传感器基础(传感器定义、组成、静态特性)

1、1基本概念基本概念 传感器的应用传感器的定义与组成 传感器的静态特性 传感器产品设计与检测23456 对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。 国内已经成功地开 发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。医学医学7传感器与航空及航天传感器与航空及航天航天航天8物联网就是物物相连的互联网。物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。世界信

2、息产业发展的第三次浪潮9物联网架构组成物联网架构组成10传感器的定义传感器的定义 根据GB7665-2005传感器通用术语的定义定义为：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1112 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。传感器的定义的理解传感器的定义的理解所谓传感器是来自“感觉”一词、传感器技术属现代高新技术（电五官） 13传感器的特征参数传感器的特征参数被测量被测量传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。输出量输出量含有原始信号，且为便

3、于接收与处理的信号形式。1415传感器的组成传感器的组成 传感器一般由敏感元件 、 转换元件和基本转换电路（简称转换电路）三部分组成15WWW.CQIST.COM （1）敏感元件：传感器的核心部件，是感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。量，声音的大小跟振幅成一种线性关系。（2）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。（3）基本转换电路：能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、放大器。161718传感器的分类传感器的分类按被测量分类：根据输入物理量的性质进行分类。具体可分为物理量、化学量、生物量三大

4、类。 传感器的分类多种多样，可按原理、被测量、材料、工艺、对象、应用等进行分类。 同时，传感器的种类繁多，同一种被测量，可以用不同原理的传感器来测量；而基于同一种传感器原理或同一类技术，又可以制作多种被测量传感器。18基本物理量基本物理量派生物理量派生物理量位移位移线位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度等角位移角位移旋转角、偏转角、角振动等旋转角、偏转角、角振动等速度速度线速度线速度速度、振动、流量、动量等速度、振动、流量、动量等角速度角速度转速、角振动等转速、角振动等加速度加速度线加速度线加速度振动、冲击、质量等振动、冲击、质量等角加速度角加速

5、度角振动、扭矩、转动惯量等角振动、扭矩、转动惯量等力力压力压力重量、应力、力矩等重量、应力、力矩等时间时间频率频率周期、记数、统计分布等周期、记数、统计分布等温温 度度热容量、气体速度、涡流等热容量、气体速度、涡流等光光光通量与密度、光谱分布等光通量与密度、光谱分布等 传感器按功能原理分类包括工作机理、能量种类、有无电源供电等。结构型传感器是依靠传感器结构参数（如形状、尺寸等）的变化实现信号变换， 从而检测出被测量。如：电容式压力传感器。物性型传感器是利用某些材料本身的物性变化来实现被测量的变换，其主要是以半导体、电介质、磁性体等作为敏感材料的固态器件。按工作机理可分为结构型（空间型）和物性型

6、（材料型）两大类。20按敏感材料分类按敏感材料分类 陶瓷传感器、半导体传感器、金属材料传感器、高分子或电子聚合物传感器、光纤传感器、复合材料传感器等。按加工工艺分类按加工工艺分类 厚薄膜传感器、MEMS 传感器、纳米传感器等。按传感对象分类按传感对象分类 地震传感器、图像传感器、心电传感器、呼吸传感器、脉搏传感器、烟雾传感器、气体传感器、水质传感器、血糖传感器、轮胎传感器等。按应用领域分类按应用领域分类 汽车传感器、机器人传感器、家电传感器、环境传感器、 气象传感器、海洋传感器等21传感器的特性传感器的特性 传感器的静态特性传感器的静态特性 传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器的特性就是对

7、输入输出关系的描述，理想的特性是在任何情况下输入与输出都是一一对应的。 可以衡量测量装置性能的优劣性。22传感器的静态特性静态特性静态特性：输入不随时间变化或者变化极慢时（在稳态信号作用下），传感器输出与输入之间的关系。变换函数（静态特性的一般数学模型）变换函数（静态特性的一般数学模型） 变换函数反映传感器输入与输出间的关系式， y=f(x) 其中x为输入量，y为输出量。23为测量（x）上限与下限的代数差。量程（满量程输入）24最小检测量（分辨力） 指传感器能确切反映被测量的最低极限量 x，小于这个量的区域称为死区。25最小检测量(或感度)的影响因素：(1) 输入的变动量x在传感器内部被吸收

8、如：带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺母间、齿轮和齿条间存在间隙，当输入变量x小于这一间隙时，便被传感器内部吸收。(2) 传感器输入、输出端均存在噪声干扰，x过小时，被外界噪声所淹没。26灵敏度 输出（Y）变化量与相应的输入（x）变化量之比。27滞后性（回差）在输入量作满量程变化时，对于同一输入量，传感器的正、反行程输出量之差。 在输入量增加过程中测得的某一点输出值，与在输入减少过程测得的同一点值不一样，这种现象称为滞后。图中曲线称为滞环特性曲线。 28对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为滞环误差 如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能

9、保持一一的对应关系，因此应尽量使之变小。产生滞后性的原因主要是材料的物理性质所造成的。滞后性（回差）29重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。 30线性度在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度。 线性度： 拟合方法有基端线性拟合、最佳直线拟合和最小二乘法拟合。 31零点漂移传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点飘移，用百分比表示： 其中，y0为最大零点偏差（或相应偏差）。 32在规定时间内，满量程输出仅随时间的变化（y FS

10、 ） ，通常用满量程的百分比来表示满量程输出漂移33温度漂移由环境温度变化引起的零点输出变化，通常用单位温度的满量程输出的百分比来表示。 34 由环境温度变化所引起的满量程输出变化，通常用单位温度的满量程输出的百分比来表示。热满量程输出漂移35传感器的动态特性传感器动态特性：传感器的响应特性。传感器响应：当输入信号随时间变化时，输出信号随之变化的情况。3637常见传感器图片微加工加速度传感器微加工加速度传感器湿敏传感器湿敏传感器室外室外室内室内接近开关接近开关光电开关光电开关 安装安装 螺纹螺纹安装法兰安装法兰普通普通热电偶热电偶温控温控仪表仪表紫外线光电管紫外线光电管光敏电阻光敏电阻光敏二极

11、管光敏二极管红外线辐射温度计红外线辐射温度计集成集成IC IC 温度测量温度测量红外检测元件红外检测元件红外检测套件红外检测套件红外报警器红外报警器吸顶式红外报警器吸顶式红外报警器红外传感器应用红外传感器应用 自动亮灯自动亮灯 防盗报警防盗报警感应范围感应范围无线无线烟雾报警器烟雾报警器 蜂鸣器蜂鸣器48传感器产品设计与检测49传感器产品设计结构图50 敏感元件是传感器的核心元件，是用于感知物理、化学、生物等被测量、并将被测量数据转化为电信号输出的电子元件敏感元件51 传感器信号检测处理电路就是传感器的检测调理电路（基本转换电路）。 在传感器信号检测技术中， 通常将传感器信号转换为标准电压信号

12、， 以作为数据采集系统可识别的输入信号，这就需要信号调理电路来实现。信号检测处理电路52 A/D 模数转换就是把模拟信号转换成数字信号。随着数字技术， 特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代传感器、检测技术等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字信号技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等） ，要使数字仪表传感器能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号。A/D 模数转换53 微控制器技术，在当下的传感器产品设计中应用得非常的广泛。在微控制器 MCU 中写入相应的算法可以提高传感器的整体测量质量，如精度、分辨率、灵敏度、线性度、重复性等等。微控制器 MCU54 传感器最终的测量结果需要输出， 其输出方式非常的多， 从大类上分为显示和传输两种输出方