传感器技术-项目化教学-1

1、传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术及应用电路项目化教学 传感器技术及应用传感器技术及应用课程地位和作用课程地位和作用 课程简介传感器技术及应用传感器技术及应用一、一、传感器技术概述传感器技术概述传感器技术简介 “没有传感器就没有现代科学技术没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。成为人们认识自然、改造自然的有力工具。 传感器技术作为信

2、息科学的一个重要分支，与计算机传感器技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。完整学科。 在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。实现信息化的基础技术之一。传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介一、一、传感

3、器技术概述传感器技术概述传感器技术及应用传感器技术及应用一、一、传感器技术概述传感器技术概述传感器技术简介 传感器传感器 感觉，感知；传感觉，感知；传送送 （Sensor、Transducer）人体系统：人体系统： 人类有五大感觉器官，即眼、人类有五大感觉器官，即眼、耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感觉器官感知外界信息。觉器官感知外界信息。机器系统：机器系统： 机器系统中，传感器是各种机器系统中，传感器是各种机械和电子设备的感觉器官。感机械和电子设备的感觉器官。感知光、色、温度、压力、声音、知光、色、温度、压力、声音、湿度、气味及辐射等。湿度、气味及辐射等。传感器技术及应

4、用传感器技术及应用传感器技术简介一、一、传感器技术概述传感器技术概述传感器技术及应用传感器技术及应用一、一、传感器技术概述传感器技术概述传感器技术简介传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介二、二、传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官五官”。 没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。切测量和控制都是不可能实现的。传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介二、二、传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和

5、地位 传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。平高低的重要依据。 日本：日本：传感器技术列为传感器技术列为计算机、通讯、激光、半导体、超导和传计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器感器等六大核心技术之一。在等六大核心技术之一。在21世纪技术预测中将传感器列为首位。世纪技术预测中将传感器列为首位。 美国：美国：传感器及信号处理列为对国家安全和经济发展有重要影响传感器及信号处理列为对国家安全和经济发展有重要影响的

6、关键技术之一。的关键技术之一。 欧洲：欧洲：传感器技术作为优先发展的重点技术。传感器技术作为优先发展的重点技术。 中国：中国：在国家重点科技项目中，传感器也列在重要位置。在国家重点科技项目中，传感器也列在重要位置。传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介二、二、传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介二、二、传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位4D彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑（美联社图片）彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑（美联社图片）传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用传感

7、器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用造纸造纸木材烘干木材烘干烟草加工烟草加工芯片生产芯片生产化工化工纺织纺织传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用判断能力。视觉传感器、触觉传感器。判断能力。视觉传感器、触觉传感器。传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用埃及金字塔埃及金字塔世界最古老石棺

8、的考古挖掘。世界最古老石棺的考古挖掘。“金字塔漫游者金字塔漫游者”机器人机器人 5 51 11 1，地面探测雷达、超声波，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。传感器（测石头厚度）。传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用

9、传感器技术的应用传感器技术及应用传感器技术及应用所谓传感器是来自“感觉”一词传感器技术属现代高新技术（电五官） 根据GB7665-87，【传感器】（TransducerSensor）的定义定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使用1、传感器定义、传感器定义1-1 传感器的作用与功能传感器的作用与功能传感器技术及应用传感器技术及应用真 空 膜 盒弹 簧电 位 器电 刷壳 体引 线什么是传感器？什么是传感器？ppp压力压力膜盒位移膜盒位移杠杆位移杠杆位移电刷位移电刷位移电位器电压电位器电压如何获取信

10、息？如何获取信息？传感器技术及应用传感器技术及应用真 空 膜 盒弹 簧电 位 器电 刷壳 体引 线实现测量的过程：实现测量的过程：利用输入输出的关系，利用输入输出的关系，由输出电压解算出输入由输出电压解算出输入( (被测量被测量) )什么是传感器？什么是传感器？ppp如何获取信息？如何获取信息？传感器技术及应用传感器技术及应用敏感元件敏感元件（Sensing element） 直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。转换元件转换元件（Transduction element） 能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。2、传感器的组成、传感器的组成1-1

11、传感器的作用与功能传感器的作用与功能传感器技术及应用传感器技术及应用图图 1.1传感器组成方块图传感器组成方块图敏感元件转换元件信号调节转换电路测量电路电 源电量输出量被测量输入量传感器技术及应用传感器技术及应用表表1.2传感器的分类传感器的分类传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术及应用30 传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对

12、动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失真地复现动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。特性。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用31 2.1 传感器的静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。 通常，要求传感器在静态情况下的输出输入关系保持线性。实际上，其输出量和输入量之间的关系（不考虑迟滞及蠕变效应）可由下列方程式确定。 （2-1-1） 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性2012nnYaa Xa

13、Xa X 传感器技术及应用传感器技术及应用32 式中 输出量； 输入量； 零位输出； 传感器的灵敏度，常用K表示； 非线性项待定常数。 由(2-1-1)式可见，如果 ，表示静态特性通过原点。此时静态特性是由线性项（ ）和非线性项 叠加而成，一般可分为以下4种典型情况。 0a1a23,na aa00a 22(,)nna Xa X1a XYX2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用33 (1)理想线性图1-1(a) (2-1-2) (2)具有X奇次阶项的非线性图1-1(b) (2-1-3) (3)具有X偶次阶项的非线性图1-1(c) (2-1-4) (4)具有X奇、

14、偶次阶项的非线性图1-1(d) (2-1-5) 图图2-1-1 2-1-1 传感器的传感器的4 4种典型静态特种典型静态特征征1Ya X35135Ya Xa Xa X24124Ya Xa Xa X2341234Ya Xa Xa Xa X2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用34 传感器的静态特性是在静态标准条件下测定的。在标准工作状态下，利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，即可得到输出输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被测量值(正行程和反行程)对应输出平均值的连线，即为传感器的静态校准曲线。 传感器静态特性的主要指标有以下几点。2 2 传

15、感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用35图图2-1-2 2-1-2 传感器的线性传感器的线性度度 (1) 线性度(非线性误差) 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(FS)输出值的百分比称为线性度(见图2-1-6)。 用 代表线性度，则 (2-1-6) 式中 校准曲线与拟合直线间 的最大偏差； 传感器满量程输出， 。m axFS1 0 0 %LYY gmaxYF SYgLF Smax0YYYg2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用36 由此可知，非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而，基准直

16、线不同，所得线性度也不同，见图2-1-3。图图2-1-32-1-3 基准直线的不同拟合方法基准直线的不同拟合方法2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用37 应当指出，对同一传感器，在相同条件下进行校准试验时得出的非线性误差不会完全一样。因而不能笼统地说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。目前国内外关于拟合直线的计算方法不尽相同，下面仅介绍两种常用的拟合基准直线方法。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用38 1)端基法 把传感器校准数据的零点输出平均值 和满量程输出平均值 连成的直线 作为传感器特性的拟合直线(见

17、图2-1-4)。其方程式为 (2-1-7) 式中 Y输出量； X输入量； a0Y轴上截距； K直线a0b0的斜率。图图2-1-4 2-1-4 端基线性度拟合直线端基线性度拟合直线0a0b0 0a b0YaKXY2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用39 由此得到端基法拟合直线方程，按(2-1-6)式可算出端基线性度。这种拟合方法简单直观，但是未考虑所有校准点数据的分布，拟合精度较低，一般用在特性曲线非线性度较小的情况。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用40 2)最小二乘法 用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度最高。其计算

18、方法如下。 令拟合直线方程为Y=a0+KX 。假定实际校准点有n个，在n个校准数据中，任一个校准数据Yi与拟合直线上对应的理想值a0+KXi 间线差为 (2-1-8)0()iiiYaKX2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用41 最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使 为最小值，亦即 使 对K和a0的一阶偏导数等于零，从而求出K和a0的表达式 联立求解以上二式，可求出K和a0 ，即 式中 n校准点数。 由此得到最佳拟合直线方程，由(2-1-6)式可算得最小二乘法线 性度。21nii21nii202()()0iiiiYKXaXK2002()( 1)0iiiYKXaa

19、1112211()nnniiiiiiinniiiinX YXYKnXX2111102211()nnnniiiiiiiiinniiiiXYXX YanXX2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用42 通常采用差动测量方法来减小传感器的非线性误差。例如，某位移传感器特性方程式为 另一个与之完全相同的位移传感器，但是它感受相反方向位移，则特性方程式为 在差动输出情况下，其特性方程式可写成 可见采用此方法后，由于消除了X偶次项而使非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍，零点偏移也消除了。因此差动式传感器已得到广泛应用。234101234Yaa Xa Xa Xa X23420

20、1234YaaXa Xa Xa X35121352()YYYa Xa Xa X 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用43 (2) 灵敏度 传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。由图1-5可知，线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。其计算方法为 非线性传感器的灵敏度用dY/dX表示，其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率。 图图2-1-52-1-5 传感器灵敏度的定义传感器灵敏度的定义YKX输出变化量输入变化量2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用44 (3)精确度(精度) 说明精确

21、度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。 1)精密度 它说明测量结果的分散性。即对某一稳定的对象(被测量)由同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次(等精度测量) ，其测量结果的分散程度。愈小则说明测量越精密(对应随机误差)。 2)正确度 它说明测量结果偏离真值大小的程度，即示值有规则偏离真值的程度。指所测值与真值的符合程度(对应系统误差)。 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用准确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如, ,某某流量传感器的准确度为流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示

22、该传感器的输出，表示该传感器的输出值与真值偏离值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度高。精确度精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的精确度常以测量误差的相对值表示。者的代数和。机器的精确度常以测量误差的相对值表示。 （c）精确度高）精确度高（a）准确度高而精密度低）准确度高而精

23、密度低（b）准确度低而精密度高）准确度低而精密度高传感器技术及应用传感器技术及应用46 在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠程度，引入一个精确度等级概念，用A来表示 。传感器与测量仪表精确度等级A以一系列标准百分数值(0.001，0.005，0.02，0.05，1.5，2.5，4.0)进行分挡。这个数值是传感器和测量仪表在规定条件下，其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。它可以用下式表示 FS1 0 0 %AAYg2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用47 式中 A 传感器的精度； A 测量范围内允许的最大绝对误差； 满量程输出。 传感器设计和出

24、厂检验时，其精度等级代表的误差指传感器测量的最大允许误差。F SY传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用48 (4) 最小检测量和分辨力 最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量。最小检测量越小，表示传感器检测微量的能力越高。 由于传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一般用相当于噪声电平若干倍的被测量为最小检测量，用公式表示为 (2-1-14) 式中 M最小检测量； C系数(一般取15)； N噪声电平； K传感器的灵敏度。CNMK2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用49 例如，电容式压力传感器的噪声电平为0.2 mV，灵敏

25、度K为5 mV/mm ，若取C=2，则根据(1-14)式计算得最小检测量为0.08 mm 。 数字式传感器一般用分辨力表示，即输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量。2H O2H O2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性传感器技术及应用传感器技术及应用(5). (5). 迟滞迟滞传感器在正传感器在正( (输入量增大输入量增大) )反反（输入量减小）行程中输出（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合程度为迟滞输入曲线不重合程度为迟滞。0yxHmaxyFS迟滞特性迟滞特性%YHFSmaxH100 迟滞特性如图所示，它迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。传一般是由实验方法测得。传感器在全量程范围内最大的感器在全量程范围内最大的迟滞差值迟滞差值HmaxHmax与满量程输与满量程输出值出值Y YFSFS之比称为迟滞误差之比称为迟滞误差, ,用用 H H表示，即表示，即 传感器技术及应用传感器技术及应用5