傳感器技術-項目化教學-1課件

1、傳感器技術及應用電路項目化教學 課程地位和作用 課程簡介一、傳感器技術概述傳感器技術簡介 “沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學技術”的觀點已為全世界所公認。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認識自然、改造自然的有力工具。 傳感器技術作為信息科學的一個重要分支，與計算機技術、自動控制技術和通信技術等一起構成了信息技術的完整學科。 在人類進入信息時代的今天，人們的一切社會活動都是以信息獲取與信息轉換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉換的重要手段，是信息科學最前端的一個陣地，是實現(xiàn)信息化的基礎技術之一。一、傳感器技術概述傳感器技術簡介 傳感器 感

2、覺，感知；傳送 （Sensor、Transducer）人體系統(tǒng)： 人類有五大感覺器官，即眼、耳、鼻、舌、皮膚。通過這些感覺器官感知外界信息。機器系統(tǒng)： 機器系統(tǒng)中，傳感器是各種機械和電子設備的感覺器官。感知光、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。傳感器技術簡介一、傳感器技術概述外界信息感 官人 腦肢 體人 體 系 統(tǒng)傳感器計算機執(zhí)行器機 器 系 統(tǒng)人機系統(tǒng)的機能對應關系“機電五官”傳感器有些性能超過人的感官：（1）測量人體無法感知的量（3）測量范圍寬、精確高、可靠性好（2）惡劣環(huán)境下工作 例如： 溫度傳感器：-196 1800 壓力傳感器：0.01 10000kPa 精度：0.1% 0.

3、01% 可靠度：8 9 級一、傳感器技術概述傳感器技術簡介傳感器技術簡介二、傳感器技術的作用和地位 現(xiàn)代信息技術的三大支柱之一 傳感器技術（信息采集） 通信技術 （信息傳輸） 計算機技術（信息處理） 在信息系統(tǒng)中分別起到 “感官”、“神經”和“大腦”的作用。 現(xiàn)代測量與自動控制的首要環(huán)節(jié) 傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計算機的“五官”。 沒有傳感器對原始信息進行精確、可靠的捕獲和轉換，一切測量和控制都是不可能實現(xiàn)的。傳感器技術簡介二、傳感器技術的作用和地位 傳感器技術的應用遍及各個領域 傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國防、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、商檢質檢、甚至文物保護

4、等極其廣泛的領域。 毫不夸張地說：幾乎每個現(xiàn)代化項目，以至各種復雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。 傳感器技術在發(fā)展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。傳感器技術簡介三、傳感器技術的應用信息處理電信電話科技測試設備控制交通控制輸電系統(tǒng)機床機器人家用電器照相機汽車飛機船舶氣象海洋環(huán)境污染醫(yī)療防火光能利用熱能利用土木建筑農林機械能利用貨幣金融食品11155110103473659816127783431 3147111707693612621242014需要量傳感器技術的應用領域傳感器技術簡介三、傳感器技術的應用 汽車與傳感器 傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動機旋轉速度、燃料剩余量。 安

5、全：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、汽車“黑匣子”。 環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置。 傳感器技術簡介三、傳感器技術的應用 傳感器在機器人上的應用 單能機器人：生產用的自動機械式（加工、組裝、檢驗）。檢測臂的位置和角度傳感器。隧道鑿巖機器人汽車焊裝生產線傳感器技術簡介三、傳感器技術的應用 傳感器在機器人上的應用 智能機器人：判斷能力。視覺傳感器、觸覺傳感器。用于水下探測的機器人用于家庭服務的機器人傳感器技術簡介三、傳感器技術的應用 傳感器在機器人上的應用 智能機器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。 法老咒語：“不論是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將

6、在它的頭上降臨?！毙C器人挑戰(zhàn)法老咒語，代替科學家勇探胡夫金字塔內部秘道。“金字塔漫游者”機器人 511，地面探測雷達、超聲波傳感器（測石頭厚度）。傳感器技術簡介三、傳感器技術的應用 傳感器與家用電器 自動電飯鍋、吸塵器、空調器、電子熱水器、風干器、電熨斗、電風扇、洗衣機、洗碗機、照相機、電冰箱、電視機、錄像機、家庭影院。傳感器技術簡介三、傳感器技術的應用 傳感器在軍事技術領域的應用 “改變那種認為軍事力量主要是軍艦、坦克和飛機的概念，把我們的注意力放在思考信息和電信技術所能提供的軍事力量上來。這場軍事革命標志著一種轉變，即從重視軍艦、坦克和飛機，轉為重視諸如傳感器這類東西的作用?！薄靶畔r代

7、的軍事革命”美國參聯(lián)會副主席歐文斯上將特種武器觀察、偵察、探測傳感器技術簡介三、傳感器技術的應用 傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學上的應用 醫(yī)用傳感器：人體內部溫度、血液、呼吸流量、 腫瘤、心音、腔內壓力、心腦電波。 傳感器與航空及航天 飛行器：控制在預定軌道上。 速度、加速度、飛行距離測量：陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器。 周圍環(huán)境、內部設備監(jiān)控、本身狀態(tài)。所謂傳感器是來自“感覺”一詞傳感器技術屬現(xiàn)代高新技術（電五官） 根據(jù)GB7665-87，【傳感器】（TransducerSensor）的定義為：能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用信號輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

8、我國往往把“傳感器”和“敏感元件”等同使用1、傳感器定義1-1 傳感器的作用與功能什么是傳感器？ppp壓力膜盒位移杠桿位移電刷位移電位器電壓如何獲取信息？輸 入輸 出敏感元件（Sensing element） 直接感受或響應被測量的部分。有時也將敏感元件稱為傳感器。轉換元件（Transduction element） 能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。2、傳感器的組成1-1 傳感器的作用與功能圖 1.1傳感器組成方塊圖表1.2傳感器的分類30 傳感器的輸入量可分為靜態(tài)量和動態(tài)量兩類。靜態(tài)量指穩(wěn)定狀態(tài)的信號或變化極其緩慢的信號（準靜態(tài)）。動態(tài)量通常指周期信號、瞬變信

9、號或隨機信號。無論對動態(tài)量或靜態(tài)量，傳感器輸出電量都應當不失真地復現(xiàn)輸入量的變化。這主要取決于傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。2 傳感器的一般特性31 2.1 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量和輸入量之間的關系稱為靜態(tài)特性。 通常，要求傳感器在靜態(tài)情況下的輸出輸入關系保持線性。實際上，其輸出量和輸入量之間的關系（不考慮遲滯及蠕變效應）可由下列方程式確定。 （2-1-1） 2 傳感器的一般特性32 式中 輸出量； 輸入量； 零位輸出； 傳感器的靈敏度，常用K表示； 非線性項待定常數(shù)。 由(2-1-1)式可見，如果 ，表示靜態(tài)特性通過原點。此時靜態(tài)特性是由線性項（ ）和非

10、線性項 疊加而成，一般可分為以下4種典型情況。 2 傳感器的一般特性33 (1)理想線性圖1-1(a) (2-1-2) (2)具有X奇次階項的非線性圖1-1(b) (2-1-3) (3)具有X偶次階項的非線性圖1-1(c) (2-1-4) (4)具有X奇、偶次階項的非線性圖1-1(d) (2-1-5) 圖2-1-1 傳感器的4種典型靜態(tài)特征2 傳感器的一般特性34 傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標準條件下測定的。在標準工作狀態(tài)下，利用一定精度等級的校準設備，對傳感器進行往復循環(huán)測試，即可得到輸出輸入數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)列成表格，再畫出各被測量值(正行程和反行程)對應輸出平均值的連線，即為傳感器的靜態(tài)校準

11、曲線。 傳感器靜態(tài)特性的主要指標有以下幾點。2 傳感器的一般特性35圖2-1-2 傳感器的線性度 (1) 線性度(非線性誤差) 在規(guī)定條件下，傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程(FS)輸出值的百分比稱為線性度(見圖2-1-6)。 用 代表線性度，則 (2-1-6) 式中 校準曲線與擬合直線間 的最大偏差； 傳感器滿量程輸出， 。2 傳感器的一般特性36 由此可知，非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準直線算出來的。因而，基準直線不同，所得線性度也不同，見圖2-1-3。圖2-1-3 基準直線的不同擬合方法2 傳感器的一般特性37 應當指出，對同一傳感器，在相同條件下進行校準試驗時得

12、出的非線性誤差不會完全一樣。因而不能籠統(tǒng)地說線性度或非線性誤差，必須同時說明所依據(jù)的基準直線。目前國內外關于擬合直線的計算方法不盡相同，下面僅介紹兩種常用的擬合基準直線方法。2 傳感器的一般特性38 1)端基法 把傳感器校準數(shù)據(jù)的零點輸出平均值 和滿量程輸出平均值 連成的直線 作為傳感器特性的擬合直線(見圖2-1-4)。其方程式為 (2-1-7) 式中 Y輸出量； X輸入量； a0Y軸上截距； K直線a0b0的斜率。圖2-1-4 端基線性度擬合直線2 傳感器的一般特性39 由此得到端基法擬合直線方程，按(2-1-6)式可算出端基線性度。這種擬合方法簡單直觀，但是未考慮所有校準點數(shù)據(jù)的分布，擬合

13、精度較低，一般用在特性曲線非線性度較小的情況。2 傳感器的一般特性40 2)最小二乘法 用最小二乘法原則擬合直線，可使擬合精度最高。其計算方法如下。 令擬合直線方程為Y=a0+KX 。假定實際校準點有n個，在n個校準數(shù)據(jù)中，任一個校準數(shù)據(jù)Yi與擬合直線上對應的理想值a0+KXi 間線差為 (2-1-8)2 傳感器的一般特性41 最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使 為最小值，亦即 使 對K和a0的一階偏導數(shù)等于零，從而求出K和a0的表達式 聯(lián)立求解以上二式，可求出K和a0 ，即 式中 n校準點數(shù)。 由此得到最佳擬合直線方程，由(2-1-6)式可算得最小二乘法線 性度。2 傳感器的一般特性42 通

14、常采用差動測量方法來減小傳感器的非線性誤差。例如，某位移傳感器特性方程式為 另一個與之完全相同的位移傳感器，但是它感受相反方向位移，則特性方程式為 在差動輸出情況下，其特性方程式可寫成 可見采用此方法后，由于消除了X偶次項而使非線性誤差大大減小，靈敏度提高一倍，零點偏移也消除了。因此差動式傳感器已得到廣泛應用。2 傳感器的一般特性43 (2) 靈敏度 傳感器的靈敏度指到達穩(wěn)定工作狀態(tài)時輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比。由圖1-5可知，線性傳感器校準曲線的斜率就是靜態(tài)靈敏度K。其計算方法為 非線性傳感器的靈敏度用dY/dX表示，其數(shù)值等于所對應的最小二乘法擬合直線的斜率。 圖2-1-5 傳

15、感器靈敏度的定義2 傳感器的一般特性44 (3)精確度(精度) 說明精確度的指標有三個：精密度、正確度和精確度。 1)精密度 它說明測量結果的分散性。即對某一穩(wěn)定的對象(被測量)由同一測量者用同一傳感器和測量儀表在相當短的時間內連續(xù)重復測量多次(等精度測量) ，其測量結果的分散程度。愈小則說明測量越精密(對應隨機誤差)。 2)正確度 它說明測量結果偏離真值大小的程度，即示值有規(guī)則偏離真值的程度。指所測值與真值的符合程度(對應系統(tǒng)誤差)。 2 傳感器的一般特性準確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如,某流量傳感器的準確度為0.3m3/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準確度是

16、系統(tǒng)誤差大小的標志，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準確度高不一定精密度高。精確度：是精密度與準確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機器的精確度常以測量誤差的相對值表示。 （c）精確度高（a）準確度高而精密度低（b）準確度低而精密度高46 在工程應用中，為了簡單表示測量結果的可靠程度，引入一個精確度等級概念，用A來表示 。傳感器與測量儀表精確度等級A以一系列標準百分數(shù)值(0.001，0.005，0.02，0.05，1.5，2.5，4.0)進行分擋。這個數(shù)值是傳感器和測量儀表在規(guī)定條件下，其允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分數(shù)。它可以用

17、下式表示 2 傳感器的一般特性47 式中 A 傳感器的精度； A 測量范圍內允許的最大絕對誤差； 滿量程輸出。 傳感器設計和出廠檢驗時，其精度等級代表的誤差指傳感器測量的最大允許誤差。傳感器的一般特性48 (4) 最小檢測量和分辨力 最小檢測量是指傳感器能確切反映被測量的最低極限量。最小檢測量越小，表示傳感器檢測微量的能力越高。 由于傳感器的最小檢測量易受噪聲的影響，所以一般用相當于噪聲電平若干倍的被測量為最小檢測量，用公式表示為 (2-1-14) 式中 M最小檢測量； C系數(shù)(一般取15)； N噪聲電平； K傳感器的靈敏度。2 傳感器的一般特性49 例如，電容式壓力傳感器的噪聲電平為0.2

18、mV，靈敏度K為5 mV/mm ，若取C=2，則根據(jù)(1-14)式計算得最小檢測量為0.08 mm 。 數(shù)字式傳感器一般用分辨力表示，即輸出數(shù)字指示值最后一位數(shù)字所代表的輸入量。2 傳感器的一般特性(5). 遲滯傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合程度為遲滯。0yxHmaxyFS遲滯特性 遲滯特性如圖所示，它一般是由實驗方法測得。傳感器在全量程范圍內最大的遲滯差值Hmax與滿量程輸出值YFS之比稱為遲滯誤差,用dH表示，即 51 式中 輸出值在正反行程間的最大偏差； 傳感器的遲滯。 遲滯現(xiàn)象反映了傳感器機械結構和制造工藝上的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動、元件腐蝕或碎裂及積塞灰塵等。 2 傳感器的一般特性(6). 重復性 重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。重復性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即yx0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重復性偏差， Rmax2反行程的最大重復性偏差。53 式中 重復性； 標準偏差。 當用貝塞爾公式計算標準偏差時，則有 (2-1-18) 式中 測量值