傳感器技術(shù) 課件 第1章 緒論

第1章

緒論課程主要內(nèi)容傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識定義、分類選用原則指標(biāo)參數(shù)一般特性發(fā)展趨勢傳感器特性電阻應(yīng)變式傳感器電容式傳感器電感式傳感器磁電式傳感器壓電式傳感器熱電式傳感器光電式傳感器化學(xué)及生物傳感器輻射式傳感器智能傳感器測量誤差與數(shù)據(jù)處理1傳感器在各行業(yè)的應(yīng)用1.工業(yè)上：用于化工業(yè)參數(shù)檢測（T、P、F、L、N五大參數(shù)）；

制造業(yè)中機(jī)械參數(shù)檢測（位移、速度、轉(zhuǎn)矩、重量、尺寸等）舉例：在化工生產(chǎn)中常用裝置——加熱爐22.能源系統(tǒng)：煤、石油、天然氣等系統(tǒng)3.電力系統(tǒng)：核工業(yè)、綠色能源

5.日常生活及社會服務(wù)系統(tǒng)：智能家居

家用電器醫(yī)學(xué)醫(yī)療建筑環(huán)境保護(hù)交通管理公安監(jiān)控安保安防汽車

交通工具物業(yè)管理現(xiàn)代物流8.軍事與國防：雷達(dá)導(dǎo)航制導(dǎo)4.畜牧業(yè)：農(nóng)田水利、森林防火、溫室、養(yǎng)殖6.科學(xué)研究精準(zhǔn)測量

計(jì)量37.物聯(lián)網(wǎng)傳感器的定義4傳感器的英文概念表述一般為：“Asensorisadevicethatreceivesastimulusandrespondswithanelectricalsignal”。中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T36378.1—2018）對傳感器（transducer/sensor）的定義是：“能感受被測量（stimulus/measurand）并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件（sensingelement）和轉(zhuǎn)換元件（transducingelement）組成?！眰鞲衅髅Q：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器功用：一感二傳,即感受被測信息,并傳送出去。傳感器輸出信號形式：電、光等物理量

傳感器的基本組成

輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件：直接感受或響應(yīng)被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入量轉(zhuǎn)換成電路參量。（信號較弱）信號調(diào)理電路：將微弱信號放大并轉(zhuǎn)換處理成后續(xù)單元規(guī)定的電量輸出。一是信號的轉(zhuǎn)移和放大；二是對信號進(jìn)行濾波、調(diào)制或解調(diào)、數(shù)字化處理等。5傳感器的分類按輸入量（被測量）分類:位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。按輸出量（輸出信號）分類：模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器。按工作原理分類:應(yīng)變式、電容式、電感式、電容式、壓電式、熱電式、光電式等。按能量變換關(guān)系分類:能量變換型（有源）傳感器、能量控制型（無源）傳感器。根據(jù)轉(zhuǎn)換過程是否可逆分類：單向傳感器和雙向傳感器。根據(jù)尺寸大小否：微傳感器和宏傳感器。按照存在形式：軟傳感器和硬傳感器。6現(xiàn)狀與發(fā)展傳感器現(xiàn)狀7（1）差動技術(shù)差動技術(shù)能夠有效改善傳感器性能。它的應(yīng)用可顯著減少溫度變化、電源波動、外界干擾對傳感器測量精度的影響，能夠減小非線性誤差，抑制共模干擾，提高測量靈敏度等。其基本原理如下：設(shè)某一傳感器的輸出為式中，X為輸入量；A0、A1、A2、…為系數(shù)。如用另一相同的傳感器，但其輸入量符號相反，得到其輸出為使兩個(gè)輸出相減得到總輸出?Y消除了偶次非線性項(xiàng)和零位輸出，減小了非線性，使得傳感器靈敏度提高了一倍，抵消了共模誤差。（2）平均技術(shù)平均技術(shù)能夠產(chǎn)生平均效應(yīng)，即采用多個(gè)傳感器同時(shí)感受被測量，得到這些傳感器輸出的平均值，減少測量時(shí)的隨機(jī)誤差。常用技術(shù)有誤差平均效應(yīng)和數(shù)據(jù)平均處理。①誤差平均效應(yīng)。假設(shè)每個(gè)單元的隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布，根據(jù)誤差理論，總誤差將減小為：8式中，為總隨機(jī)誤差；n為傳感器單元數(shù)?？梢?，利用平均技術(shù)能夠有助于減小傳感器誤差、增大信號量（即增大傳感器靈敏度）。②數(shù)據(jù)平均處理。在相同的條件下，重復(fù)進(jìn)行N次測量（或采樣），然后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均處理，隨機(jī)誤差也能夠有效減小。針對可以重復(fù)測量（或采樣）的被測量，都可以采取數(shù)據(jù)平均處理來減小隨機(jī)誤差。（3）補(bǔ)償與修正技術(shù)

補(bǔ)償與修正技術(shù)應(yīng)用于以下兩種情況：①針對傳感器本身的特性，可尋找傳感器誤差規(guī)律，測量其大小和方向，再采用合適的方法進(jìn)行補(bǔ)償或者修正。采用此技術(shù)，傳感器本身性能穩(wěn)定是前提。②針對傳感器的工作條件或外界環(huán)境的影響，可找出影響因素（溫度、濕度、噪聲、振動等）對測量結(jié)果的影響，然后引入補(bǔ)償措施，這種措施可以利用電子線路解決或者采用手動計(jì)算或計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前各系統(tǒng)及儀表廠家主要靠建模實(shí)現(xiàn)修正。9（4）屏蔽、隔離與干擾抑制在工作環(huán)境比較惡劣的情況下，為了減小測量誤差，設(shè)法減弱或者消除外界環(huán)境帶給傳感器的影響，主要有兩種方法：一是減小傳感器對影響因素的靈敏度；二是降低外界因素對傳感器實(shí)際作用的強(qiáng)度。例如，對于電磁干擾的影響，可以采用屏蔽和隔離的方式；對于溫度、濕度、壓力、機(jī)械振動等影響，可以采用相應(yīng)的隔離措施，如隔溫、隔濕、隔振等，或者在其變換為電量時(shí)對干擾信號進(jìn)行分離和抑制，減小其帶來的影響。（5）穩(wěn)定性處理

傳感器的性能會隨著時(shí)間的推移和環(huán)境因素的變化而變化，這些都會影響傳感器工作的穩(wěn)定性。為了提高傳感器工作的穩(wěn)定性，需要對傳感器進(jìn)行必要的處理，例如結(jié)構(gòu)材料的時(shí)效處理、冰冷處理，永磁材料的時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理等。通過相應(yīng)的手段處理，在一定程度上能夠延長傳感器的工作壽命，增強(qiáng)其穩(wěn)定性和保障其測量精度。10（6）零示法、微差法和閉環(huán)技術(shù)①零示法。零示法可以消除指示不準(zhǔn)造成的誤差。被測量與已知標(biāo)準(zhǔn)量產(chǎn)生的作用相互平衡，使得指示為零。平衡電橋在傳感器中的應(yīng)用就是采用零示法。②微差法。微差法是在零示法基礎(chǔ)上發(fā)展而來。因零示法中被測量與標(biāo)準(zhǔn)量很難完全相等，微差法將標(biāo)準(zhǔn)量與被測量的差值減小到一定程度，通過兩者的相互抵消作用使得指示誤差顯著減小。③閉環(huán)技術(shù)。利用反饋技術(shù)構(gòu)成閉環(huán)平衡式傳感器，組成閉環(huán)反饋測量系統(tǒng)，滿足傳感器寬頻率響應(yīng)、大范圍、高靈敏度、高分辨率、高精度和高穩(wěn)定性等要求。（7）新型傳感器設(shè)計(jì)制造科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展需要人們進(jìn)一步深入對基礎(chǔ)理論的研究，通過研究新原理、使用新型材料和探索新功能，能夠設(shè)計(jì)制造更多新型傳感器。例如，光纖傳感器、液晶傳感器、以高分子有機(jī)材料為敏感元件的壓電式傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、核輻射式傳感器和新型智能傳感器等。①尋找新原理。物理現(xiàn)象、化學(xué)原理和生物效應(yīng)等各種規(guī)律和定律是傳感器的工作基礎(chǔ)。開發(fā)新型傳感器需要人們通過發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律和新效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。②開發(fā)新材料。傳感器感知功能中的重要物質(zhì)基礎(chǔ)是各種新型敏感材料。人們通過對敏感材料的開發(fā)和利用，能夠設(shè)計(jì)出更多高精度、高耐久和高抗干擾的新型傳感器。新型材料主要有：半導(dǎo)體敏感材料、陶瓷敏感材料、磁性材料、智能材料、柔性材料及石墨烯等。③探索新功能。多功能化是指增強(qiáng)傳感器的功能，把多個(gè)不同功能的傳感器元件集成在一起，使其能夠同時(shí)測量多個(gè)被測量。多功能化傳感器不但能夠降低生產(chǎn)成本和減小產(chǎn)品體積，而且能有效提高傳感器的測量精度、穩(wěn)定性和安全性等性能指標(biāo)。此外，多功能傳感器除了能夠同時(shí)測量多種參數(shù)外，還可以對多種測量參數(shù)進(jìn)行綜合處理和分析，反映出被測系統(tǒng)的整體狀況。11傳感器發(fā)展趨勢（1）無線化傳感器的無線化主要應(yīng)用在檢測系統(tǒng)搭建、快速安裝與調(diào)整、復(fù)雜地形或者特殊區(qū)域的監(jiān)測等方面。例如，遙感技術(shù)應(yīng)用于快速實(shí)現(xiàn)大區(qū)域?qū)Φ赜^測，在環(huán)境檢測過程中有著不可替代的作用，能夠?yàn)榄h(huán)境保護(hù)與建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。12（2）微型化傳感器微型化是指敏感元件的特征尺寸為毫米（mm）、微米（μm）、納米（nm）級的傳感器開發(fā)。這類傳感器具有尺寸上的微型性和性能上的優(yōu)越性、要素上的集成性和用途上的多樣性、功能上的系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)上的復(fù)合性。（3）集成化傳感器的集成化往往與MEMS技術(shù)相結(jié)合，傳感器集成化分兩種情況：一是將同一類型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面排列起來，使其形成一維的線性傳感器；二是將不同功能的傳感器集成化，即將不同功能的傳感器一體化，組裝成一個(gè)可以同時(shí)測量多種數(shù)據(jù)類型的傳感器，如電荷耦合器件（CCD）、集成溫度傳感器AD590、集成霍爾傳感器UG3501。13（4）網(wǎng)絡(luò)化隨著數(shù)字化技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、TCP/IP技術(shù)等在測控領(lǐng)域的應(yīng)用，計(jì)量測試與互聯(lián)網(wǎng)深度融合（互聯(lián)網(wǎng)+傳感器），傳感器的網(wǎng)絡(luò)化得到快速發(fā)展。傳感器網(wǎng)絡(luò)化主要表現(xiàn)在兩方面：一是為解決現(xiàn)場總線的多樣性問題，IEEE1451.2工作組建立了智能傳感器接口模塊（STIM）標(biāo)準(zhǔn)，使得傳感器能夠與各種網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行連接和通信；二是以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有以數(shù)據(jù)為中心、低功耗、組網(wǎng)方式靈活和低成本等優(yōu)點(diǎn)。（5）智能化智能傳感器是一種具有信息處理功能的傳感器，是傳感器集成化與微處理器相結(jié)合的產(chǎn)物傳感器智能化主要表現(xiàn)在：安裝過程中能夠自主校零、自主標(biāo)定，具備自校正功能；使用過程中具備對環(huán)境影響的自動補(bǔ)償功能；具備工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)自主分析、數(shù)據(jù)處理以及執(zhí)行干預(yù)邏輯功能；具備大數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品中的自主學(xué)習(xí)功能等。技術(shù)發(fā)展表明：數(shù)字信號處理器（DSP）將推動下一代新型傳感器產(chǎn)品的發(fā)展。隨著5G通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)器人、人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用，傳感器迎來了一個(gè)新的智能化時(shí)代。14（6）虛擬化傳感器虛擬化主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：智能傳感器的應(yīng)用將愈發(fā)廣泛并且其中的軟件和算法的比重會越來越大；基于“軟件就是儀器”的理念和虛擬儀表的各種優(yōu)勢，以虛擬儀器為平臺的測量控制系統(tǒng)將會越來越受到歡迎；以大數(shù)據(jù)和人工智能等前沿技術(shù)為支撐，“純軟件式”傳感器發(fā)展將越來越快。虛擬傳感器雖超越傳統(tǒng)傳感器作為“器件或裝置”的定義，沒有“有形”的器件，但仍具有檢測的基本功能，可以認(rèn)為是廣義傳感器，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺，用軟件和算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，輸出“檢測”的結(jié)果。（7）安全化傳感器安全化是傳感器作為感知單元的基本功能之一。一方面，傳感器接收信息并傳輸數(shù)據(jù)的重要性增強(qiáng)；另一方面，傳感器受到非法攻擊的可能性增高，這使得傳感器安全化顯得格外重要。傳感器安全化是通過軟件和硬件兩方面來應(yīng)對攻擊者的攻擊行為，如硬件防篡改、訪問控制、節(jié)點(diǎn)冗余、數(shù)據(jù)真實(shí)性鑒別、數(shù)據(jù)消息加密和惡意節(jié)點(diǎn)識別與剔除等，通過多種手段抵御因傳感器無線化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化等形成大數(shù)據(jù)帶來的信息安全風(fēng)險(xiǎn)，保障傳感器在信號傳輸