《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》 課件 第2章傳感器

第2章傳感器的基本知識本章內(nèi)容1、傳感器的概述2、常見的傳感器3、傳感器的基本特性和選型4、微型傳感器應(yīng)用實例學(xué)習(xí)本章的目的和要求1、掌握傳感器的定義和作用2、熟悉傳感器的組成和分類3、了解常見的傳感器4、了解傳感器的基本特性5、掌握傳感器選型的原則6、了解傳感器的應(yīng)用實例2.1傳感器概述1、傳感器的定義和作用

什么是傳感器？一般來說能夠把特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號（電信號、光信號等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。物理量是基于力、熱、光、磁和聲等物理效應(yīng)。生命探測儀：光學(xué)生命探測儀、聲波生命探測儀、熱紅外生命探測儀槍聲定位反恐系統(tǒng)

傳感器的作用是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量或電路的通斷，從而完成測量、處理和控制的功能。其作用類似于人的感覺器官，是實現(xiàn)測量和控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器非電學(xué)量電學(xué)量例：2001年的1月和7月，美國的國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)計劃分別進(jìn)行了兩次實驗，均因傳感器的故障，使得每次耗資9000萬的實驗以失敗告終。2005年7月13日“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)外掛燃料箱上的4個引擎控制傳感器之一發(fā)生了故障，直接導(dǎo)致原發(fā)射計劃的推遲。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成。

敏感元件是傳感器中能感受或響應(yīng)被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的信號（一般指電信號）部分?；巨D(zhuǎn)換電路可以對獲得的微弱電信號進(jìn)行放大、運算調(diào)制等。另外，基本轉(zhuǎn)換電路工作時必須有輔助電源。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，構(gòu)成集成傳感器。2、傳感器的組成

傳感器接口技術(shù)是非常實用和重要的技術(shù)。各種物理量用傳感器將其變成電信號，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號檢測和預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計算機(jī)或者微處理器處理。3、傳感器的分類傳感器的分類方法很多。（1）按被測量與輸出電量的轉(zhuǎn)換原理劃分，可分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型兩大類。能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測對象（如機(jī)械量）的輸入轉(zhuǎn)換成電能。屬于這種類型的傳感器包括壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電偶傳感器等。能量控制型傳感器直接將被測量轉(zhuǎn)換成電參量（如電阻等），依靠外部輔助電源才能工作，并且由被測量控制外部供給能量的變化。屬于這種類型的傳感器包括電阻式、電感式、電容式等。（2）傳感器按測量原理分類，主要有物理和化學(xué)原理，包括電參量式、磁電式、磁致伸縮式、壓電式和半導(dǎo)體式等。

（3）按被測量的性質(zhì)不同劃分為位移傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。（4）按輸出信號的性質(zhì)可分為開關(guān)型（二值型）、數(shù)字型、模擬型。數(shù)字式傳感器能把被測的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，它的特點是抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于微機(jī)接口、便于信號處理和實現(xiàn)自動化測量。2.2常見傳感器的類型介紹1、能量控制型傳感器

能量控制型傳感器將被測非電量轉(zhuǎn)換成電參量，在工作過程中不能起換能作用，需從外部供給輔助能源使其工作，所以又稱作無源傳感器。電阻式、電容式、電感式均屬這一類型。2、能量轉(zhuǎn)換型傳感器

能量轉(zhuǎn)換型傳感器感受外界機(jī)械量變化后，輸出電壓、電流或電荷量。它可以直接輸出或放大后輸出信號，傳感器本身相當(dāng)于一個電壓源或電流源，因而這種傳感器又叫做有源傳感器。壓電式、磁電式和熱電式傳感器等均屬這一類型。3、光敏傳感器光敏傳感器是一種感應(yīng)光線強(qiáng)弱的傳感器。當(dāng)感應(yīng)到光強(qiáng)度不同時，光敏探頭內(nèi)的電阻值就會有變化。常見的光敏傳感器有光電式傳感器、色敏傳感器、CCD圖像傳感器和紅外/熱釋電式光敏器件等。將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。(1)光電式傳感器光電式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，再通過光電器件把光信號的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。

條形碼掃描筆光電鼠標(biāo)光敏元件聲敏元件聲控光敏延時開關(guān)光控閃爍安全警示燈光控閃光標(biāo)志燈戒煙缸計數(shù)器(2)色敏傳感器色敏傳感器是由光敏二極管和濾色器構(gòu)成的一種傳感器。主要有半導(dǎo)體色敏器件和非晶硅單色彩傳感器。半導(dǎo)體色敏器件則可用來直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。非晶硅單色彩傳感器是一種能識別紅、綠、蘭等特定顏色的彩色傳感器。(3)CCD圖像傳感器首款11100萬像素的CCD圖像傳感器(4)紅外/熱釋電光傳感器

主要應(yīng)用在軍事偵察、資源探測、人體感應(yīng)開關(guān)、人體感應(yīng)燈、紅外玩具、安防防盜器材、火災(zāi)報警、溫度檢測、自動控制等眾多領(lǐng)域。4、氣、濕敏傳感器氣敏傳感器是一種能將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。半導(dǎo)體氣敏傳感器廣泛應(yīng)用于可制成液化石油氣、天然氣、城市煤氣、煤礦瓦斯，以及有毒氣體等方面的報警器，也可用于對大氣污染進(jìn)行監(jiān)測，以及在醫(yī)療上用于對02、CO等氣體的測量，生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹調(diào)裝置、酒精濃度探測等方面。

濕敏傳感器是將被檢測量的濕度轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。數(shù)字溫濕敏度傳感器葉面濕度傳感器5、集成與智能傳感器

集成傳感器是將敏感元件、測量電路和各種補(bǔ)償元件等集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)和性能好的特點。目前廣泛應(yīng)用的集成傳感器有集成溫度傳感器、集成壓力傳感器、集成霍爾傳感器等。若將幾種不同的敏感元件集成在一個芯片上，可以制成多功能傳感器，可同時測量多種參數(shù)。

智能傳感器（SmartSensor）是在集成傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種裝有微處理器的、能夠信息處理和信息存儲以及邏輯分析判斷的傳感器系統(tǒng)。智能傳感器利用集成或混合集成的方式將傳感器、信號處理電路和微處理器集成為一個整體。智能數(shù)字式稱重傳感器無限傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)GPS、通信、天氣、聽音樂、藍(lán)牙、WiFi等功能智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，具有如下幾個特點：（1）具有自動調(diào)零和自動校準(zhǔn)功能。（2）具有判斷和信息處理功能，對測量值進(jìn)行各種修正和誤差補(bǔ)償。（3）實現(xiàn)多參數(shù)綜合測量。（4）自動診斷故障。（5）具有數(shù)字通信接口，便于與計算機(jī)聯(lián)機(jī)。2.3傳感器的基本特性和選型2.3.1傳感器的基本特性傳感器的正確選用是保證不失真測量的首要環(huán)節(jié)，因而在選用傳感器之前，掌握傳感器的基本特性是必要的。

傳感器的基本特性是指輸入與輸出之間的關(guān)系。測量范圍(measuringrange)

傳感器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。量程(span)

傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差，稱為量程。傳感器的基本特性主要分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。1、反映傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。主要包括靈敏度、線性度、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移、精度、分辨力、遲滯等。

靜態(tài)模型：線性模型

傳感器的靈敏度指傳感器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，輸出變化量與引起變化的輸入變化量之比。k=輸出變化量/輸入變化量=△Y/△X=dy/dx它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關(guān)系，則靈敏度k是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。（1）靈敏度傳感器的靈敏度高，意味著傳感器能感應(yīng)微弱的變化量的能力越大，即被測量有一微小變化時，傳感器就會有較大的輸出。但是，在選擇傳感器時要注意合理性，因為一般來講，傳感器的靈敏度越高，測量范圍往往越窄，穩(wěn)定性會越差。線性傳感器的校準(zhǔn)曲線的斜率就是靜態(tài)靈敏度；對于非線性傳感器的靈敏度，它的數(shù)值是最小二乘法求出的擬合直線的斜率。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。（2）線性范圍、線性度任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)它的輸出與輸入成線性關(guān)系。線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線性范圍內(nèi)，是保證測量精確度的基本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的彈性元件，它的材料彈性極限是決定測力量程的基本因素。當(dāng)超過彈性極限時，傳感器就將產(chǎn)生非線性誤差。任何傳感器很難保證做到絕對的線性，在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以在近似線性區(qū)域內(nèi)使用。是指傳感器的實際輸入-輸出曲線（校準(zhǔn)曲線）與擬合直線之間的吻合（偏離）程度，如圖2.3所示。選定擬合直線的過程，就是傳感器的線性化過程。線性度/非線性誤差取其中最大值與輸出滿度值之比作為評價線性度（或非線性誤差）的指標(biāo)。

式中為線性度(非線性誤差)，最大非線性絕對誤差，

為滿量程輸出值。擬合直線不同，非線性誤差也不同！所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計算是否簡便。常用的直線擬合方法：①理論擬合；②端點連線平移擬合；③端點連線擬合；④過零旋轉(zhuǎn)擬合；⑤最小二乘擬合擬合直線方程：x0yyiy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合y=kx+bx0yyiy=kx+bxI最小二乘擬合法若有n個實際校準(zhǔn)測試點，則第i個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)yi與擬合直線上響應(yīng)值kxi+b之間的殘差為Δi=yi-(kxi+b)最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小，即將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。最小二乘法的擬合精度很高，但最大偏差的絕對值不一定最小，最大正負(fù)偏差的絕對值也不一定相等。（3）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過長期使用之后，輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。

為了保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇合適類型的傳感器。例如電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會影響到它的絕緣性，溫度會影響零漂；光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r，會改變感光性能，帶來測量誤差。（4）重復(fù)性

重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特征曲線的不一致性，在數(shù)值上用各測量值正反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍于滿量程

的百分比來表示。上式中δ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，

為測量值，Y為測量值的算術(shù)平均值。（5）漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時的漂移稱為零點漂移。傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時，每隔一段時間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值）。在其它因素不變的情況下，輸出隨著時間的變化產(chǎn)生的漂移稱為時間漂移。隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移，它表示當(dāng)溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1度時，輸出的最大偏差與滿量程的百分比來表示。上式中

為最大零點偏差（或相應(yīng)偏差）（6）精度傳感器精度指測量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度來表示重復(fù)某個讀數(shù)的能力，其誤差越小則傳感器精度越高。傳感器的精度表示為傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差相對傳感器滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)。

上式中△A為測量范圍內(nèi)允許的最大絕對誤差。所謂最大誤差是指在曲線上任取10個點測量某7點達(dá)10次，確定的最大誤差即為所求。

精度表示測量結(jié)果和“真值”的靠近程度，一般采用校驗或標(biāo)定的方法來確定，此時“真值”則靠其它更精確的儀器或工作基準(zhǔn)來給出。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了傳感器和測試儀表的精度等級，如電工儀表精度分七級，分別是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5級。精度等級的確定方法是首先算出絕對誤差與輸出滿度量程之比的百分?jǐn)?shù)，然后靠近比其低的國家標(biāo)準(zhǔn)等級值即為該儀器的精度等級。例題一臺精度等級為0.5級，量程范圍600-1200oC的溫度傳感器，它最大允許的絕對誤差是多少？檢驗時最大允許的絕對誤差是4oC，問此表時是否合格？（7）分辨力、分辨率分辨力是指能檢測出的輸入量的最小變化量的能力

，即傳感器能檢測到的最小輸入增量

Xmin。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當(dāng)輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當(dāng)輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發(fā)生變化。在輸入零點附近的分辨力稱為閾值，即產(chǎn)生可測輸出變化量時的最小輸入量值。如圖2.4所示左圖為非線性、右圖為線性輸出結(jié)果，其中的x0均表示可以開始檢測的的最小輸入值。數(shù)字式傳感器一般用分辨率表示，分辨率是指分辨力/滿量程輸入值。圖2.4傳感器輸出的閾值示例（8）遲滯遲滯是指在相同工作條件下作全測量范圍校準(zhǔn)時，在同一次校準(zhǔn)中對應(yīng)同一輸入量的正行程和反行程間的最大偏差。它表示傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度，數(shù)值用最大偏差(△Amax)或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分比來表示，它們分別如下所示：傳感器的動態(tài)性能是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它是傳感器的輸出值能真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力反映，即傳感器的輸出信號和輸入信號隨時間的變化曲線希望一致或相近。傳感器X(t)y(t)傳感器傳感器傳感器2、反映傳感器動態(tài)特性的性能指標(biāo)y(t)傳感器X(t)y(t)傳感器對于線性系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)研究，最廣泛使用的數(shù)學(xué)模型是普通線性常系數(shù)微分方程。只要對微分方程求解，就可以得到動態(tài)性能指標(biāo)。動態(tài)模型微分方程脈沖輸入正弦輸入階躍輸入任意輸入常見的動態(tài)輸入動態(tài)響應(yīng)特性的主要指標(biāo)脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)傳遞函數(shù)H(S)頻率響應(yīng)函數(shù)H(jω)階躍響應(yīng)函數(shù)ｇ(t)對任意輸入的響應(yīng)函數(shù)y(t)

傳感器的響應(yīng)特性良好，意味著傳感器在所測的頻率范圍內(nèi)滿足不失真測量的條件。另外，實際傳感器的響應(yīng)過程總有一定的延遲，但希望延遲的時間越小越好。2.3.2傳感器選型的原則現(xiàn)代傳感器在原理和結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象和測量環(huán)境合理選用傳感器，是在進(jìn)行某個量的測量時首先要解決的問題。當(dāng)傳感器的型號確定之后，與之相配套的測量方法和設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1、根據(jù)測量對象與環(huán)境確定類型根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的輸出方法，有線或非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口；價格能否承受，是否自行研制。2、靈敏度的選擇通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值會比較大，這有利于信號處理。但傳感器的靈敏度較高時，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，從而導(dǎo)致影響測量精度。因此，選用傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入干擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對方向性要求較高時，應(yīng)選擇在其它方向上靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。3、頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)時間總有一定的延遲，通常希望延遲時間越短越好。

傳感器的頻率響應(yīng)越高，則可測的信號頻率范圍就越寬。由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因而傳感器頻率低，則可測信號的頻率就較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點，以免產(chǎn)生過大的誤差。4、線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。理論上在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則它的量程就越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看它的量程是否滿足要求。但在實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，它的線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)可將非線性誤差較小的傳感器近似看作是線性的，這會給測量工作帶來很大的方便。5、穩(wěn)定性傳感器在使用一段時間后，它的穩(wěn)定性會受到影響。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身的結(jié)構(gòu)以外，還包括傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，需要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。6、精度精度是傳感器的一個重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確程度的一個環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，它的價格就越昂貴。因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以了，不必過高。這樣可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中，選擇比較便宜和簡單的傳感器型號。如果測量目的是定性分析，選用相對精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的型號；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就要選用精度等級能滿足要求的型號。