傳感技術(shù)(緒論特性)

傳感技術(shù)信息工程系

王琦

課程介紹

本課程屬于自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)選修課，它是《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》這門專業(yè)基礎(chǔ)課的后續(xù)課程。大家在學(xué)習(xí)了《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》這門課后，已經(jīng)對(duì)各種參數(shù)的測(cè)量原理、測(cè)量方法、測(cè)量?jī)x器儀表有了一定的了解。既然，測(cè)量?jī)x表從結(jié)構(gòu)上而言可劃分為：敏感元件（感受元件）、變送元件和顯示元件三部分。那么，在本學(xué)期又專門設(shè)置這門課目的何在？它與《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》中敏感元件的工作原理的闡述、分析有何區(qū)別呢？概括地說，《傳感技術(shù)》這門課是以敏感元件的工作原理為入手點(diǎn)，著重分析傳感器是如何將輸出信號(hào)與被測(cè)量一一對(duì)應(yīng)起來的，并介紹如何選擇傳感器的型號(hào)，在應(yīng)用中如何使傳感器的工作品質(zhì)得以充分體現(xiàn)。各種類型、不同功能的傳感器及其在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用對(duì)同學(xué)們開闊視野、進(jìn)一步認(rèn)識(shí)參數(shù)檢測(cè)有極大的幫助。本教材依據(jù)傳感器的工作原理進(jìn)行章節(jié)劃分，包括：熱電傳感器、應(yīng)變傳感器、磁敏傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器、光柵傳感器、光電傳感器、氣敏、濕敏傳感器、智能傳感器等章節(jié)，內(nèi)容多、覆蓋面廣。希望同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中，經(jīng)常性地、有意識(shí)地與《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》相聯(lián)系，總結(jié)兩課程的區(qū)別與聯(lián)系。參考書籍

《集成傳感器應(yīng)用入門》

浙江大學(xué)出版社《傳感及其遙控遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用》

丁鎮(zhèn)生

電子工業(yè)出版社《傳感器及其應(yīng)用電路》

何希才

電子工業(yè)出版社《傳感器電路設(shè)計(jì)手冊(cè)》

吉野新治

中國(guó)計(jì)量出版社緒論傳感器（sensor或Transducer）是一種裝置或器件。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87給傳感器的定義是：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。傳感器的重要性

傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)

傳感器是航天、航海事業(yè)中不可缺少的器件

傳感器是機(jī)器人的重要組成部件

能源開發(fā)和合理利用離不開傳感器

傳感器是產(chǎn)品定型、汽車試車、飛機(jī)試飛等的必要器件

傳感器在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)療器械工程等方面的應(yīng)用前景廣闊

傳感器已滲透到人們的日常生活之中

傳感器的發(fā)展方向

新型傳感器將伴隨新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和新材料的開發(fā)

集成化、多功能

智能化

充分利用微加工技術(shù)和工藝

不斷向高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度發(fā)展

傳感器技術(shù)面臨從傳統(tǒng)向新型的突破

圖像傳感器領(lǐng)域的變化只是傳感器技術(shù)變化的一個(gè)縮影。傳感器技術(shù)的最大特點(diǎn)就是不斷引入多學(xué)科的新技術(shù)發(fā)展新功能，現(xiàn)在，隨著電子、MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）、生物技術(shù)、物理、化學(xué)、光學(xué)等等技術(shù)的飛速發(fā)展，以及人類對(duì)自然變化認(rèn)知的深入，傳感器技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入由傳統(tǒng)向新型突破的關(guān)鍵階段，預(yù)計(jì)未來傳感器技術(shù)發(fā)展將呈現(xiàn)出微型化、數(shù)字化、多功能化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化等趨勢(shì)。現(xiàn)在，3D傳感器和加速計(jì)等MEMS器件正在包括手機(jī)、游戲機(jī)、玩具、GPS、筆記本電腦以及硬盤等在內(nèi)的新興應(yīng)用中迅速擴(kuò)張;醫(yī)療電子，尤其是便攜醫(yī)療電子市場(chǎng)也將對(duì)各種新型傳感器產(chǎn)生巨大的需求。而傳感器最大的應(yīng)用市場(chǎng)——汽車——也正呈現(xiàn)出電子化、智能化越來越明顯的趨勢(shì)，在汽車動(dòng)力系統(tǒng)中，凸輪和曲軸傳感器因?yàn)榕c汽車的“心臟”發(fā)動(dòng)機(jī)密切相關(guān)，成為動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵;在安全管理系統(tǒng)中，壓力傳感器實(shí)現(xiàn)側(cè)氣囊控制;車門模塊中，車門把手、車窗控制上使用了直流馬達(dá)位置傳感器;變速箱通過使用2軸或3軸角度/線性傳感器;被動(dòng)安全裝置包括座椅承重的檢測(cè)、安全帶打開/扣住的監(jiān)測(cè)、座椅位置調(diào)節(jié)的檢測(cè)（保證氣囊系統(tǒng)的有效保護(hù)）等等。

此外，專家預(yù)計(jì)，傳感網(wǎng)絡(luò)還將成為繼計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)之后的信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。有調(diào)研機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2020年，物物互聯(lián)業(yè)務(wù)與現(xiàn)有人人互聯(lián)業(yè)務(wù)之比將達(dá)到30:1，物物互聯(lián)將成為下一個(gè)萬億級(jí)的信息產(chǎn)業(yè)。

傳感器的微型化、數(shù)字化、多功能化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展趨勢(shì)也對(duì)傳感器的制造工藝和材料提出了更高要求。磁敏、氣敏、力敏、熱敏、光電、激光等多種傳感器應(yīng)運(yùn)而生，傳感器的材料也從金屬發(fā)展成為半導(dǎo)體、陶瓷、光學(xué)纖維等材料。微型化、智能化、非接觸測(cè)量和MEMS傳感技術(shù)也將逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械式、應(yīng)變片式、滑動(dòng)電位器等傳感技術(shù)。今后各大傳感器廠商在市場(chǎng)上的比拼重點(diǎn)，將是提升傳感器的技術(shù)含量，擴(kuò)大傳感器應(yīng)用范圍，降低生產(chǎn)成本，并推動(dòng)新的技術(shù)革命，促進(jìn)傳感器工業(yè)的發(fā)展。1傳感器的特性

傳感器的組成傳感器的分類傳感器的基本特性傳感器的組成

傳感器=敏感元件（預(yù)變換器）+變換元件（變換器）敏感元件（預(yù)變換器）：將待測(cè)的非電量變換成電量或易于變換為電量的另一種非電量。變換元件（變換器）：將非電量變換為電量。傳感器的輸入信號(hào)是被測(cè)的物理量（如：長(zhǎng)度、重量）等，其輸出信號(hào)盡可能只是被測(cè)信號(hào)的確定性單值函數(shù)，且最好呈線性。

傳感器應(yīng)唯一、正確地反映被測(cè)量的大小，而對(duì)其他干擾信號(hào)加以抑制，對(duì)不良影響加以修正。

傳感器的分類

按輸入被測(cè)量分類熱工量：溫度、熱量、比熱、壓力、壓差、流量、流速、風(fēng)速、真空度機(jī)械量：位移、尺寸、形狀、力、應(yīng)力、力矩、振動(dòng)、加速度、噪聲物理、化學(xué)量：氣體（液體）化學(xué)成分、濃度、鹽度、粘度、濕度、密度、比重生物、醫(yī)學(xué)量：心音、血壓、體溫、氣流量、心電流、眼壓、腦電波

傳感器的分類

按工作原理分類

變電阻：電位器式、應(yīng)變式、壓阻式等傳感器變磁阻：電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式等變電容：電容式、濕敏傳感器變諧振頻率：振動(dòng)膜（筒、弦、梁）式傳感器等變電荷：壓電式傳感器變電勢(shì)：霍爾式、熱電偶傳感器

傳感器的分類按輸出信號(hào)形式分類非電量式：色溫度傳感器電量式：開關(guān)式：有觸點(diǎn)式、無觸點(diǎn)式

模擬量式：脈沖式（頻率、峰值、脈寬）、

連續(xù)式（變電阻、變電壓、變電流、

變電感、變電容）、頻率變化式

數(shù)字量式：脈沖數(shù)式、編碼式

傳感器的基本特性

靜態(tài)特性：被測(cè)量的各值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式、曲線或數(shù)表。

衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有：線性度、遲滯、重復(fù)性、精度、靈敏度、閾值、分辨力和漂移。

動(dòng)態(tài)特性：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)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式、曲線或數(shù)表。

靜態(tài)特性

線性度：測(cè)出的輸出—輸入校準(zhǔn)曲線與某一擬合直線的不吻合程度，稱為傳感器的非線性誤差或線性度。

選取的擬合直線不同，線性度就不同，因而在給出線性度時(shí)，必須說明所依據(jù)的擬合直線。這些直線包括：理論直線、端點(diǎn)連線、最小二乘擬合直線、最佳直線等，與之對(duì)應(yīng)的有理論線性度、端點(diǎn)連線線性度、最小二乘線性度、獨(dú)立線性度等。

理論直線：以傳感器的理論特性直線作為擬合直線，它與實(shí)際測(cè)試值無關(guān)。y=kx

端點(diǎn)連線：以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)的連線作為擬合直線。y=b+kx

最小二乘擬合直線：該直線能保證傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。最佳直線：該直線能保證傳感器正、反行程校準(zhǔn)曲線對(duì)它的正、負(fù)偏差相等并且最小。由此所得“獨(dú)立線性度”的擬合精度最高。

靜態(tài)特性

重復(fù)性：表示傳感器在同一工作條件下，被測(cè)輸入量按同一方向做全程連續(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。

遲滯：表明傳感器在正、反行程期間，輸出—輸入曲線不重合的程度，即對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正、反行程的輸出信號(hào)大小不相等。

靜態(tài)特性靈敏度：傳感器輸出增量與輸入增量之比。閾值：傳感器的輸入從零開始緩慢增加時(shí)，使輸出變化的最小輸入值。閾值是傳感器的最小可測(cè)的輸入量。分辨力：又稱“靈敏度閾”，指?jìng)鞲衅鞯妮斎霃姆橇愕娜我庵稻徛黾訒r(shí)，使輸出變化的輸入增量值。分辨力是傳感器可測(cè)的最小輸入變化量。分辨力與量程之比的百分?jǐn)?shù)稱為分辨率。工業(yè)儀表的精度：測(cè)量范圍內(nèi)最大絕對(duì)誤差與量程之比的100倍。

精度（精確度）：系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合誤差指標(biāo)。

漂移：反映傳感器隨環(huán)境的變化（溫度）、時(shí)間的推移，輸出的變化，漂移是傳感器穩(wěn)定性的重要性能指標(biāo)。時(shí)間漂移：指?jìng)鞲衅髁阄浑S時(shí)間變化的大小。零點(diǎn)漂移：指?jìng)鞲衅鞯牧阄浑S溫度變化的大小。靈敏度漂移：指?jìng)鞲衅鞯撵`敏度隨溫度變化的大小。動(dòng)態(tài)特性

時(shí)域性能指標(biāo)：以階躍函數(shù)作為典型輸入。使用函數(shù)發(fā)生器（激波管）、示波器。

時(shí)間常數(shù)T：輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所需的時(shí)間。上升時(shí)間tr：輸出從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間t5、t2：輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的95%或98%所需的時(shí)間。超調(diào)量σ：過渡過程中，y(tp)>y(∞)，則

動(dòng)態(tài)特性反映對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性，它反映了傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力?？梢允?/p>