传感器原理及应用1

传感器原理及应用第一讲教材内容概要绪论传感器作什么用？传感器在什么领域用？传感器由什么构成？传感器有哪些种类？第一章传感器的特性什么样的传感器才算好的传感器？(怎么买，怎么选？)什么是理想的传感器？传感器一般存在哪些问题？如何量化这些问题？0.1传感器的作用无处不在！iPhone、汽车、高速公路收费……；空调、燃气灶……；水表、电表、煤气表……；医疗化验、体检……；PM2.5、尾气排放、噪声检测……；航空、航天、军事；……概以言之，传感器的作用三个方面：测量、控制、监视汽车上的传感器普通家庭轿车上大约安装近百只传感器；豪华轿车上传感器可达二百余只。机器人内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器。多为检测位置和角度的传感器。外部传感器：明暗觉（光敏管、光电断续器）色觉（彩色摄像机、彩色CCD）位置觉（光敏阵列、CCD）形状觉（光敏阵列、CCD）接触觉（光电传感器、微动开关等）压觉（压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料）力觉（应变片、导电橡胶）接近觉（光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器）滑觉（球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器）iPhone近距离接近传感器运动/加速度传感器环境光传感器湿度传感器陀螺仪耳机插孔已可外接多种传感器如气压传感器、元素探测器、心电图传感器等航空航天美阿波罗10号飞船（1969年）：3295个传感器，温度539个，压力140个，信号501个，遥控142个；欧航天局阿丽亚娜火箭试验期：常规型传感器1100个，低温型传感器600个；光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关（计数）

光幕应用三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量

光幕应用（续）光幕用于

自动收费系统的车辆检测模糊洗衣机的模糊推理智能楼宇停车监控系统

在智能楼宇内，多配置有地下车库。车库综合管理系统监控车辆的进入，指示停车位置，禁止无关人员闯入，甚至能自动登录车牌号码。中央控制器车牌识别系统刷卡门禁行车泊位系统活动物体监视灯光自控停车监控原理框图

0.1传感器的作用信息的拾取传感器技术现代信息技术的三大基础：传输处理通讯技术计算机技术“感官”“神经”“大脑”“没有传感器就没有现代科学技术”门捷列夫：“科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的。”传感器（transducer或sensor）传感器是将各种非电量（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量（一般为电量）的装置。0.2传感器及传感技术利用原理、材料和工艺把传感器做出来，工程技术问题！物理效应、化学反应和生物反应等原理，科学问题！本学科的两大核心问题！贯穿本课程的始终！0.3传感器的组成传感器由三部分组成：敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分；转换元件是指传感器能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。信号调节转换电路将传感器微弱的信号进行放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。

敏感元件转换元件测量电路辅助电源被测量（非电量）输出电量例如：我们要测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。可以设计一个简单的实验装置。敏感元件转换元件+—电子线路输出0.3传感器的组成敏感元件转换元件转换电路被测量电量砝码m千克弹簧k转换电路加速度电量a力mama/k位移v•ma/kL0.3传感器的组成0.1传感器的组成与分类传感器的分类：1、按输入量分类：2、按测量原理分类：机械量：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、角度传感器；

温度传感器力传感器：压力传感器、扭矩传感器……应变式电容式

电感式

热敏式

光敏式

……0.1传感器的组成与分类传感器的分类：3、按输入量分类：结构型：依赖敏感元件结构参数（形状或尺寸）变化实现信息转换。

物性型：依赖敏感元件物理特性变化实现信息转换。

0.5传感器的发展趋向固态化物性型传感器也称固态传感器，相对结构型传感器灵敏度高、响应速度快、小而轻，易于实现集成化和多功能化。世界各国在此方面投入了大量人力物理，目前发展很快！集成化集成化是指将敏感元件、转换元件和测量电路，甚至电源集成在同一芯片上。多功能化多功能化是传感器具有测量多种参数的功能，各功能共享某些资源如转换、测量电路或电源等。图像化不仅是对一点物理量的测量，而是一维、二维、三维甚至四维的测量。智能化传感器输出信号的后继处理、自我诊断、自动调零和调量程……第1章传感器的一般特性传感器的静态特性传感器的动态特性什么样的传感器才是好的传感器？

输入量为稳态量时，输出量与输入量的关系传感器输出量对随时间变化的输入量的响应特性。1.1传感器的静态特性

通常希望传感器的输出量Y与其输入量X成线性关系：YXO即：但往往做不到这一点，现实往往是：这里a1称之为灵敏度，常用K表示。第1章传感器的一般特性因此，稳态下，输出量Y与输入量X的实际关系：YXO如果在我们关心的输入量范围内，Y与X的关系接近线性，可用这段直线来代替，即线性化。a0a0称为零位输出。如何得到Y与X的关系曲线？（如何获知绝对真理）这种线性化的前提“接近线性”，如何来评判？1.1传感器的静态特性第1章传感器的一般特性我们用静态校准曲线来代替Y与X的真实关系。1.1传感器的静态特性相对真理校准曲线是指：

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，可得到一组“输入-输出”数据，将这些数据列成表格，再画出各被测量值（正行程反行程）对应输出平均值的连线，即为传感器的静态校准曲线。YXO第1章传感器的一般特性一、

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输出值的百分比，即：YXOXmaxYF·S△Ymax其中，△Ymax——为校准曲线与拟合直线间最大偏差

YF·S——传感器满量程输出1.1传感器的静态特性第1章传感器的一般特性端基法将传感器校准数据的零点输出平均值a0和满量程输出平均值b0连成直线a0b0作为传感器特性的拟合直线，其方程为：YXa0b0式中a0为Y轴上的截距；K为直线的a0b0斜率显然，这种方法只用到了两个校准点，精度较低。但这种方法简单直观，可用在非线性度较小的场合。一、

线性度1.1传感器的静态特性

常用拟合方法第1章传感器的一般特性最小二乘法用最小二乘原则拟合直线，可使拟合精度最高。设有n个校准点(Xi,Yi)（i=1,……n）要求的拟合直线方程为：

Y=a0+KX这里的a0和K为待求参数。设第i个点与拟合直线间线差为：最小二乘法的原则是找到让最小的a0和K值。

常用拟合方法一、

线性度1.1传感器的静态特性0YYiXy=kx+bXi最小二乘拟合法第1章传感器的一般特性传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。如果要考虑传感器的非线性时，可用局部（某点处）的灵敏度来描述。XY0ΔXΔYXY0dxdydxdy1.1传感器的静态特性二、

灵敏度第1章传感器的一般特性低精密度、低准确度高精密度、低准确度低精密度、高准确度高精密度、高准确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)。1.1传感器的静态特性三、精确度（精度）精密度：随机误差准确度：系统误差精确度：是精密度与准确度的总和，即第1章传感器的一般特性精度等级传感器与测量仪表等级A以一系列标准百分数值进行分档：0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0-测量范围内允许的最大绝对误差-满量程输出例

：检定一台1.5级刻度0-100Pa压力传感器，现发现50Pa处误差最大为1.4Pa，问这台压力传感器是否合格？解：根据50Pa处来计算精度等级：1.4<1.5，所以该传感器合格的。1.1传感器的静态特性三、精确度（精度）第1章传感器的一般特性传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。或迟滞反映了传感器机械结构和制造工艺的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀等。1.1传感器的静态特性四、迟滞第1章传感器的一般特性迟滞误差用最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分数表示。传感器在同一工作条件下，在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。其中：2~3为置信度;

为标准差，若用贝赛尔公式计算，为注：重复性反映的是测量结果偶然误差的大小，不表示与真值之间的差别。有时重复性虽然很好，但可能远离真值。1.1传感器的静态特性五、重复性第1章传感器的一般特性传感器在没有输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行一次读数，其输出值偏离零值（或原来的值示值）。其中：

为最大零点偏差1.1传感器的静态特性六、零点漂移第1章传感器的一般特性温漂表示在输入不变的情况下，传感器输出值随着温度的变化而变化的特性。温漂是以单位温度变化引起的最大输出变化量与满量程输出的百分比来表示的。其中为最大偏差。为温度变化范围。1.1传感器的静态特性七、温漂第1章传感器的一般特性1.2传感器的动态特性第1章传感器的一般特性为什么要分析动态特性？是不是只分析静态特性就够了？例如，在动态控制过程中，系统很少处于稳态，如汽车的行驶。如何保证在我们的控制后，汽车有足够快的响应呢？因此，分析传感器动态特性是不可或缺的一环！在实际测试和控制过程中，被测信号随时间动态变化。由于存在阻尼、惯性等环节和温度变化的影响，输出量y(t)不仅与x(t)有关，还与输入量的变化速度dx(t)/dt、加速度d2x(t)/dt2等有关。tX(t)Y(t)t1.2传感器的动态特性二、传感器的动态响应及其动态特性指标单位阶跃输入下的二阶传感器典型指标：超调量σ%:通常用过渡过程中超过稳态值的最大值ΔA(过冲)与稳态值之比的百分数表示。它与ξ有关，ξ愈大，σ%愈小。上升时间tr: