差；yF.S：滿量程輸出值；線性度和遲滯表示系統(tǒng)誤差，重復(fù)性代表隨即誤差；3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型和特性6.分辨力： 是指傳感器能夠檢測到

15、的輸入量最小變化的能力，可觀察出輸出變化的 最小輸入量變化值；7.漂移： 主要包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移；8.測量范圍與量程： 傳感器測量范圍的上限值與下限值之差稱為傳感器的行程；3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型和特性二、動(dòng)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)模型是指在動(dòng)態(tài)信號(hào)的作用下，傳感器輸出量y(t)與輸入量x(t)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。用微分方程、傳遞函數(shù)和頻率特性表示。動(dòng)態(tài)特性：1.衡量階躍響應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)； 傳感器突然加載或者突然卸載屬于階躍輸入，這種方法既簡單易行， 又能揭示傳感器的動(dòng)態(tài)特性，故常常使用。2.典型階躍響應(yīng)； 傳感器輸入輸出關(guān)系可用零階、一階、二階微分方程表示，傳感器分 別稱為零階傳感器、一階傳感器和二階傳感器。3.衡量頻率響應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)； 傳感器的頻率特性用幅頻特性和相頻特性表示。3.2傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)對(duì)新研制或者新生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行全面的技術(shù)檢定，稱為標(biāo)定；將傳感器在使用中或者使用后進(jìn)行的性能復(fù)測，稱為校準(zhǔn)；靜態(tài)標(biāo)定：環(huán)境要求：1.溫度在15-25；2.相對(duì)濕度不大于85%；3.大氣壓力 為0.1MPa；4.無加速度、無振動(dòng)、無沖擊。對(duì)標(biāo)定設(shè)備的要求：標(biāo)定設(shè)備和被標(biāo)定傳感器系統(tǒng)誤差較小或可以補(bǔ)償，只考慮隨機(jī)誤差時(shí)，要求標(biāo)定設(shè)備的隨機(jī)誤差為小于等于被標(biāo)定傳感器隨機(jī)誤差的1/3；標(biāo)定設(shè)備和被標(biāo)定