第一章 传感器技术基础

第一章传感器技术基础第1页，课件共25页，创作于2023年2月本章目录第一节机电一体化系统中物理量的测量与传感器第二节传感器的定义和组成第三节传感器的分类第四节传感器的基本特征第2页，课件共25页，创作于2023年2月本章主要内容理解传感器的概念、作用了解传感器的应用及发展方向掌握传感器的静态特性熟悉传感器的动态特性第3页，课件共25页，创作于2023年2月第一节机电一体化系统中物理量的测量与传感器机电一体化技术是机械技术与微电子技术、计算机技术、信息技术相结合的综合性高新技术。要把机电一体化系统设备中的物理量准确可靠的测量出来，以电信号的方式输入给计算机或其它电子设备，必须依赖电测量的方法。相对而言，电量的电测量比较容易，使用电工仪表和电子仪器就可以对一般的电量直接进行测量。对于非电量就不能直接使用电工仪表和电子仪器进行测量，而原有的对非电量的测量方法已不能适应机电一体化系统的要求。这就要求对原有的非电量测量方法加以改进和提高，采用新技术新方法。第4页，课件共25页，创作于2023年2月采用传感技术的非电量电测方法，就是人们在实践中不断摸索和提高，从而发展起来的测量方法。转换技术的器件就是传感器，采用传感器对非电量进行电测具有以下的特点：（1）可进行微量检测，精度高、速度快。（2）可实现远距离遥测及遥控。（3）可实现无损检测。（4）能连续进行测量、记录和显示。（5）可采用计算机技术对测量数据进行运算、存储和处理，并根据处理结果对被测量对象进行工作状态的控制。（6）测量安全可靠。第5页，课件共25页，创作于2023年2月精准农业是在现代信息技术、生物技术、工程技术基础上发展起来的现代农业生产形式。其核心技术是农田地理信息系统、全球定位系统、遥感技术和计算机自动控制技术。

精准农业精量播种变量喷药精准灌溉第6页，课件共25页，创作于2023年2月无线传感器结点工业监测与控制产品检测天然气压力监测第7页，课件共25页，创作于2023年2月桥梁结构监测监测风速、风向、温度、湿度、能见度、降雨强度等。东海大桥第8页，课件共25页，创作于2023年2月上海浦东机场的周界防入侵系统在机场四周设立无线传感器警戒网，形成低空、地面、地下三维立体报警体系。每个结点由震动、声响、磁场和微波传感器等组成。通过网络，可以随时监测周边实况。第9页，课件共25页，创作于2023年2月太湖水自动监测工程

在太湖大范围水域布放传感器，通过无线传输方式

24小时监测太湖水质的各项变化，并将数据及时传回数据中心。

水质自动监测浮标

第10页，课件共25页，创作于2023年2月我国科学家在海拔4093米的南极冰穹A地区，布设监测冰雪变化的“智能尘埃”网络，将南极冰雪表面数据与空中的遥感卫星监测数据相结合，对南极冰穹开展天地一体的监测研究。

环境监测无线传感器网络冰雪监测系统第11页，课件共25页，创作于2023年2月第二节传感器的定义和组成什么是传感器？第12页，课件共25页，创作于2023年2月什么是传感器？眼（视觉）

耳（听觉）

鼻（嗅觉）皮肤（触觉）

舌（味觉）人体系统和机器系统比较

感知外界信息→大脑→肌体第13页，课件共25页，创作于2023年2月什么是传感器？人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。

传感器外界信息感官大脑肌体计算机执行机构第14页，课件共25页，创作于2023年2月从广义来讲，典型的传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。敏感元件：它是直接感受和响应被测量，并输出与被测量有一定对应关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出量就是它的输入量，它把输入量转换成电路参数量。但这个电路参数量往往需经转换后，才能被后续电路所应用。转换电路：它接受转换元件所转换成的电路参数量，并把它转换成后续电路所能应用的电信号。敏感元件与转换元件在结构上时常是装在一起的，转换电路为了减小外界的干扰和影响也希望和它们装在一起，但由于空间的限制或者其它原因，转换电路常装载于测控箱内。第15页，课件共25页，创作于2023年2月传感器技术的作用和地位

构成现代信息技术的三大支柱是：

传感器技术（信息采集）；

通信技术

（信息传输）；

计算机技术（信息处理）；

它们在信息系统中分别起到

“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。

第16页，课件共25页，创作于2023年2月机器人

视觉:平面、立体非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…

第17页，课件共25页，创作于2023年2月

智能建筑

给排水系统泵系统锅炉系统环境控制电力监测能量计费消防系统保安系统照明系统DDC第18页，课件共25页，创作于2023年2月第三节传感器的分类传感器分类方法较多,大体有以下几种：1）

按传感器检测的范畴分类

物理量传感器化学量传感器生物量传感器２）按传感器的输出信号分类

模拟传感器数字传感器３）按传感器的结构分类

结构型传感器物性型传感器复合型传感器４）按传感器的功能分类

单功能传感器多功能传感器智能传感器

５）按传感器的转换原理分类

机—电传感器光—电传感器热—电电传感器磁—电传感器电化学传感器6）按传感器的能源分类

有源传感器无源传感器

第19页，课件共25页，创作于2023年2月（1）线性度传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：第四节传感器的基本特征其中：X—输入量，Y—输出量；a0—x=0时的输出值a1—理想灵敏度a2,a3…..an——非线性项系数

当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。

静态特性包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性

传感器静态特性第20页，课件共25页，创作于2023年2月

传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差表示：

——最大非线性绝对误差

——满量程输出

——线性度

YXYiXiLmaxY=kx+b第21页，课件共25页，创作于2023年2月（2）灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定条件下，输出变化量ΔY和输入变化量ΔX的比值，其表达式为：

式中：K——灵敏度，线性传感器的灵敏度是个常数；ΔY——输出变化量ΔX——输入变化量第22页，课件共25页，创作于2023年2月（3）迟滞传感器输入量增大行程期间（正行程）和输入量减小行程期间（反行程），输出-输入特性曲线不重合称为迟滞。迟滞误差一般以正反行程间输出的最大偏差与满量程输出的百分数来表示，其表达式为：

迟滞误差的另一名称叫回程误差，它是由于传感器机械部分不可避免地存在着间隙、摩擦及松动等原因所产生。第23页，课件共25页，创作于2023年2月（4）重复性重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程重复测量所得的输出-输入特性曲线不一致的程度。设正行程的最大重复性偏差为ΔRmax1，反行程的最大重复性偏差为ΔRmax2，重复性偏差取这两个最大偏差中之较大者ΔRmax1，则重复性以ΔRmax与满量程输出Ym之