第1章傳感器基本知識(shí)課件

第一章傳感器的基本知識(shí)10/2/20231學(xué)習(xí)要點(diǎn)掌握傳感器的概念及組成熟悉傳感器的分類方法了解傳感器的命名方法掌握傳感器的一般特性10/2/202321.1傳感器的作用與地位1.2傳感器的應(yīng)用與發(fā)展1.3傳感器的定義與組成1.4傳感器的分類1.5傳感器的命名及代號(hào)1.6傳感器的基本特性本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄10/2/202331.1傳感器的作用與地位

世界是由物質(zhì)組成的，各種事物都是物質(zhì)的不同形態(tài)。人們?yōu)榱藦耐饨绔@得信息，必須借助于感覺器官。人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮膚分別具有視、聽、嗅、味、觸覺等直接感受周圍事物變化的功能，人的大腦對(duì)“五官”感受到的信息進(jìn)行加工、處理，從而調(diào)節(jié)人的行為活動(dòng)。人們?cè)谘芯孔匀滑F(xiàn)象、規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中，有時(shí)需要對(duì)某一事物的存在與否作定性了解，有時(shí)需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量以確定對(duì)象的量值的確切數(shù)據(jù)，所以單靠人的自身感覺器官的功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要借助于某種儀器設(shè)備來完成，這種儀器設(shè)備就是傳感器。傳感器是人類“五官”的延伸，是信息采集系統(tǒng)的首要部件。10/2/20234人體信息測(cè)控過程與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的比較10/2/2023510/2/20236電量和非電量表征物質(zhì)特性及運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)很多，根據(jù)物質(zhì)的電特性，可分為電量和非電量兩類。電量——一般是指物理學(xué)中的電學(xué)量，例如電壓、電流等；非電量——?jiǎng)t是指除電量之外的一些參數(shù)，例如壓力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、溫度、濃度及酸堿度等等。人類為了認(rèn)識(shí)物質(zhì)及事物的本質(zhì)，需要對(duì)物質(zhì)特性進(jìn)行測(cè)量，其中大多數(shù)是對(duì)非電量的測(cè)量。10/2/20237傳感器的作用非電量不能直接使用一般的電工儀表和電子儀器進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)橐话愕碾姽x表和電子儀器只能測(cè)量電量，要求輸入的信號(hào)為電信號(hào)。非電量需要轉(zhuǎn)化成與其有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器。傳感器是獲取自然或生產(chǎn)中信息的關(guān)鍵器件，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集工具。采用傳感器技術(shù)的非電量電測(cè)方法，就是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)量技術(shù)。10/2/20238檢測(cè)系統(tǒng)的組成傳感器測(cè)量電路被測(cè)量信號(hào)電量指示儀記錄儀CRT處理器電源10/2/20239傳感器的地位隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱產(chǎn)業(yè)，分別充當(dāng)信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”，他們構(gòu)成了一個(gè)完整的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。在利用信息的過程中，首先要解決的問題就是獲取可靠、準(zhǔn)確信息，所以傳感器精度的高低直接影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的精度，可以說沒有性能優(yōu)良的傳感器，就沒有現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展。返回本章目錄10/2/2023101.2傳感器的應(yīng)用與發(fā)展傳感器幾乎滲透到所有的技術(shù)領(lǐng)域。如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探索、環(huán)境保護(hù)、資源利用、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、文物保護(hù)等等廣泛領(lǐng)域，并逐漸深入到人們的生活中。在機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展中，傳感器采用與否及采用數(shù)量的多少是衡量機(jī)器人是否具有智能的標(biāo)志，現(xiàn)代智能機(jī)器人因?yàn)椴捎昧舜罅康摹⑿阅芨玫?、功能更?qiáng)的、集成度更高的傳感器，才使得其具有自我診斷、自我補(bǔ)償、自我學(xué)習(xí)等能力，機(jī)器人通過傳感器實(shí)現(xiàn)類似于人的知覺作用。傳感器被稱為機(jī)器人的“電五官”。10/2/202311四川地震中的生命探測(cè)儀及其使用10/2/202312在航空、航天技術(shù)領(lǐng)域，僅阿波羅10號(hào)飛船就使用了數(shù)千個(gè)傳感器對(duì)3295個(gè)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。10/2/202313常娥一號(hào)10/2/202314常娥一號(hào)10/2/202315在兵器領(lǐng)域中，使用了諸如機(jī)械式、壓電、電容、電磁、光纖、紅外、激光、生物、微波等等傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)與目標(biāo)定位信息的收集，從而更好的解決了安全、可靠的防衛(wèi)能力。10/2/202316在民用工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器也起著至關(guān)重要的作用。如一座大型煉鋼廠就需要2萬多臺(tái)傳感器和檢測(cè)儀表煉鐵高爐監(jiān)控與傳動(dòng)系統(tǒng)

10/2/202317大型的石油化工廠需要6千臺(tái)傳感器和檢測(cè)儀表10/2/202318一部現(xiàn)代化汽車需要90多只傳感器播放汽車測(cè)試視頻10/2/202319在醫(yī)學(xué)上，人體的體溫、血壓、心腦電波及腫瘤等的準(zhǔn)確診斷與監(jiān)控都需要借助各種傳感器來完成。10/2/202320同學(xué)們能列舉出我們?nèi)粘Ｉ钪袔鞲衅?？?0/2/202321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)。沒有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行精確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，就沒有現(xiàn)代化的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)；沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展。那么，什么是傳感器？傳感器的組成及分類有哪些？10/2/2023221.3傳感器的定義與組成1.3.1傳感器的定義“能感受（或響應(yīng)）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”。這一定義包含了幾個(gè)方面的含義：①傳感器是測(cè)量裝置，能完成測(cè)量任務(wù)；②它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量、也可能是化學(xué)量、生物量等；10/2/202323③它的輸出量是某一物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等，這就是所謂的“可用信號(hào)”的含義；④輸出與輸入有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系要有一定的規(guī)律。10/2/202324被測(cè)非電量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量構(gòu)成有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的某一物理量的元件。

將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)變換為便于處理、顯示、記錄、控制和傳輸?shù)目捎秒娦盘?hào)敏感元件轉(zhuǎn)換元件電源1.3.2傳感器的組成并不是所有的傳感器必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件如果轉(zhuǎn)換元件能直接感受被測(cè)量而輸出與之成一定關(guān)系的電量，它就同時(shí)兼為敏感元件。例如壓電晶體、熱電偶、熱敏感電阻及光電器件等。敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩者合二為一的傳感器是很多的。返回本章目錄10/2/2023251.4傳感器的分類常用的分類方法有兩種：一種是按被測(cè)輸入量來分.另一種是按傳感器的工作原理來分.10/2/2023261.4.1按被測(cè)物理量分類這一種方法是根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、液位傳感器、力傳感器、加速度傳感器及轉(zhuǎn)距傳感器等。10/2/202327表1-1基本被測(cè)量和派生被測(cè)量基本被測(cè)量派生被測(cè)量基本被測(cè)量派生被測(cè)量位移線位移長度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、平面度力壓力重量、應(yīng)力、力矩角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)時(shí)間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量溫度熱容、氣體速度、渦流角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)、角動(dòng)量光光通量與密度、光譜分布加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量濕度水分、水氣、露點(diǎn)角加速度角振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量10/2/2023281.4.2按傳感器工作原理分類這一種分類方法是以工作原理劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)。這種分類的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)傳感器的工作原理表達(dá)的比較清楚，而且類別少，有利于傳感器專業(yè)工作者對(duì)傳感器進(jìn)行深入的研究分析。缺點(diǎn)是不便于使用者根據(jù)用途選用。10/2/2023291.

電學(xué)式傳感器電學(xué)式傳感器常用的有:

電阻式傳感器——利用變阻器將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)的原理制成。電容式傳感器——利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從而使電容量發(fā)生變化的原理制成的。電感式傳感器——利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的電感量或壓磁效應(yīng)原理制成的。磁電式傳感器——利用電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電量而制成。電渦流式傳感器——利用金屬在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，在金屬內(nèi)形成渦流的原理而制成。10/2/2023302.

磁學(xué)式傳感器磁學(xué)式傳感器的是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的。磁學(xué)式傳感器的主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測(cè)量。10/2/2023313.

光電式傳感器光電式傳感器在非電量電測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理制成。光電式傳感器主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測(cè)量。10/2/2023324.電勢(shì)型傳感器電勢(shì)型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)及霍耳效應(yīng)等原理而制成。電勢(shì)型傳感器主要用于溫度、磁通量、電流、速度、光通量及熱輻射等參數(shù)的測(cè)量。10/2/2023335.

電荷型傳感器電荷型傳感器是利用壓電效應(yīng)原理而制成。主要用于力及加速度的測(cè)量。（動(dòng)態(tài)力測(cè)量）10/2/2023346.

半導(dǎo)體型傳感器半導(dǎo)體型傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、電磁效應(yīng)及半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。半導(dǎo)體型傳感器主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場(chǎng)和有害氣體的測(cè)量。10/2/2023357.

諧振式傳感器諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成。主要用來測(cè)量壓力。10/2/2023368.

電化學(xué)式傳感器電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成。根據(jù)其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜（極化）式傳感器和電解式傳感器等。電化學(xué)式傳感器主要用于分析氣體成分、液體成分、溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位參數(shù)的測(cè)量。10/2/202337其他分類方法按能量分類——有源傳感器和無源傳感器；按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類——模擬式和數(shù)字式傳感器。數(shù)字式傳感器輸出為數(shù)字量，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，且抗干擾性較強(qiáng)，例如盤式角度數(shù)字傳感器，光柵傳感器等。返回本章目錄說一下，我們這本書是用的什么分類方法10/2/2023381.6傳感器的基本特性傳感器的基本特性，即輸入——輸出特性

動(dòng)態(tài)特性----被測(cè)量隨時(shí)間快速變化時(shí)傳感器輸入與輸出間的關(guān)系。靜態(tài)特性----被測(cè)量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢時(shí)輸入與輸出間的關(guān)系。傳感器的基本特性10/2/202339靜態(tài)測(cè)量10/2/202340緩慢變化的測(cè)量-靜態(tài)測(cè)量10/2/202341動(dòng)態(tài)測(cè)量10/2/2023421.6.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型----靜態(tài)的數(shù)學(xué)模型是指在靜態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出與輸入量之間的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮遲滯特性和蠕動(dòng)效應(yīng)，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般可用ｎ次多項(xiàng)式來表示為

(1-1)輸入量，即被測(cè)量傳感器的理論輸出量零輸入時(shí)的輸出,也叫零位輸出傳感器線性項(xiàng)系數(shù)也稱線性靈敏度，常用K或S表示非線性項(xiàng)系數(shù)，其數(shù)值由具體傳感器非線性特性決定10/2/202343傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型4種特殊形式理想的線性特性----能準(zhǔn)確無誤地反映被測(cè)的真值線性傳感器的特性----不過原點(diǎn)的直線僅有偶次非線性項(xiàng)----線性范圍較窄，線性度較差，靈敏度為相應(yīng)曲線的斜率

僅有奇次非線性項(xiàng)----線性范圍較寬，且特性曲線相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)稱，具有這種特性的傳感器使用時(shí)應(yīng)采取線性補(bǔ)償措施

圖1-2傳感器典型靜態(tài)特性曲線

n=0,1,2,……

10/2/2023442.傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性主要由性能指標(biāo)來描述量程范圍線性度靈敏度重復(fù)性遲滯分辨力和閾值穩(wěn)定性漂移10/2/202345線性度線性度----傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的程度，又稱非線性誤差。線性度可用下式表示為

………(1-6)實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差滿量程輸出平均值最大輸出平均值最小輸出平均值10/2/202346線性度是以擬合直線作為基準(zhǔn)來確定的，

擬合方法不同，線性度的大小也不同常用的擬合方法有理論直線法、端點(diǎn)連線法、割線法、最小二乘法等。端點(diǎn)連線法簡單直觀，應(yīng)用比較廣泛，但沒有考慮所有測(cè)量數(shù)據(jù)的分布，擬合精度較低。最小二乘法擬合精度最高，但計(jì)算繁瑣，需要借助計(jì)算機(jī)來完成。10/2/2023472.靈敏度靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖1-4a所示.圖1-4傳感器的靈敏度非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變量，如圖1-4b所示.10/2/202348作圖法求靈敏度切點(diǎn)傳感器特性曲線10/2/2023493.重復(fù)性重復(fù)性----傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-5所示。不重復(fù)性主要由傳感器的機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)、部件的內(nèi)摩擦、積塵、電路老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生。多次測(cè)試的不重復(fù)誤差，多次測(cè)試的曲線越重合，其重復(fù)性越好。輸出最大不重復(fù)誤差滿量程輸出平均值圖1-5重復(fù)性10/2/2023504.遲滯現(xiàn)象遲滯現(xiàn)象----傳感器在正向行程(輸入量增大)和反向行程(輸入量減小)期間，輸出—輸入特性曲線不一致的程度，如圖1—6所示。（1-12）遲滯反映了傳感器機(jī)械部分不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動(dòng)、元件腐蝕或碎裂、材料內(nèi)摩擦、積塵等。最大滯環(huán)誤差

圖1-6遲滯特性10/2/202351圖1-7分辨力和閾值5.分辨力和閾值

傳感器的分辯力----實(shí)際測(cè)量時(shí)，傳感器的輸入輸出關(guān)系不可能保持絕對(duì)連續(xù)。有時(shí)輸入量開始變化，但輸出量并不立刻隨之變化，而是輸入量變化到某一程度時(shí)輸出才突然產(chǎn)生一小的階躍變化。實(shí)際上傳感器的特性曲線并不是十分平滑，而是呈階梯形變化的，如圖1-7所示。在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量△Xmin（有量綱）。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示（分辨率-無量綱）。閾值通常又稱為死區(qū)、失靈區(qū)、靈敏限、靈敏閾、鈍感區(qū)，是輸入量由零變化到使輸出量開始發(fā)生可觀變化的輸入量的值，圖中的值。10/2/202352對(duì)于數(shù)字儀表而言，指示數(shù)字的最后一位數(shù)字所代表的值就是它的分辨力。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，儀表的最后一位數(shù)字保持不變。分辨力是一個(gè)可反映傳感器能否精密測(cè)量的性能指標(biāo)，即可用輸入量來表示，也可用輸出量來表示。造成傳感器具有有限分辨力的因素很多，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)造成的干摩擦和卡塞等。10/2/2023536.穩(wěn)定性穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長期穩(wěn)定性表示，它是指在室溫條件下,經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定度。10/2/2023547.漂移傳感器的漂移----外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。