教學(xué)課件：《傳感器及RFID技術(shù)應(yīng)用》

1、 地位：專業(yè)必修課，專業(yè)5門核心課程之一，學(xué)時(shí)80（理論40學(xué)時(shí)+實(shí)訓(xùn)40學(xué)時(shí)），考試科目。主要培養(yǎng)傳感器及RFID的選型和應(yīng)用能力；先修課程為電路分析與應(yīng)用、電子技術(shù)分析與實(shí)踐、電工電子技能訓(xùn)練等課程，后續(xù)課程為單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)及應(yīng)用、畢業(yè)設(shè)計(jì)和頂崗實(shí)習(xí)等課程。1、課程性質(zhì)傳感器及RFID應(yīng)用2-1 知識(shí)目標(biāo)（1）會(huì)描述傳感器技術(shù)的發(fā)展；會(huì)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)； （2）會(huì)熟練分析典型傳感器的組成和基本工作原理； （3）會(huì)RFID的基礎(chǔ)知識(shí)；形成對(duì)傳感器及RFID應(yīng)用的基本認(rèn)識(shí)。2-2 技能目標(biāo) （1）會(huì)熟練選擇典型被測(cè)量的測(cè)量方法和傳感器； （2）會(huì)構(gòu)建常用傳感器測(cè)試電路；能對(duì)常

2、用基于傳感器的控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單維護(hù)維修。 （3）會(huì)使用RFID器件；會(huì)使用測(cè)量工具測(cè)試傳感器和RFID器件；2-3素質(zhì)目標(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生具有一定的創(chuàng)新思維能力；培養(yǎng)學(xué)生謙虛好學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度；培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真細(xì)致的工作態(tài)度；培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和良好的職業(yè)習(xí)慣。 2、課程目標(biāo)傳感器及RFID應(yīng)用項(xiàng)目一 認(rèn)識(shí)傳感器（6學(xué)時(shí)）項(xiàng)目二 力和壓力測(cè)量（4學(xué)時(shí)）項(xiàng)目三 溫度測(cè)量（6學(xué)時(shí)）項(xiàng)目四 氣體和濕度測(cè)量（4學(xué)時(shí)）項(xiàng)目五 位移檢測(cè)（4學(xué)時(shí)）項(xiàng)目六 轉(zhuǎn)速、流量檢測(cè)（4學(xué)時(shí)）項(xiàng)目七 位置檢測(cè)（2學(xué)時(shí)）項(xiàng)目八 RFID技術(shù)應(yīng)用（6學(xué)時(shí)）項(xiàng)目九 傳感器綜合應(yīng)用（2學(xué)時(shí)）復(fù)習(xí)（2學(xué)時(shí)）合計(jì)：理論40學(xué)時(shí)3、課程內(nèi)容傳感

3、器及RFID應(yīng)用1）本課程關(guān)鍵點(diǎn)：了解原理-掌握選擇傳感器的方法-學(xué)會(huì)應(yīng)用傳感器。2）學(xué)習(xí)資料網(wǎng)站：學(xué)會(huì)搜索、下載、閱讀傳感器/RFID技術(shù)資料。傳感器精品課程網(wǎng)站：42:8029/中國(guó)傳感器網(wǎng)：/ RFID世界網(wǎng)：/ 歐姆龍自動(dòng)化：/products/category/sensors/index.html霍尼韋爾中國(guó)：/sites/cn/Pages/home.aspx4、學(xué)習(xí)方法傳感器及RFID應(yīng)用項(xiàng)目一：認(rèn)識(shí)傳感器 傳感器及RFID應(yīng)用項(xiàng)目一 認(rèn)識(shí)傳感器傳感器的作用及應(yīng)用1傳感器的概念、分類與發(fā)展2傳感器技術(shù)基礎(chǔ)3了解傳感器的概念、用途、分類及應(yīng)用。學(xué)習(xí)傳感器的特性與指標(biāo)。知識(shí)要點(diǎn)能夠描述

4、什么是傳感器。知道傳感器選型的基本原則。技能要點(diǎn)項(xiàng)目目標(biāo)能夠列舉出3種以上在手機(jī)、汽車上應(yīng)用的傳感器。任務(wù)目標(biāo)傳感器是信息采集的首要部件。 人們?yōu)榱藦耐饨绔@得信息，必須借助于感覺器官。 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(duì)“五官”感受到的信息進(jìn)行加工、處理，從而調(diào)節(jié)人的行為活動(dòng)。 人們?cè)谘芯孔匀滑F(xiàn)象、規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中，有時(shí)需要對(duì)某一事物的存在與否作定性了解，有時(shí)需要進(jìn)行大量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)以確定對(duì)象的確切數(shù)據(jù)量值，所以單靠人的自身感覺器官的功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要借助于某種儀器設(shè)備來(lái)完成，這種儀器設(shè)備就是傳感器。傳感器是人類“五官”的延

5、伸，是信息采集系統(tǒng)的首要部件。一、傳感器的作用及應(yīng)用一）傳感器作用電量、非電量的測(cè)量 表征物質(zhì)特性及運(yùn)動(dòng)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?jī)深悺?電量：一般是指物理學(xué)中的電學(xué)量，例如電壓、電流、電阻、電容及電感等。 非電量：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。人類為了認(rèn)識(shí)物質(zhì)及事物的本質(zhì)，需要對(duì)物質(zhì)特性進(jìn)行測(cè)量，其中大多數(shù)是對(duì)非電量的測(cè)量。非電量不能直接使用一般的電工儀表和電子儀器進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)橐话愕碾姽x表和電子儀器只能測(cè)量電量，要求輸入的信號(hào)為電信號(hào)。 非電量需要轉(zhuǎn)化成與其有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測(cè)

6、量，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器。傳感器是獲取自然或生產(chǎn)中信息的關(guān)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(shù)的非電量電測(cè)方法，就是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)量技術(shù)。一、傳感器的作用及應(yīng)用一）傳感器作用 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱產(chǎn)業(yè)，分別充當(dāng)信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”，他們構(gòu)成了一個(gè)完整的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 在利用信息的過(guò)程中，首先要解決的問題就是獲取可靠、準(zhǔn)確信息，所以傳感器精度的高低直接影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精度，沒有性能優(yōu)良的傳感器，就沒有現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展。一、傳感器的作用及應(yīng)用一）傳感器作用一、傳感器

7、的作用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 在石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等加工工業(yè)中，傳感器在各自的工位上擔(dān)負(fù)著相當(dāng)于人們感覺器官的作用，它們每時(shí)每刻地按需要完成對(duì)各種信息的檢測(cè)，再把大量測(cè)得的信息傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，用以進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝管理與安全方面的控制。汽車生產(chǎn)零件傳送鋼鐵工業(yè)一、傳感器的作用及應(yīng)用一）傳感器作用 在石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等加工工業(yè)中，傳感器在各自的工位上擔(dān)負(fù)著相當(dāng)于人們感覺器官的作用，它們每時(shí)每刻地按需要完成對(duì)各種信息的檢測(cè)，再把大量測(cè)得的信息傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，用以進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝管理與安全方面的控制。石化生產(chǎn)機(jī)械加工零件傳送鋼鐵工業(yè)一、傳感器的作

8、用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 傳感器在汽車上的應(yīng)用已不只局限于對(duì)行駛速度、行駛距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度以及燃料剩余量等有關(guān)參數(shù)的測(cè)量，汽車安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置及汽車“黑匣子”等新設(shè)施上都應(yīng)用了傳感器。隨著汽車電子技術(shù)、汽車安全技術(shù)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳感器在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更為廣泛。一、傳感器的作用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 傳感器已在現(xiàn)代家用電器中得到普遍應(yīng)用，譬如，在電子爐灶、自動(dòng)電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、熱風(fēng)取暖器、風(fēng)干器、報(bào)警器、電熨斗、電風(fēng)扇、游戲機(jī)、電子驅(qū)蚊器、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照相機(jī)、電冰箱、彩色電視機(jī)、錄像

9、機(jī)、錄音機(jī)、收音機(jī)、電唱機(jī)及家庭影院等方面都得到了廣泛應(yīng)用。 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，增加監(jiān)控用的紅外報(bào)警、氣體檢測(cè)報(bào)警，將各種家電聯(lián)網(wǎng)，形成了智能家居系統(tǒng)。 一、傳感器的作用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 在機(jī)器人開發(fā)過(guò)程中，如何讓機(jī)器人“看”、“聽”、“行”、“取”甚至具有一定的智能分析能力，都離不開各種傳感器的應(yīng)用。 在全國(guó)、省市級(jí)的電子競(jìng)賽項(xiàng)目中，可以看到機(jī)器人足球賽，避障、循跡、滅火、生活機(jī)器人，這些機(jī)器人也采用了眾多傳感器。“勇氣號(hào)”火星探測(cè)車家庭服務(wù)機(jī)器人滅火機(jī)器人一、傳感器的作用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 應(yīng)用醫(yī)用傳感器可以對(duì)人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析

10、、脈波及心音、心腦電波等進(jìn)行高準(zhǔn)確度的診斷，如圖1-6所示。 除此以外，病人的監(jiān)護(hù)、管理也采用了基于RFID的跟蹤技術(shù)。 大型醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療監(jiān)控電子血壓計(jì)一、傳感器的作用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 為保護(hù)環(huán)境，防震減災(zāi)，利用傳感器制成的各種環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器正在發(fā)揮著積極的作用。如圖1-7（a）（b）（c）所示為三種利用傳感器制作的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器，如圖1-7（d）所示為音視頻生命探測(cè)儀，在地震后的搶救生命中被廣泛應(yīng)用。 （a）PM2.5檢測(cè)儀（d）生命探測(cè)儀（b）噪聲聲級(jí)計(jì)（c）核輻射檢測(cè)儀一、傳感器的作用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 為了解飛機(jī)或火箭的飛行軌跡，并把它們控制在預(yù)定的軌道上運(yùn)行，就要使用傳感器進(jìn)行速度

11、、加速度和飛行距離的測(cè)量，如圖1-8（a）。 要了解飛行器飛行的方向，就必須掌握它的飛行姿態(tài)，飛行姿態(tài)可以使用紅外水平線傳感器陀螺儀、陽(yáng)光傳感器、星光傳感器及地磁傳感器等進(jìn)行測(cè)量。如圖1-8所示為中國(guó)航天的兩大標(biāo)志性技術(shù)成果嫦娥一號(hào)（b）和神舟八號(hào)（c） 。（b）嫦娥一號(hào)（c）神舟八號(hào)飛船對(duì)接（a）飛機(jī)駕駛艙一、傳感器的作用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 所謂遙感技術(shù)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是從飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船及船舶上對(duì)遠(yuǎn)距離的廣大區(qū)域的被測(cè)物體及其狀態(tài)進(jìn)行大規(guī)模探測(cè)的一門技術(shù)。如圖1-9（a）所示為哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片。如圖1-9（b）所示為四川蘆山地震災(zāi)區(qū)衛(wèi)星地圖。如圖1-9（c）所示為珠峰衛(wèi)星遙感地圖

12、。（b）四川蘆山災(zāi)區(qū)遙感圖（c）珠峰遙感圖（a）哈勃望遠(yuǎn)鏡人馬座照片一、傳感器的作用及應(yīng)用二）傳感器應(yīng)用 隨著手越來(lái)越多的采用傳感器技術(shù)，其智能程度越來(lái)越高，請(qǐng)思考一下，我們的手機(jī)上使用了哪些傳感器？在此舉出3種： 、 、 。二、傳感器概念、分類、發(fā)展傳感器傳感器任務(wù) 傳感器技術(shù) 一）傳感器基本概念定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定的規(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、轉(zhuǎn)換元件和調(diào)理電路3部分組成。簡(jiǎn)單描述：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。 感知與測(cè)量。人造感官：工程傳感器。東漢末年張衡發(fā)明候風(fēng)地動(dòng)儀 涉及傳感（檢測(cè)）原理、傳感器件設(shè)計(jì)、傳感器開發(fā)和應(yīng)用的綜合技術(shù)，因此傳

13、感器技術(shù)涉及多學(xué)科交叉研究。 傳感器敏感元件構(gòu)成傳感器的核心，是指能直接感測(cè)或響應(yīng)被測(cè)量的部件。轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性袦y(cè)或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的部件，通常這種輸出信號(hào)以電量的形式出現(xiàn)。調(diào)理電路是把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于處理、控制、記錄和顯示的有用電信號(hào)所涉及的有關(guān)電路。二、傳感器概念、分類、發(fā)展二）傳感器構(gòu)成與分類二、傳感器概念、分類、發(fā)展二）傳感器構(gòu)成與分類分 類 法型 式說(shuō) 明按基本效應(yīng)物理,化學(xué),生物型分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名按構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型以其轉(zhuǎn)換元件結(jié)構(gòu)參數(shù)特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換物性型以其轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換按能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型

14、傳感器輸出量直接由被測(cè)量能量轉(zhuǎn)換而得能量控制型傳感器輸出量能量由外源供給,但受被測(cè)輸入量控制按作用原理應(yīng)變式,電容式,壓電式,熱電式等以傳感器對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用原理命名按輸入量分位移,壓力,溫度,流體,氣體等以被測(cè)量命名（即按用途分類法）按輸出量分模擬式輸出量為模擬信號(hào)數(shù)字式輸出量為數(shù)字信號(hào)二、傳感器概念、分類、發(fā)展三）傳感器發(fā)展趨勢(shì)傳感器發(fā)展趨勢(shì)高新技術(shù)MEMS微電子機(jī)械技術(shù)、納米技術(shù)新效應(yīng)新材料新要求微型微功耗微型化微功耗集成化、多功能化集成化多功能化智能化、數(shù)字化智能化數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化（有線、無(wú)線）三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)一）傳感器特性與指標(biāo)三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)一）傳感器特性與指標(biāo)1.傳感器的靜

15、態(tài)特性1）靜態(tài)特性描述 靜態(tài)特性表示傳感器在被測(cè)輸入量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系，研究靜態(tài)特性主要考慮其非線性、滯后、重復(fù)、靈敏度、分辨力等方面。 傳感器的輸出/輸入關(guān)系或多或少地存在非線性問題，在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等因素的情況下，其靜特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示：式中y為輸出量； x為輸入量； a0為零點(diǎn)輸出； a1為理論靈敏度； a2,a3an為非線性項(xiàng)系各項(xiàng)系數(shù)不同，決定了特性曲線的具體形式。靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)試獲得，在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的方法來(lái)線性化。顯然，選定的擬合直線不同，計(jì)算所得的線性度數(shù)值也就不同。選擇擬合直線應(yīng)保證獲得盡量小的非線性

16、誤差，并考慮使用與計(jì)算方便。理論直線法端點(diǎn)直線法最佳直線法三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)一）傳感器特性與指標(biāo)2）靜態(tài)特性參數(shù)1.線性度（Linearity）線性度又稱非線性度，是表征傳感器輸出輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線（作為工作直線）之間的吻合（或偏離）程度的指標(biāo)。通常用相對(duì)誤差來(lái)表示線性度或非線性誤差。2.靈敏度(Sensitivity)靈敏度是傳感器輸出量增量與被測(cè)輸入量增量之比，線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率，即 ，非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，應(yīng)以 表示。3.回差（滯后）(Hysteresis)回差是反映傳感器在正（輸人量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^(guò)程中輸出輸入曲線的不重合程度的指標(biāo)。通

17、常用正反行程輸出的最大差值Hmax計(jì)算，并以相對(duì)值表示。輸出平均值與擬合直線間的最大偏差理論滿量程輸出值線性傳感器：非線性傳感器：4.重復(fù)性(Repeatability)回差是反映傳感器在正（輸人量增大）反（輸入量減?。┲貜?fù)性是衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性越好。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)一）傳感器特性與指標(biāo)2）靜態(tài)特性參數(shù)5.分辨率(Resolution)分辨率是傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出的被測(cè)輸入量的最小變化量。有時(shí)用該值相對(duì)滿量程輸入值之百分?jǐn)?shù)表示，則稱為分辨力。7.穩(wěn)定性（Stability）又

18、稱長(zhǎng)期穩(wěn)定性，即傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過(guò)規(guī)定的時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來(lái)表示，有時(shí)也用標(biāo)定的有效期來(lái)表示。8.漂移（Drift)漂移指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測(cè)輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移（時(shí)漂）和溫度漂移（溫漂）。時(shí)漂是指在規(guī)定條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫漂為周圍溫度變化引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。9.靜態(tài)誤差（Precision）靜態(tài)誤差又稱精度，是評(píng)價(jià)傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標(biāo)，指?jìng)鞲衅髟跐M量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對(duì)其理論值的可能偏離

19、（逼近）程度。它表示采用該傳感器進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量時(shí)所得數(shù)值的不確定度。靜態(tài)誤差的計(jì)算是將非線性、回差、重復(fù)性誤差按幾何法綜合.靜態(tài)誤差的計(jì)算相對(duì)誤差表示靜態(tài)誤差6.閥值（Threshold）閾值是能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零位附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成所謂“死區(qū)”，則將死區(qū)的大小作為閾值；更多情況下閾值主要取決于傳感器的噪聲大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)一）傳感器特性與指標(biāo)10.精確度與精確度（精度）有關(guān)的指標(biāo)是精密度和準(zhǔn)確度。精確度是精密度和準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度表高示精密度和準(zhǔn)確度都高。在最簡(jiǎn)單的情況下，可以取二者

20、的代數(shù)和。精確度常用測(cè)量誤差的相對(duì)值表示。關(guān)于三者的關(guān)系如圖1-17所示，精密度高不一定準(zhǔn)確度高（a），準(zhǔn)確度高不一定精密度高（b），理想的情況是測(cè)量結(jié)果的精確度高（c）。（a）準(zhǔn)確度低而精密度高 （b）準(zhǔn)確度高而精密度低 （c）精確度高圖1-17 傳感器的精確度（1）精密度：說(shuō)明測(cè)量傳感器輸出值的發(fā)散性，即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，由同一個(gè)測(cè)量者，用同一個(gè)傳感器，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量結(jié)果的分散程度。例如，某測(cè)溫傳感器的精密度為0.5。精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高意味著隨機(jī)誤差小。（2）準(zhǔn)確度：說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如，某流量傳感器的準(zhǔn)確度為0.3m3/s，表

21、示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。 例：某溫度傳感器測(cè)量范圍為01000， 據(jù)工藝要求，測(cè)量誤差不允許超過(guò)7，應(yīng)如何選擇其精度才能滿足要求?儀表允許的最大引用誤差應(yīng)為：去掉“”與“”號(hào)，數(shù)值介于0.5、1.0級(jí)之間，若選擇1.0級(jí)，其允許誤差為1.0，超過(guò)工藝允許的最大誤差。儀表允許的最大引用誤差應(yīng)為選擇0.5級(jí)精度才能滿足要求。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)一）傳感器特性與指標(biāo)2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是反映傳感器隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。用傳感器測(cè)試動(dòng)態(tài)量時(shí)，希望它的輸出量隨時(shí)間變化的關(guān)系與輸入量隨時(shí)間變化的關(guān)系盡可能一致，以實(shí)現(xiàn)傳

22、感器對(duì)快速變化輸入量的快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠的檢測(cè)。但實(shí)際情況往往實(shí)現(xiàn)不了，因此需要研究它的動(dòng)態(tài)特性，也就是分析其動(dòng)態(tài)誤差。它包括兩部分：1）輸出量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后與理想輸出量之間的差別；2）當(dāng)輸入量發(fā)生躍變時(shí)，輸出量由一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài)中的誤差、由于實(shí)際測(cè)試時(shí)輸入量是千變?nèi)f化的，且往往事先并不知道，故工程上通常采用輸入“標(biāo)準(zhǔn)”信號(hào)函數(shù)的方法進(jìn)行分析，并據(jù)此確立若干評(píng)定動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)。常用的“標(biāo)準(zhǔn)”信號(hào)函數(shù)是正弦函數(shù)與階躍函數(shù)，下面將分析傳感器對(duì)正弦輸入的響應(yīng)（頻率響應(yīng)）和階躍輸入的響應(yīng)（階躍響應(yīng)）特性及性能指標(biāo)。在不考慮各種靜態(tài)誤差的條件下，可以用常系數(shù)線性微分方程描述單輸入x

23、、單輸出y傳感器動(dòng)態(tài)特性，以下為其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：設(shè)x(t)、y(t)的初始條件為零，對(duì)上式兩邊逐項(xiàng)進(jìn)行拉氏變換，可得傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)是拉氏變換算子S的有理分式，所有系數(shù)都是實(shí)數(shù)，這是由傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的。分子的階次m不能大于分母的階次n，這是由物理?xiàng)l件決定的。分母的階次用來(lái)代表傳感器的特征： n0時(shí)，稱為零階； n1時(shí)，稱一階； n2時(shí)，為二階； n更大時(shí)，為高階。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)一）傳感器特性與指標(biāo)2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性1）傳感器的頻率響應(yīng)特性傳感器的幅頻特性：傳感器的相頻特性：三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)一）傳感器特性與指標(biāo)2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性2）傳感器的階躍響應(yīng)特性當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單

24、位階躍信號(hào)時(shí)，其輸出信號(hào)稱為階躍響應(yīng)，如圖1-18所示。一階系統(tǒng)二階系統(tǒng)衡量階躍響應(yīng)的指標(biāo)有： （1）時(shí)間常數(shù) 傳感器輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值yc的63.2所需的時(shí)間。參見圖1-18（a）。（2）上升時(shí)間Tr 傳感器輸出值由穩(wěn)態(tài)值的10上升到90所需的時(shí)間，但有時(shí)也規(guī)定其他百分?jǐn)?shù)。參見圖1-18（b）。（3）響應(yīng)時(shí)間Ts 輸出值達(dá)到允許誤差范圍2所經(jīng)歷的時(shí)間，或明確為“百分之二響應(yīng)時(shí)間”。參見圖1-18（b）。（4）超調(diào)量a1 響應(yīng)曲線第一次超過(guò)穩(wěn)態(tài)值之峰高，即a1 =ymax+yc，或用相對(duì)值a=（ymax- yc）/ yc100表示。參見圖1-18（b）。（5）衰減率 指相鄰兩個(gè)波峰（或波谷）高

25、度下降的百分?jǐn)?shù)：=（anan2）/ an100。參見圖1-18（b）。（6）穩(wěn)態(tài)誤差ess 系無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間后傳感器的穩(wěn)態(tài)輸出值與目標(biāo)值之間偏差ss的相對(duì)值： ess=（ss / yc）100。參見圖1-18（b）。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)二）傳感器命名與代號(hào)1.傳感器的命名1）方法1傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞及四級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成，構(gòu)成順序（1）（5）。（1）主題詞傳感器。（2）第一級(jí)修飾語(yǔ)被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)。（3）第二級(jí)修飾語(yǔ)轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。（4）第三級(jí)修飾語(yǔ)特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、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(jí)修飾語(yǔ)

26、主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。說(shuō)明：本命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場(chǎng)合使用。例1：傳感器，絕對(duì)壓力，應(yīng)變式，放大型，13500kPa。例2：傳感器，加速度，壓電式，20g。2）方法2在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣書、學(xué)術(shù)論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱應(yīng)采用與方法1相反的順序。例1：13500kPa放大型應(yīng)變式絕對(duì)壓力傳感器。例2：20g壓電式加速度傳感器。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)二）傳感器命名與代號(hào)2.傳感器代號(hào)標(biāo)記方法一般規(guī)定用大寫漢字拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號(hào)。傳感器完整代號(hào)應(yīng)包括以下四個(gè)部分：（1）主稱（傳感器）；（2）被測(cè)量；（3

27、）轉(zhuǎn)換原理；（4）序號(hào)。四部分代號(hào)格式如圖1-19所示。在被測(cè)量、轉(zhuǎn)換原理、序號(hào)三部分代號(hào)之間有連字符“-”連接。例1：應(yīng)變式位移傳感器，代號(hào)為：CWY-YB-10。例2：光纖壓力傳感器，代號(hào)為：CY-GQ-1。例3：溫度傳感器，代號(hào)為：CW-01A。例4：電容式加速度傳感器，代號(hào)為：CA-DR-2。注意：有少數(shù)代號(hào)用其英文的第一個(gè)字母表示，如加速度用“A”表示。 三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)三）傳感器選型1.普通傳感器選型1）傳感器的類型選擇傳感器的類型選擇是根據(jù)具體測(cè)量工作決定的，這需要針對(duì)多方面的因素進(jìn)行分析后才能給出明確的答案。傳感器測(cè)量的對(duì)象對(duì)傳感器本身設(shè)計(jì)原理的選擇具有一定的決定作用。此外量

28、程的大小、測(cè)量的方式、信號(hào)的引出方法及傳感器本身的質(zhì)量和價(jià)格，也需要綜合考慮。2）靈敏度的選擇在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是：傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。此外，傳感器的靈敏度是有方向性的。3）根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感

29、器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：（1）量程的大??；（2）被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；（3）測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；（4）信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；（5）傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。 4）頻率響應(yīng)特性的選擇傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因此頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，

30、應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)確定響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)大的誤差。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)三）傳感器選型1.普通傳感器選型5）線性范圍的選擇 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。從以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。 6）穩(wěn)定性的選擇 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過(guò)使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。

31、 7）精度的選擇 精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中選擇傳感器要把握?。海?）根據(jù)實(shí)際需要，保證主要的參數(shù)。（2）不必盲目追求單項(xiàng)指標(biāo)的全面優(yōu)異，主要關(guān)心其穩(wěn)定性和變化規(guī)律性。思考：查閱相關(guān)的資料，看汽車水箱溫度控制選擇什么溫度傳感器（ ），水箱溫度控制范圍在7595，具有較高的性價(jià)比。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)三）傳感器選型2.工業(yè)傳感器選型1）測(cè)量范圍的選擇測(cè)量范圍的選擇

32、要根據(jù)被測(cè)變量的大小和變化范圍，留有充分的余地。測(cè)量穩(wěn)定變量，最大測(cè)量值不應(yīng)超過(guò)量程的2/3；測(cè)量脈動(dòng)變量，最大測(cè)量值不應(yīng)超過(guò)量程的1/2；一般被測(cè)變量最小值不應(yīng)低于傳感器量程的1/3。2）精度等級(jí)的選擇在工業(yè)測(cè)量中，為了便于表示儀表的質(zhì)量，通常用準(zhǔn)確度等級(jí)來(lái)表示儀表的準(zhǔn)確程度。準(zhǔn)確度等級(jí)就是最大引用誤差去掉正，負(fù)號(hào)及百分號(hào)。準(zhǔn)確度等級(jí)是衡量?jī)x表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一。我國(guó)工業(yè)儀表等級(jí)分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七個(gè)等級(jí)。關(guān)于測(cè)量誤差，按照其特點(diǎn)與性質(zhì)可以分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差（應(yīng)該剔除）。閱讀表1-3，分析圖1-17中所示的彈著點(diǎn)包含哪一類誤差。產(chǎn)生原

33、因誤差特征誤差處理系統(tǒng)誤差系統(tǒng)缺陷或環(huán)境因素誤差值恒定或有一定規(guī)律系統(tǒng)改進(jìn)或引入修正值隨機(jī)誤差大量偶然因素誤差值不定且不可預(yù)測(cè)多次測(cè)量取算術(shù)平均粗大誤差操作失誤測(cè)量值明顯偏離實(shí)際值剔除數(shù)據(jù)按照測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)可以分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。 如果真值為A0，指示值：Ax，儀表滿量程：AFs=Amax-Amin，則：絕對(duì)誤差：=Ax-A0 （1-16）相對(duì)誤差： rA =/A0*100% （1-17）例1：A010kg，x =10.1kg =0.1kg；rA=1% A0100kg，x =100.5kg =0.5kg；rA=0.5%例2：待測(cè)電壓70V，表（1）0.5級(jí)、0500V，表（2）1.0級(jí)、0

34、100V，通過(guò)計(jì)算說(shuō)明選用哪個(gè)表測(cè)量誤差較??？ 解：|m1| = 0.5% 500 =2.5伏 |m2| = 1.0% 100 =1伏 可見，應(yīng)選擇表（2）。三、傳感器技術(shù)基礎(chǔ)四）傳感器標(biāo)定1.傳感器標(biāo)定與校準(zhǔn)方法 利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)新研制或生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行全面的技術(shù)檢定和標(biāo)度，稱為標(biāo)定；對(duì)傳感器在使用中或儲(chǔ)存后進(jìn)行的性能復(fù)測(cè)，稱為校準(zhǔn)。 基本方法是：利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知的非電量，輸入到待標(biāo)定的傳感器中，然后將傳感器輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，獲得一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。 2.靜態(tài)標(biāo)定 指輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，對(duì)傳感器的靜態(tài)特性如靈敏度、非線性、滯后、重復(fù)性等指標(biāo)的檢定。3.動(dòng)態(tài)

35、標(biāo)定 對(duì)被標(biāo)定傳感器輸入標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)，測(cè)得輸出數(shù)據(jù)，做出輸出值與時(shí)間的關(guān)系曲線。由輸出曲線與輸入標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)比較可以標(biāo)定傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)、幅頻特性、相頻特性等。項(xiàng)目小結(jié)傳感器是把需要測(cè)量的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。傳感器在諸多的領(lǐng)域存在廣泛應(yīng)用，隨著科技進(jìn)步，傳感器技術(shù)也日新月異，改變、改善著我們的生活，傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“感知中國(guó)、智慧地球”的關(guān)鍵技術(shù)。在以后各個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)中，要注意學(xué)習(xí)每種傳感器的基本原理、掌握傳感器選型和應(yīng)用的知識(shí)和技能。思考練習(xí)1.什么是傳感器？2.列舉3個(gè)在日常生活中用到傳感器的實(shí)例。3.列舉在體育比賽中用到的傳感器。4.普通傳感器選型需要注意哪些問題？5.

36、要測(cè)量一個(gè)煉鐵高爐的爐溫，查閱相關(guān)資料選擇一種傳感器。（提示：某煉鐵高爐的溫度在400-1600度之間）6.2008年四川汶川，2010年青海玉樹，2013年四川廬山相繼發(fā)生了7級(jí)以上強(qiáng)地震，給災(zāi)區(qū)人民造成了極大的損失，從相關(guān)新聞報(bào)道來(lái)看，生命探測(cè)儀在搶險(xiǎn)救災(zāi)中起到了重要作用，挽救了很多人的生命。請(qǐng)查閱相關(guān)資料，完成5頁(yè)的一篇報(bào)告。內(nèi)容包含：1）生命探測(cè)儀原理概述。2）生命探測(cè)儀的組成框圖。3）生命探測(cè)儀使用簡(jiǎn)介。4）相關(guān)傳感器的技術(shù)手冊(cè)。休息一下！謝謝觀賞項(xiàng)目二：力和壓力測(cè)量 傳感器及RFID應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目二 力和壓力測(cè)量電阻應(yīng)變式傳感器1壓電式傳感器23 了解電阻應(yīng)變式、壓電式傳感器的基本結(jié)

37、構(gòu)；學(xué)習(xí)直流電橋的平衡條件，熟悉電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償法。知識(shí)要點(diǎn) 學(xué)會(huì)識(shí)別電阻應(yīng)變式傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握電阻應(yīng)變式、壓電式傳感器的使用方法。技能要點(diǎn)項(xiàng)目目標(biāo) 使用單片集成硅壓力傳感器MPX5100設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的壓力計(jì)。任務(wù)目標(biāo) ?現(xiàn)實(shí)中有哪些地方需要測(cè)力或壓力？汽車上汽車安全氣囊地磅醫(yī)療上：眼壓儀、血壓計(jì)定義和分類 力敏傳感器，顧名思義就是能對(duì)各種力或能轉(zhuǎn)化為力的物理量產(chǎn)生反應(yīng)，并能將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)的裝置或元件。 根據(jù)由力至電參數(shù)轉(zhuǎn)變的方式不同，力敏傳感器一般有電阻應(yīng)變式傳感器、電位計(jì)式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器等，它們也可用來(lái)測(cè)量壓力值。一、電阻應(yīng)變式傳感器一）什么是力

38、敏傳感器 1）應(yīng)變效應(yīng) 由物理學(xué)可知，電阻絲的電阻R與電阻絲的電阻率、導(dǎo)體長(zhǎng)度及截面積存在如下關(guān)系： （2-1） 當(dāng)電阻絲受到拉力作用時(shí)，長(zhǎng)度伸長(zhǎng) ，橫截面積收縮 ，電阻率變化 ，如圖2-1所示，此時(shí)電阻值變化 。圖2-1 電阻絲應(yīng)變效應(yīng)一、電阻應(yīng)變式傳感器二）電阻應(yīng)變式傳感器2）電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 金屬絲式電阻應(yīng)變片 分類： 金屬箔式應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變式傳感器二）電阻應(yīng)變式傳感器 將電阻應(yīng)變片粘貼于待測(cè)構(gòu)件上，應(yīng)變片電阻將隨構(gòu)件應(yīng)變而改變，將應(yīng)變片電阻接入相應(yīng)的電路中，使其阻值變化轉(zhuǎn)化為電流或電壓輸出，即可測(cè)出力值。通常將應(yīng)變片接入電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻至電壓或電流的轉(zhuǎn)換。根據(jù)電橋電源不同

39、，又分直流電橋和交流電橋。這里主要介紹直流電橋。 圖2-4一、電阻應(yīng)變式傳感器二）電阻應(yīng)變式傳感器一、電阻應(yīng)變式傳感器計(jì)算可知 （2-2） 若使此電橋平衡，即 ，只要 。一般我們?nèi)?即可實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)將 換成電阻應(yīng)變片，即組成半橋單臂電路，隨構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)變?cè)斐蓚鞲衅麟娮枳兓?時(shí)，式（2-2）變成 （2-3） 可見，輸出電壓與電阻變化率成線性關(guān)系，也即和應(yīng)變成線性關(guān)系，由此即可測(cè)出力值，由式（2-3）可得半橋單臂電路工作輸出的電壓靈敏度為： （2-4） 為了提高輸出電壓靈敏度，可以采用半橋或全橋電路，如圖2-5所示。圖2-5直流電橋的連接方式（a）半橋電路 （b）全橋電路 圖中 和 為電阻應(yīng)變片在構(gòu)件

40、上的對(duì)稱布置，“+”表示應(yīng)變片受拉力，“-” 表示應(yīng)變片受壓力。分別使用式（2-2）計(jì)算可得：對(duì)于半橋雙臂（2-5）對(duì)于全橋（2-6） 即半橋雙臂可使電壓靈敏度比半橋單臂提高一倍，而全橋電路電壓靈敏度又比半橋雙臂電壓靈敏度提高一倍?？梢?，利用全橋，并提高供電電壓E，可提高靈敏度系數(shù)。對(duì)于半橋單臂 （2-2） 例2-2 采用阻值為120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片和阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1 000時(shí)，試求單臂、雙臂和全橋工作時(shí)的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。解：，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)/V，所以應(yīng)變?yōu)?000時(shí)/V，

41、單臂:，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?000時(shí)半橋:/V，/V，所以應(yīng)變?yōu)?時(shí)，所以應(yīng)變?yōu)?000時(shí)全橋:/V，/V，從上面的計(jì)算可知：?jiǎn)伪蹠r(shí)靈敏度最低，半橋雙臂時(shí)為其 倍，全橋時(shí)最高，為單臂的 倍。兩四因?yàn)樗裕豪?-3 例2-4 采用阻值R=120靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí)，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種工作方式（設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大）？解：由于不知是何種工作方式，可設(shè)為n，故可得：得n要小于2，故應(yīng)采用全橋工作方式。 1） 溫度誤差 期望：用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受

42、其它因素的影響。 定義：由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。 影響因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。一、電阻應(yīng)變式傳感器二）電阻應(yīng)變式傳感器二、壓電式傳感器一）壓電式傳感器基本工作原理 當(dāng)您將按鈕輕輕一旋，煤氣灶迅即燃起藍(lán)色火焰，您可曾意識(shí)到是什么帶給您的這份便利呢？ 將一塊看起來(lái)平淡無(wú)奇的陶瓷接上導(dǎo)線和電流表，用手在上面一摁，電流表的指針也跟著發(fā)生擺動(dòng)竟然產(chǎn)生了電流。二、壓電式傳感器一）壓電式傳感器基本工作原理 其實(shí)，這是壓電材料中的壓電陶瓷，一種能夠?qū)C(jī)

43、械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，故可用于制造壓電打火機(jī)、移動(dòng)X光機(jī)電源、炮彈引爆裝置等。 二、壓電式傳感器一）壓電式傳感器基本工作原理 壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。 正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。 壓電體是發(fā)射和接收超聲波的理想材料。F石英晶體

44、壓電效應(yīng)演示 力的方向改變時(shí)，電荷的符號(hào)也隨之改變，外力去掉后，電荷消失。二、壓電式傳感器一）壓電式傳感器基本工作原理 分類石英晶體：?jiǎn)尉弘娋w天然存在。壓電陶瓷：極化的多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等人工制造。有機(jī)高分子壓電材料：近年來(lái)發(fā)展的新型材料。 常用壓電材料性能石英晶體天然形成的石英晶體外形石英晶體薄片石英晶體切片及封裝雙面鍍銀及封裝高分子壓電薄膜及拉制 壓電材料特性指標(biāo)彈性常數(shù)壓電系數(shù)介電常數(shù)電阻機(jī)械耦合系數(shù)居里點(diǎn)二、壓電式傳感器二）壓電式傳感器基本工作原理 壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，其電容量為：式中：A為壓電片的面積； d為壓電片的厚度； 為

45、壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)； 為空氣的相對(duì)介電常數(shù)。二、壓電式傳感器二）壓電式傳感器基本工作原理 因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容器Ca串聯(lián)的電壓源Ua，如圖2-12（a）所示；也可以等效為一個(gè)與電容器并聯(lián)的電荷源q，如圖2-12（b）所示。電壓Ua，電荷量q和電容量Ca這三者的關(guān)系為： 。圖2-12 壓電傳感器等效電路二、壓電式傳感器二）壓電式傳感器基本工作原理 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。 圖2-14 電荷放大器等效電路電壓放大器電荷放大器 圖2-13 電壓放大器電路原理及其等效電路圖二、壓電式傳感器三）壓電式傳感器及

46、其應(yīng)用并聯(lián)串聯(lián)目的：提高靈敏度圖2-15壓電元件的兩種接法適用于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，并以電荷為輸出量適用于測(cè)量電路有高輸入阻抗，并以電壓為輸出量二、壓電式傳感器三）壓電式傳感器及其應(yīng)用傳感器類型轉(zhuǎn)換方式壓電材料用途力敏力電石英、羅思鹽、ZnO、BaTiO3、PZT、PMS、電致伸縮材料微拾音器、聲納、應(yīng)變儀、氣體點(diǎn)火器、血壓計(jì)、壓電陀螺、壓力和加速度傳感器聲敏聲電聲壓石英、壓電陶瓷振動(dòng)器、微音器、超聲波探測(cè)器、助聽器聲光PbM0O4、PbYiO3、LiNbO3聲光效應(yīng)器件光敏光電PbTiO3、LiTaO3熱電紅外線探測(cè)器熱敏熱電BaTiO3、LiTaO3、PbTiO3、TGS、PZO溫度計(jì)表2

47、-1 壓電式傳感器的主要應(yīng)用類型二、壓電式傳感器三）壓電式傳感器及其應(yīng)用6）煤氣灶電子點(diǎn)火器7）手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換8）手機(jī)跌落關(guān)機(jī)保護(hù)1）壓電式力傳感器3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器 4）血壓計(jì)傳感器應(yīng)用2）壓電式加速度傳感器5）樂器傳感元件1）壓電式力傳感器 壓電式力傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元件，輸出電荷與作用力成正比的力電轉(zhuǎn)換裝置。圖2-17 YDS-78型壓電式單向力傳感器2）壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)。圖2-18 壓電式加速度傳感器3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器 BS-D2壓電式

48、傳感器是專門用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。 傳感器把震動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出。電壓經(jīng)過(guò)放大、濾波、比較等處理后提供BS-D2壓電式玻璃破碎報(bào)警系統(tǒng)。圖2-19 壓電式玻璃破碎報(bào)警器3）壓電式玻璃破碎報(bào)警器 玻璃破碎報(bào)警可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其它商品柜臺(tái)保管等場(chǎng)合。 當(dāng)前，新型振動(dòng)傳感器技術(shù)越來(lái)越成熟，如Z02B，工作電壓為5V（典型應(yīng)用3V，最高電壓12V），由于該傳感器輸出信號(hào)能夠滿足數(shù)字模塊的觸發(fā)電壓，在使用時(shí)可以觸發(fā)KD153發(fā)出“叮咚”聲音，如圖2-20所示。圖2-20 振動(dòng)報(bào)警器4）血壓計(jì)傳感器 電子血

49、壓計(jì)通過(guò)在捆扎布內(nèi)部安裝的傳感元件，把血液流過(guò)血管中產(chǎn)生的“克隆脫克潑”音變換成電信號(hào)。血液的流動(dòng)與捆扎布的氣壓有關(guān)。輸出電壓隨著血液流動(dòng)的變化而變化，從該值可知道血壓值，也可以測(cè)量脈搏數(shù)，圖2-21（a）表示它的構(gòu)造，（b）表示其檢測(cè)波形。 圖2-21血壓計(jì)傳感器5）樂器傳感元件圖2-22 吉他傳感器 樂器傳感元件如圖2-22所示。把壓電元件特殊的阻尼材料夾住，存放在一個(gè)外殼中。由于壓電元件的衰減時(shí)間快，固有共振頻率低，因此能夠得到清楚而柔和的回授音，右圖是元件的頻率特性。傳感器安裝在吉他的軀體部位是，由于能夠檢測(cè)到弦振動(dòng)引起的軀體的共振，經(jīng)放大從揚(yáng)聲器中傳播出演奏。6）煤氣灶電子點(diǎn)火器 如

50、圖2-23所示，讓高壓跳火來(lái)點(diǎn)燃?xì)?。?dāng)使用者將開關(guān)往里壓時(shí)，把氣閥打開；將開關(guān)旋轉(zhuǎn)，則使彈簧往左壓，此時(shí)，彈簧有一個(gè)很大的力撞擊壓電晶體。產(chǎn)生高壓放電，導(dǎo)致燃燒盤點(diǎn)火。圖2-23 煤氣灶電子點(diǎn)火裝置7）手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換 ADXL320雙軸加速度傳感器可用于手機(jī)和平板電腦的屏幕橫豎顯示方向自動(dòng)轉(zhuǎn)換。 實(shí)現(xiàn)為手機(jī)或平板電腦的GSensor重力感應(yīng)功能。芯片引腳如圖2-24所示。其中NC表示不需要連接的引腳，COM為地，Vs為電源，ST為自測(cè)試端，XOUT和YOUT為輸出引腳。圖2-24 ADXL320引腳圖7）手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換電路原理如圖 2-25所示。 圖2-25 手機(jī)和

51、平板電腦的橫豎顯示方向自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路 當(dāng)人們縱向（X方向）拿著手機(jī)或平板電腦時(shí)，XOUT端口和YOUT端口輸出電壓為XOUT1.500V， YOUT1.326V，分別接LM324正相輸入端和反相輸入端。將LM324的輸出接到處理器就能判斷方向。在圖2-25中，CX和CY為濾波電容，其大小和帶寬的選擇有關(guān)，具體選擇見表2-2，最小值為2000pF。7）手機(jī)和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換 在圖2-25中，CX和CY為濾波電容，其大小和帶寬的選擇有關(guān)，具體選擇見表2-2，最小值為2000pF。表2-2 濾波電容選擇和帶寬關(guān)系表帶寬（Hz）電容（uF）14.7100.47500.11000.052000.02

52、75000.018）手機(jī)跌落關(guān)機(jī)保護(hù) 采用MMA1220D加速度傳感器控制手機(jī)跌落關(guān)機(jī)保護(hù)。在手機(jī)發(fā)生跌落時(shí)，該加速度傳感器處于自由落體狀態(tài)（失重），上下左右4個(gè)方向都沒有重力作用，輸出電壓為2.5V。該輸出電壓送入比較器，與2.5V電壓相減，為0時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)送入微處理器，進(jìn)入關(guān)機(jī)程序，及時(shí)關(guān)機(jī)，以保護(hù)手機(jī)軟硬件不受損壞。 MMA1220D為Motorola公司生產(chǎn)的單軸加速度傳感器，由一個(gè)測(cè)力單元（重力傳感器）和放大器、濾波器組成，電路連接如圖2-25所示。圖2-25 MMA1220D電路連接8）手機(jī)跌落關(guān)機(jī)保護(hù) MMA1220D在靜止?fàn)顟B(tài)下，向左或向右放置，重力加速度都為0g，輸出為2

53、.5V； 向上放置，受到1g重力加速度，輸出為2.75V；向下放置，受到1g重力加速度，輸出為2.25V。 如圖2-26所示。圖2-26 MMA1220D靜止?fàn)顟B(tài)輸出電壓 項(xiàng)目小結(jié) 力敏傳感器是將動(dòng)態(tài)或靜態(tài)力的大小轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量的裝置。本項(xiàng)目介紹了電阻應(yīng)變式傳感器，其將外力轉(zhuǎn)化成電阻值的變化，再利用電橋電路檢測(cè)出電阻值的變化值，從而得出對(duì)應(yīng)的力變化量。還講述了壓電式傳感器，利用壓電效應(yīng)將外力轉(zhuǎn)換為電荷的變化量，通過(guò)電壓（或電荷）放大后，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的壓力。休息一下！項(xiàng)目三：溫度測(cè)量 傳感器及RFID應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目三 溫度測(cè)量溫度測(cè)量方法1電阻式溫度傳感器23熱電偶傳感器3集成溫度傳感器43輻射

54、式溫度傳感器5 了解溫度測(cè)量的方法，了解接觸式與非接觸式兩種測(cè)溫方法在原理及性能上的不同，了解溫度傳感器的分類。了解熱電偶溫度傳感器的測(cè)溫原理，了解三種類型（普通、鎧裝、薄膜）熱電偶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用場(chǎng)合，掌握熱電偶冷端處理常用處理辦法，掌握熱電偶實(shí)用測(cè)溫電路，掌握熱電偶串聯(lián)、并聯(lián)接法，熟悉和應(yīng)用中間導(dǎo)體定律。掌握金屬熱電阻式、熱敏電阻式溫度傳感器的測(cè)溫機(jī)理、基本構(gòu)成、特性及應(yīng)用。掌握集成溫度傳感器使用方法，了解其他溫度傳感器的工作原理。知識(shí)要點(diǎn)項(xiàng)目目標(biāo)知識(shí)要點(diǎn)學(xué)會(huì)使用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)、報(bào)警、控制。技能要點(diǎn)項(xiàng)目目標(biāo)使用集成的溫度傳感器LM26控制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。任務(wù)目標(biāo) ?生活中有哪些地方需要

55、測(cè)溫度？會(huì)使用什么器具測(cè)溫度？定義和分類一、溫度測(cè)量方法一）溫度概念 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則劇烈運(yùn)動(dòng)程度的標(biāo)志,分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，溫度就越高。1、溫度概念 定義和分類一、溫度測(cè)量方法一）溫度概念 用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。3 種溫標(biāo)的換算關(guān)系為：2、溫標(biāo)概念 華氏溫標(biāo)（）在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，中間劃分180等分，每等分為華氏1度，符號(hào)為F。 攝氏溫標(biāo)()在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分100等分，每等分為攝氏1度，符號(hào)為t。 熱力學(xué)溫標(biāo)（K）規(guī)定分

56、子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為絕對(duì)零度（0K），符號(hào)為T。熱力學(xué)溫標(biāo)的零點(diǎn)絕對(duì)零度，是宇宙低溫的極限，宇宙間一切物體的溫度可以無(wú)限地接近絕對(duì)零度但不能達(dá)到絕對(duì)零度（如宇宙空間的溫度為0.2K）。一、溫度測(cè)量方法一）溫度的測(cè)量方法圖3-1 溫度傳感器原理圖溫度傳感器是由溫度敏感元件（感溫元件）和轉(zhuǎn)換電路組成。利用物體表面的熱輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度的。Title in here非接觸式測(cè)溫輻射高溫計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、熱紅外輻射溫度傳感器等。感溫元件與被測(cè)對(duì)象接觸，彼此進(jìn)行熱量交換。熱膨脹式溫度傳感器、熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。接觸式測(cè)溫 二、電阻式溫度傳感器一）電阻式溫度

57、傳感器基本工作原理 電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化而變化的原理來(lái)測(cè)量溫度的，即材料的電阻隨溫度的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。二）電阻式溫度傳感器分類及應(yīng)用 把由金屬導(dǎo)體鉑、銅、鎳等制成的測(cè)溫元件稱為金屬熱電阻，簡(jiǎn)稱熱電阻傳感器。 把由半導(dǎo)體材料制成的測(cè)溫元件稱為熱敏電阻。1. 分類2. 金屬熱電阻主要材料 利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。測(cè)溫范圍工作原理-220850范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K（-272），高溫可測(cè)量至1000。鉑和銅。1.電阻應(yīng)變式傳感器工作原理1)鉑電阻 鉑電阻的特點(diǎn)是測(cè)溫精度高，穩(wěn)定性好，所以在溫度

58、傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。鉑電阻的測(cè)量范圍為 -200850。-200 0 的溫度范圍內(nèi)為： Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)0 850的溫度范圍內(nèi)為： Rt=R0(1+At+Bt2) 式中Rt和R0分別為t和0時(shí)的鉑電阻值；A、B、和C為常數(shù)，其數(shù)值為： A = 3.9684*10-3/ B = - 5.847*10-7/ C = - 4.22*10-12/ 分度號(hào)分別為Pt10（10）、Pt50（50）、Pt100（100），其中Pt100最常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)對(duì)應(yīng)有相應(yīng)分度表，即Rtt 的關(guān)系，見附錄A。1.電阻應(yīng)變式傳感器工作原理2)銅電阻 由于鉑是貴金屬，在測(cè)量精度

59、要求不高，溫度范圍在-50150時(shí)普遍采用銅電阻。銅電阻與溫度間的關(guān)系為： Rt=R0(1+a1t+a2t2+a3t3)。 由于a2，a3比a1小得多，所以可以簡(jiǎn)化為： RtR0 (1+a1t)，式中，Rt是溫度為t時(shí)銅電阻值；R0是溫度為0時(shí)銅電阻值；a1是常數(shù)；a1=4.28*10-3-1銅電阻的R0常取100、50兩種，分度號(hào)為Cu100、Cu50。 特點(diǎn)：銅易于提純，價(jià)格低廉，電阻-溫度特性線性較好。但電阻率僅為鉑的幾分之一。因此，銅電阻所用阻絲細(xì)而且長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度較差，熱慣性較大，在溫度高于100以上或腐蝕性介質(zhì)中使用時(shí)，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無(wú)腐蝕性的介質(zhì)中。如中低

60、端汽車水箱溫度控制常用銅電阻傳感器，具有較高的性價(jià)比。1.電阻應(yīng)變式傳感器工作原理3)測(cè)量電路 熱電阻傳感器外接引線如果較長(zhǎng)時(shí)，引線電阻的變化使測(cè)量結(jié)果有較大誤差，為減小誤差，可采用三線制電橋連接法測(cè)量電路或四線電阻測(cè)量電路。 無(wú)論三線制或四線制測(cè)量電路，都必須從熱電阻感溫體的根部引出導(dǎo)線，不能從熱電阻的接線端子上分出，否則同樣會(huì)存在引線誤差。 （a）三線制電橋測(cè)量電路 （b）四線制恒流源測(cè)量電路圖3-2 熱電阻傳感器電路 二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線的連接方式叫二線制。這種引線方法很簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度等因素有關(guān)，且隨環(huán)境溫度變化，造成測(cè)量