任務(wù) 認(rèn)識傳感器

任務(wù)認(rèn)識傳感器第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日任務(wù)描述學(xué)習(xí)傳感器的接口電路第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日教學(xué)目標(biāo)了解傳感器的組成，掌握傳感器的特性參數(shù)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。知識目標(biāo)

技能目標(biāo)情感目標(biāo)會傳感器的接口電路第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日一、傳感器組成

敏感元件：傳感器中直接感受被測量的元件，即被測量通過傳感器的敏感元件轉(zhuǎn)換成被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換為易于傳輸和測量的電信號轉(zhuǎn)換電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流、頻率。有一些傳感器的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是二者合一的。熱電偶、壓電晶體，光電器件。

第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日定義

傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號的機(jī)械電子裝置。如下圖所示:物理量電量第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日二.傳感器的分類第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日11三、傳感器的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)倍增器

科學(xué)研究先行官

社會物化法官

軍事戰(zhàn)斗力第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日12工業(yè)生產(chǎn)倍增器檢測技術(shù)是帶動國民經(jīng)濟(jì)增長的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域在美國：檢測技術(shù)占4%，拉動經(jīng)濟(jì)增長66%第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日13檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位….第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日14第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日15檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用離線檢測：零件參數(shù)、尺寸與形位公差、品質(zhì)參數(shù)作用：現(xiàn)代工程裝備中，

檢測環(huán)節(jié)的成本約占

50~70%第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日16檢測技術(shù)在汽車中的應(yīng)用日新月異發(fā)動機(jī)：向發(fā)動機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機(jī)的工作狀況信息，對發(fā)動機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等

汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容

普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。

底盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫車身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測距、圖象等第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日17第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日18無人駕駛汽車：演示雷達(dá)傳感器錄像機(jī)激光測距儀第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日19檢測技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用與日俱增

家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動對焦---紅外測距傳感器數(shù)字體溫計(jì)：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器自動感應(yīng)燈：亮度檢測---光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換---駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD掃描儀：文檔掃描---線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計(jì)：血壓檢測---壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀---離子傳感器智能家居演示

WigWag演示，手機(jī)中的傳感器第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日20科學(xué)研究的先行官

諾貝爾獎獲得者R.R.Ernst說“現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展”

俄國化學(xué)家門捷列夫指出“科學(xué)是從測量開始的”

近80年來，與科學(xué)儀器密切相關(guān)的諾貝爾獎獲得者達(dá)38人第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日21軍事戰(zhàn)斗力1991年海灣戰(zhàn)爭精確制導(dǎo)炸彈和導(dǎo)彈占8%2003年伊拉克戰(zhàn)爭90%1994年美國防部建立自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局立體作戰(zhàn)第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日22檢測技術(shù)在軍事上的應(yīng)用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器---OICW夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可精確的定位目標(biāo)。在發(fā)射20毫米高爆彈時(shí)，激光測距儀可將目標(biāo)的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以便精確的設(shè)定引爆時(shí)間。第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日23美國國家導(dǎo)彈防御計(jì)劃---NMD檢測技術(shù)在國防領(lǐng)域的應(yīng)用1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng):探測和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；

攔截器：能識別真假彈頭，敵友方第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日24檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域舉足輕重飛行器測控---檢測飛行器姿態(tài)、發(fā)電機(jī)工況，控制與操縱

火箭測控---檢測火箭狀況、姿態(tài)、軌跡

第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日25“阿波羅10”：火箭部分---2077個(gè)傳感器飛船部分---1218個(gè)傳感器，檢測參數(shù)---加速度、溫度、壓力、振動、流量、應(yīng)變、聲學(xué)、神州飛船：185臺（套）儀器裝置第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日26“物化法官”

檢查產(chǎn)品質(zhì)量

監(jiān)測環(huán)境污染(PM2.5振蕩天平技術(shù)、Beta射線技術(shù)、Beta射線光濁度技術(shù)和光散射技術(shù)為主)

識別指紋假鈔

查服違禁藥物(毒品：激光拉曼光譜檢測儀)；酒精探測器

偵破刑事案件第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日27……教學(xué)實(shí)驗(yàn)、氣象預(yù)報(bào)、大地測繪、災(zāi)情預(yù)報(bào)、交通指揮、……涵蓋吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日四、傳感器的主要特性參數(shù)1）.靈敏度靈敏度是指傳感器或檢測系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值。它是輸入與輸出特性曲線的斜率，如右圖所示，可表示為：

第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日3）.線性度與非線性誤差線性度是用實(shí)測的檢測系統(tǒng)輸入-—輸出特性曲線與擬合直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示的，如下圖所示。線性度可用非線性誤差來表示，計(jì)算式為：第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日4）.遲滯遲滯特性表明檢測系統(tǒng)在正向和反向行程期間，輸入—輸出特性曲線不一致的程度。如右下圖所示。通過實(shí)驗(yàn)，找出輸出量的這種最大差值，并以滿量程輸出YFS的百分?jǐn)?shù)表示，如下式：

第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日五、傳感器接口電路

1輸出信號的特點(diǎn)

1）由于傳感器種類繁多，傳感器的輸出形式也是各式各樣的。例如，盡管都是力傳感器，隨作用外力變化,電阻應(yīng)變片輸出的是不同的電阻，壓電傳感器輸出不同的電荷,電容傳感器輸出變化的電容,電感傳感器輸出變化的電感量.表1列出了傳感器的一般輸出形式。第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日表1傳感器的輸出信號形式輸出形式輸出變化量傳感器的例子開關(guān)信號型機(jī)械觸點(diǎn)雙金屬溫度傳感器模擬信號型電子開關(guān)霍耳開關(guān)式集成傳感器電壓熱電偶、磁敏元件、氣敏元件電流光敏二極管電阻

熱敏電阻，應(yīng)變片電容電容式傳感器電感電感式傳感器其它頻率多普勒速度傳感器、揩振式傳感器第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2）.傳感器的輸出信號，一般比較微弱，有的傳感器輸出電壓最小僅有0.1μV。3）.傳感器的輸出阻抗都比較高，這樣會使傳感器信號輸入到測量電路時(shí)，產(chǎn)生較大的信號衰減。4）.傳感器的輸出信號動態(tài)范圍很寬。5）.傳感器的輸出信號隨著輸入物理量的變化而變化，但它們之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系。6）.傳感器的輸出信號大小會受溫度的影響，有溫度系數(shù)存在。第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2輸出信號的處理方法目的：

1）提高測量系統(tǒng)的測量精度，2）提高測量系統(tǒng)的線性度，3）抑制噪聲。4）由傳感器的接口電路處理后的信號，應(yīng)成為可供測量、控制使用及便于向微型計(jì)算機(jī)輸入的信號形式。5）完成傳感器輸出信號處理的各種接口電路統(tǒng)稱為傳感器檢測電路。典型的應(yīng)用接口電路，如表2所示。第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日表2典型的傳感器接口電路接口電路信號預(yù)處理的功能阻抗變換電路在傳感器輸出為高阻抗的情況下，變換為低阻抗，以便于檢測電路準(zhǔn)確地拾取傳感器的輸出信號。放大電路將微弱的傳感器輸出信號放大。電流電壓轉(zhuǎn)換電路將傳感器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓。電橋電路把傳感器的電阻、電容、電感變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓。頻率電壓轉(zhuǎn)換電路把傳感器輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換為電流或電壓。電荷放大器將電場型傳感器輸出產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓。有效值轉(zhuǎn)換電路在傳感器為交流輸出的情況下，轉(zhuǎn)為有效值，變?yōu)橹绷鬏敵?。濾波電路通過低通及帶能濾波器消除傳感器的噪聲成分。線性化電路在傳感器的特性不是線性的情況下，用來進(jìn)行線性校正。對數(shù)壓縮電路當(dāng)傳感器輸出信號的動態(tài)范圍較寬時(shí)，用對數(shù)電路進(jìn)行壓縮第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

常用接口電路1）.阻抗匹配器

傳感器輸出阻抗都比較高，為防止信號的衰減，常常采用高輸入阻抗的阻抗匹配器作為傳感器輸入到測量系統(tǒng)的前置電路。半導(dǎo)體管阻抗匹配器，實(shí)際上是一個(gè)半導(dǎo)體管共集電極電路，又稱為射極輸出器。場效應(yīng)管是一種電平驅(qū)動元件，柵漏極間電流很小，其輸入阻抗可高達(dá)1012Ω以上，可作阻抗匹配器。

第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日2）.電橋電路直流電橋直流電橋的基本電路第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日電橋的輸出電壓可由下式給出，即：UOUT=

電橋的平衡條件為：R2R4=R1R3

當(dāng)電橋平衡時(shí)，輸出電壓為零。

當(dāng)電橋四個(gè)臂的電阻發(fā)生變化而產(chǎn)生增量時(shí)，電橋的平衡被打破，電橋此時(shí)的輸出電壓為：

第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

UOUT

=

若取則：

UOUT＝當(dāng)a=1時(shí)，輸出靈敏最大，此時(shí)：

UOUT

=

第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日如果R1=R2=R3=R4時(shí)，則電橋電路被稱為四等臂電橋，此時(shí)輸出靈敏感度最高，而非線性誤差最小，因此在傳感器的實(shí)際應(yīng)用中多采用四等臂電橋。第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日

交流電橋如下圖所示。其中Z1和Z2為阻抗元件，它們同時(shí)可以為電感或電容，電橋兩臂為差動方式，又稱為差動交流電橋。在初始狀態(tài)時(shí)，Z1=Z2=Z0電橋平衡，輸出電壓等于UOUT

=0。測量時(shí)一個(gè)元件的阻抗增加，另一個(gè)元件的阻抗減小，假定Z1=Z0+ΔZ，Z2=Z0-ΔZ，則電橋的輸出電壓為：

第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期日電感式傳感器配用的交流電