傳感技術(shù)及應(yīng)用1緒論

傳感技術(shù)及應(yīng)用課程名稱：傳感技術(shù)及應(yīng)用主講教師：趙永平聯(lián)系方式：工作地點：電機樓30035-8電話門課程的特點：1、是大四的專業(yè)課2、課程具有較強實踐性3、課程涉及的知識面廣4、是一門工程性、應(yīng)用性都非常強的課程課程特點課程的重要性1、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱，它們分別是智能系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”。2、傳感器是測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行準確可靠的測量，就無法實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換和信息處理、無法完成最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制。課程的重要性課程教材和參考書課程教材和參考書教材：唐文彥主編《傳感器》第4版機械工業(yè)出版社2007年參考書：1、強錫富主編《傳感器》第3版機械工業(yè)出版社，

2002年2、余瑞芬主編.傳感器原理.北京：航空工業(yè)出版社，

1995年3、王化祥，張淑英編著.傳感器原理及應(yīng)用.

天津大學出版社，1999年4、劉迎春，葉湘濱編著.傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用.

國防科技大學出版社,1997年5、黃繼昌，徐巧魚等編著.傳感器工作原理及應(yīng)用實例.人民郵電出版社，1998年課程要求

課程要求1、對課程的內(nèi)容分“了解、理解、掌握”三個層次提出要求；2、對各類傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域中較重要的敏感技術(shù)有相當?shù)恼J識；3、在未來具體工作中，在傳感器和執(zhí)行器選擇、使用、設(shè)計以及進一步深入研究方面具備良好的基礎(chǔ)；4、在學習過程中，應(yīng)當從應(yīng)用的角度出發(fā)。課程的考核方式1、平時考核成績，約占20%2、實驗成績，約占10%3、課程結(jié)業(yè)綜合考試，約占70%

本課程總成績的組成第一章傳感器概述第一章傳感器概述§1-1傳感器與非電量測量一、非電量與非電量測量二、非電量電測系統(tǒng)轉(zhuǎn)換電路物理信息化學信息生物信息電信號光信號敏感元件傳感器§1-2傳感器的定義第一章傳感器概述傳感器（Transducer/Sensor）的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。定義包含的意思：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸入量是某一種被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。③它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量不一定是電量，還可以是氣壓、光強等物理量，但主要是電物理量；④輸出與輸入之間有確定的對應(yīng)關(guān)系，且能達到一定的精度。

第一章傳感器概述輸出量為電量的傳感器，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。

轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成一定的電路參數(shù)。有時敏感元件和轉(zhuǎn)換元件的功能是由一個元件（敏感元件）實現(xiàn)的。

基本轉(zhuǎn)換電路：將敏感元件或轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)轉(zhuǎn)換、調(diào)理成一定形式的電量輸出。

敏感元件基本轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換元件被測量中間量輸出電量§1-3傳感器的分類第一章傳感器概述

非電學量→傳感器→電學量

角度位移速度壓力溫度濕度聲強光照磁場傳感器電壓電流電阻電容第一章傳感器概述1．按被測物理量分類常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,

旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,

壓力,真空度,力矩,風速,流速,

流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩磁電式，熱電式，機械式，電氣式，光學式，流體式等。2．按工作原理分類:切削力測量應(yīng)變片動圈式磁電傳感器

第一章傳感器概述第一章傳感器概述能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3．按信號變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.第一章傳感器概述4．按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.5．按輸出電信號類型分類根據(jù)傳感器輸出電信號的類型不同，可以分為：模擬量傳感器數(shù)字量傳感器開關(guān)量傳感器。如：接近開關(guān)是一種采用非接觸式檢測、輸出開關(guān)量的傳感器。第一章傳感器概述第一章傳感器概述§1-4傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域一、傳感器技術(shù)發(fā)展的重要性二、傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)在我們的身邊大量地使用著各種各樣的傳感器1、傳感器在工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用超聲波檢測電容指紋識別第一章傳感器概述第一章傳感器概述第一章傳感器概述這種遙控器所利用的是一種肉眼看不見的紅外光，又稱為紅外線。電視機的遙控器中就是使用著光學傳感器。肉眼看不見2、傳感器與家用電器這種麥克風是一種將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。第一章傳感器概述唱卡拉OK時使用的麥克風，也是一種傳感器。透光率傳感器第一章傳感器概述溫濕度傳感器溫度傳感器感應(yīng)水龍頭電子門第一章傳感器概述R1aR2uoUcc+R3Rt

功放b溫控室A+-uo1加熱元件這種溫度室是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器?；馂?zāi)報警器第一章傳感器概述機械鼠標的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第一章傳感器概述傳感器就是將光、聲音、溫度等物理量，轉(zhuǎn)換成為能夠用電子電路處理的電信號即電壓與電流的器件。第一章傳感器概述3、汽車與傳感器第一章傳感器概述汽車氣囊的保護作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。第一章傳感器概述輔助泊車傳感器雙聲納間隙檢測聲納后聲納電源指示轉(zhuǎn)向指示間隙警告ECU間隙檢測聲納集成開關(guān)面板[多功能信息顯示][多功能顯示]偵測柵第一章傳感器概述主要功能是判斷正前方及側(cè)前方的障礙物第一章傳感器概述定位、地理信息第一章傳感器概述汽車行駛速度測量4、傳感器在機器人上的應(yīng)用第一章傳感器概述觸覺能力：主要指確定工作對象是否存在，以及它的尺寸大小和形狀等。接近覺：主要用于探測機器人自身與周圍物體之間相對位置或距離的傳感器。接近覺界于觸覺與視覺之間。視覺：孔、邊、拐角的檢測及工作對象形狀的檢測等。壓覺：主要用于檢測機器人與作業(yè)對象之間接觸面的法向壓力值的大小?；X：主要用于檢測物體因自重相對于機器人手爪的滑移量的大小?；『笝C器人第一章傳感器概述弧焊機器人第一章傳感器概述噴漆機器人第一章傳感器概述裝配機器人第一章傳感器概述5、傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學上的應(yīng)用第一章傳感器概述醫(yī)用傳感器，是應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域的那一部分傳感器，它所拾取的信息是人體的生理信息，而它的輸出常以電信號來表現(xiàn)。人體生理信息有電信息和非電信息兩大類，從分布來說有體內(nèi)的（如血壓等各類壓力），也有體表的（如心電等各類生物電)和體外的(如紅外、生物磁等）6、傳感器與環(huán)境保護7、傳感器與航空及航天8、傳感器與遙感技術(shù)第一章傳感器概述§1-5傳感器的發(fā)展方向第一章傳感器概述

1.努力實現(xiàn)傳感器新特性

2.確保傳感器的可靠性，延長其使用壽命

3.提高傳感器集成化及功能化的程度

4.傳感器微型化

5.新型功能材料的開發(fā)§1-6傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性第一章傳感器概述

傳感器的基本特性：傳感器的輸入－輸出關(guān)系特性。是傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部表現(xiàn)。

輸入信號分為：穩(wěn)態(tài)、動態(tài)對應(yīng)傳感器特性：靜態(tài)特性、動態(tài)特性

對傳感器的要求：高精度－＞信號（或能量）無失真轉(zhuǎn)換－＞反映被測量的原始特征第一章傳感器概述一、傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指在穩(wěn)態(tài)條件下（傳感器無暫態(tài)分量）用分析或?qū)嶒灧椒ㄋ_定的輸入—輸出關(guān)系。這種關(guān)系可依不同情況，用函數(shù)或曲線表示，有時也用數(shù)據(jù)表格來表示。表征傳感器靜態(tài)特性的主要指標有線性度、靈敏度、遲滯、重復性等。第一章傳感器概述

1.線性度傳感器的理想輸入—輸出特性應(yīng)是線性的。第一章傳感器概述

線性度是以一定的擬合直線作基準與校準曲線作比較，其不一致的最大偏差與理論滿量程輸出值的百分比來進行計算：式中：YFS＝y(tǒng)max－ymin

——滿量程輸出電壓對于非理想直線特性的傳感器，需要進行非線性校正，常采用以下方法。第一章傳感器概述第一章傳感器概述（1）

端點法實際特性上分別對應(yīng)于測量下限xmin和測量上限xmax的點A和B的連線稱端點擬合直線。特點：方法簡單，但由于數(shù)據(jù)依據(jù)不充分，且計算的線性度值往往偏大，因此不能充分發(fā)揮傳感器的精度潛力。AB第一章傳感器概述（2）

平均選點法把傳感器全量程內(nèi)的所有校準數(shù)據(jù)，前后分成兩組，分別求出兩組的點系中心，這兩上點系中心的連線，就是平均選點法的擬合直線。特點：擬合精度較高，試驗點在擬合直線兩側(cè)分布，數(shù)據(jù)處理不復雜。前半部點系中心坐標為后半部點系中心坐標為因此通過兩個點系中心和的直線斜率為直線在y軸上的截距為或

把斜率和截距代入y=a+kx

中即得到平均選點法擬合直線方程。

第一章傳感器概述（3）最小二乘法把所有校準點數(shù)據(jù)都標在坐標圖上，用最小二乘法擬合的直線y=a+kx，其校準點與對應(yīng)的擬合直線的點之間的殘差平方和為最小。校準點擬合直線第一章傳感器概述特點：擬合精度高，計算復雜。2．遲滯遲滯特性說明傳感器加載（輸入量增大）和卸載（輸入量減?。┹斎搿敵鎏匦郧€不重合的程度。第一章傳感器概述產(chǎn)生原因：傳感器機械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等第一章傳感器概述3．重復性重復性是指傳感器輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。第一章傳感器概述4．靈敏度

傳感器輸出變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為靜態(tài)靈敏度。

（擬合直線即為斜率）

5．分辨力分辨力是指傳感器可能檢測出被測信號的最小增量。第一章傳感器概述二、傳感器的動態(tài)特性1.概述傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對激勵（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性。2.頻率特性及其與動態(tài)品質(zhì)之間的關(guān)系線性系統(tǒng)在正弦輸入作用下的輸出幅值與輸入幅值的比值稱為系統(tǒng)的幅頻特性，以或兩者統(tǒng)稱為頻率特性。表示。

表示；輸出與輸入之間隨頻率而變的相位特性稱為相頻特性，以在研究傳感器時域動態(tài)特性時，為表征傳感器的動態(tài)特性常用上升時間trs、響應(yīng)時間tst、過調(diào)量c等參數(shù)來綜合描述。上升時間trs─

輸出指示值從最終穩(wěn)定值的5％或10％變到最終穩(wěn)定值的95％或90％所需的時間；響應(yīng)時間tst─

從輸入量開始起作用到輸出指示值進入穩(wěn)定值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時間。最終穩(wěn)定值的允許范圍常取所允許的測量誤差值zr，如tst=5S(±2%)；過調(diào)量c─

輸出第一次達到穩(wěn)定值后又超出穩(wěn)定值而出現(xiàn)的最大偏差。

第一章傳感器概述3.傳感器的動態(tài)時域特征4.傳感器