傳感器技術(shù)第一章

第一章傳感器基礎(chǔ)傳感器基礎(chǔ)傳感器基礎(chǔ)1.1傳感器的定義

標(biāo)準(zhǔn)定義

—傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

輸入量是某一被測(cè)量，如物理量、化學(xué)量和生物量等；（熱、光、位移、速度、力、濃度、血壓等）輸出量是要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示的物理量，這種量可以是氣、光、電量，目前主要是電量；（電阻、電容、電感、電流、頻率等）傳感器基礎(chǔ)

標(biāo)準(zhǔn)定義

—傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

輸出和輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度，轉(zhuǎn)換必須按照一定的規(guī)律進(jìn)行。

守恒定律：能量、動(dòng)量、電荷量等；場(chǎng)的定律：靜電場(chǎng)定律、電磁感應(yīng)定律等；物質(zhì)定律：物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律；統(tǒng)計(jì)法則：聯(lián)系宏觀系統(tǒng)和微觀系統(tǒng)的物理法則。傳感器基礎(chǔ)

傳感器廣義的定義

凡是利用一定的物質(zhì)（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與信息轉(zhuǎn)換，并且輸入與輸出嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)的器件或裝置均可為傳感器。在不同的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，又被稱作檢測(cè)器、換能器、變換器等。傳感器基礎(chǔ)外界刺激五官人腦肢體動(dòng)作傳感器計(jì)算機(jī)執(zhí)行器傳感器——“電五官傳感器基礎(chǔ)1.2傳感器的組成

通常由敏感元件（預(yù)變換器）和變換元件（變換器）兩部分組成。

敏感元件

實(shí)現(xiàn)將待測(cè)的非電量變?yōu)橐子谵D(zhuǎn)換成電量的另一種非電量的器件。它能直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一種量。敏感元件變換元件被測(cè)非電量非電量傳感器電量

變換元件能將感受到的非電量變換為電量（電參量）的器件。

測(cè)量電路把變換元件的電路參量轉(zhuǎn)換成電量輸出。常安置于傳感器的外部，是組成傳感器的重要環(huán)節(jié)之一。傳感器基礎(chǔ)敏感元件變換元件被測(cè)非電量非電量傳感器電量傳感器基礎(chǔ)1.3傳感器的分類

按輸入被測(cè)量分類基本被測(cè)量派生被測(cè)量熱工量機(jī)械量物理、化學(xué)量生物、醫(yī)學(xué)量

溫度、熱量、比熱、壓力、壓差、流量、流速、風(fēng)速、真空度等

位移、尺寸、形狀、力、應(yīng)力、力矩、振動(dòng)、加速度、噪聲等

氣體（液體）化學(xué)成分、濃度、鹽度、粘度、濕度、密度、比重等

心音、血壓、體溫、氣流量、心電流、眼壓、腦電波等傳感器基礎(chǔ)

按輸出信號(hào)形式分類傳感器非電量式（如色敏傳感器等）電量式開關(guān)式模擬量式數(shù)字量式有觸點(diǎn)式無(wú)觸點(diǎn)式脈沖式連續(xù)式頻率變化式頻率峰值寬度變電阻變電壓變電流變電感變電容脈沖數(shù)式編碼式

按工作原理分類傳感器基礎(chǔ)

電位器式、應(yīng)變式、壓阻式等電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式等霍爾式、熱電偶式等工作原理傳感器舉例變電阻變磁阻變電容變電勢(shì)電容式、溫敏式等變諧振頻率振動(dòng)膜（筒、弦、梁）式等變電荷壓電式等1.4傳感器的應(yīng)用

傳感器在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中需要及時(shí)檢測(cè)各種工藝參數(shù)的信息時(shí)，通過(guò)傳感器對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制。傳感器基礎(chǔ)產(chǎn)品檢測(cè)天然氣壓力檢測(cè)傳感器基礎(chǔ)

傳感器在航空、航天中的應(yīng)用

在飛機(jī)、火箭等飛行器上使用傳感器對(duì)飛行速度、飛行距離及飛行方向等進(jìn)行檢測(cè)。美國(guó)“阿波羅”登月飛行器安裝的傳感器達(dá)3200個(gè)。

傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用

在生產(chǎn)用的單能機(jī)器人中，傳感器用來(lái)檢測(cè)臂的位置和角度；在智能機(jī)器人中，傳感器用作視覺(jué)和觸覺(jué)感知器。在日本，機(jī)器人成本的二分之一是耗費(fèi)在高性能傳感器上的。傳感器基礎(chǔ)傳感器基礎(chǔ)

傳感器在汽車中的應(yīng)用

傳感器在汽車上除了測(cè)量行駛速度、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)以外，而且在一些新設(shè)施中，如汽車安全氣囊、防滑控制等系統(tǒng)，防盜、防抱死、排氣循環(huán)、電子變速控制、電子燃料噴射等裝置以及汽車“黑匣子”等都安裝了相應(yīng)的傳感器。

現(xiàn)代家庭中，用電廚具、空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、電子熱水器、安全報(bào)警器、吸塵器、電熨斗、照相機(jī)、音像設(shè)備等都用到了傳感器。

傳感器在家電中的應(yīng)用火災(zāi)報(bào)警器傳感器基礎(chǔ)

為了保護(hù)環(huán)境，研制用以監(jiān)測(cè)大氣、水質(zhì)及噪聲污染的傳感器，已被世界各國(guó)所重視。

傳感器在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

利用紅外探測(cè)可以發(fā)現(xiàn)地形、地物及敵方各種軍事目標(biāo)。紅外雷達(dá)具有搜索、跟蹤、測(cè)距等功能，可以搜索幾十到上千米的目標(biāo)。紅外探測(cè)器在紅外制導(dǎo)、紅外通信、紅外夜視、紅外對(duì)抗等方面也有廣泛的應(yīng)用。

傳感器在軍事中的應(yīng)用

首架采用新電光和紅外傳感器的CP-140"曙光女神"巡邏機(jī)1.5傳感器的發(fā)展方向傳感器基礎(chǔ)

發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，開發(fā)新材料、新功能多功能集成化和微型化數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器不斷向高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度發(fā)展傳感器基礎(chǔ)1.6傳感器的基本特性

靜態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)（靜態(tài)測(cè)量之下）時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間關(guān)系（數(shù)學(xué)表達(dá)式、曲線或數(shù)表）。

當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間關(guān)系（數(shù)學(xué)表達(dá)式、曲線或數(shù)表）。傳感器基礎(chǔ)1.6.1靜態(tài)特性

線性度

x——輸入量；y——輸出量；a0——零位輸出；a1——傳感器的靈敏度，常用k表示；a2……,an——非線性項(xiàng)待定常數(shù)。

當(dāng)不考慮傳感器遲滯、蠕變效應(yīng)，傳感器靜態(tài)特性可用下式來(lái)描述：y＝a0+a1x+a2x2+…+anxn（傳感器靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型）傳感器基礎(chǔ)傳感器的靜態(tài)特性

y=a1x,(b)y=a1x+a3x3+a5x5+…,(c)y=a1x+a2x2+a4x4+…,(d)y=a1x+a2x2+a3x3+…,傳感器基礎(chǔ)

通常，測(cè)出的輸出和輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線之間不吻合的程度，稱為傳感器的“非線性誤差”或“線性度”。(△yL)max(△yL)max(△yL)maxL=100%|(△yL)max|YF.S.|(△yL)max|——

輸出平均值與擬和直線間的最大偏差絕對(duì)值；|YF.S|——滿量程輸出。最小的非線性誤差傳感器基礎(chǔ)

重復(fù)性

衡量傳感器在同一工作條件下，被測(cè)輸入量按同一方向作全程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，所得輸出值（校準(zhǔn)曲線）的一致程度。它反映傳感器的精密度。R=100%SYF.S.S

——標(biāo)準(zhǔn)偏差；——置信系數(shù)，通常取2或3；YF.S.——滿量程輸出。xy0傳感器基礎(chǔ)

遲滯

衡量傳感器在正（輸入量增大）、反（輸入量減?。┬谐唐陂g，輸出－輸入曲線不重合的程度。它反映傳感器的機(jī)械部分和結(jié)構(gòu)材料方面不可避免的弱點(diǎn)。(△yH)max

——輸出值在正、反行程之間的最大差值；YF.S.——滿量程輸出。0(△yH)maxyyF.S.xF.S.xH=100%(△yH)maxYF.S.

精度

在規(guī)定條件下，允許的最大的絕對(duì)誤差相對(duì)其測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)。傳感器基礎(chǔ)(△y)max

——測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差；YF.S.——滿量程輸出。=100%(△y)maxYF.S.