传感器及其一般特性

传感器及传感器的一般(yībān)特性cdl共二十四页目录(mùlù)1.1传感器基本概念1.2传感器与物联网的关系2.1传感器的组成和分类2.2传感器技术特点2.3传感器发展趋势2.4无线传感器网络(wǎngluò)2.5无线传感器网络特点3.1传感器的数学模型和特性3.2传感器的标定和校准共二十四页1.1传感器基本概念什么(shénme)是传感器？通常能将把被测物理量、化学量或者生物量转化为与之有对应关系的电量输出的装置称为传感器。可以从以下三方面理解：①.传感器的作用—体现在测量上，传感器的目的即是获取被测量；②.传感器的工作原理—体现在敏感元件上，其能感受或者响应被测量，是传感器技术的核心；③.传感器的输出信号形式—体现在电信号上，非电量转化为电量，微弱电信号转化为可用电信号；传感器由于应用场合和领域不同(bùtónɡ)，也叫做变换器、换能器、转换器、变送器、发送器或者探测器。共二十四页1.2传感器与物联网(liánwǎnɡ)的关系物联网英文名称：TheInternet

ofThings.我的简单理解：万物互联，感知世界。传感器是物联网全面感知的基础，传感器可用于高温(gāowēn)、高压、辐射等恶劣环境，以及微弱磁、离子、射线等人类无法亲身感知的信息；传感器人类感官光敏传感器视觉声敏传感器听觉气敏传感器嗅觉化学传感器味觉压敏、温敏、流体传感器触觉传感器是整个物联网中需求量最大和最为基础的环节之一。传感器—电五官共二十四页2.1传感器的组成(zǔchénɡ)和分类敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量；转换元件：将敏感元件输出的物理量转换为电路参量(cānliàng)；测量电路：将转换元件的电路参量转换为电信号；转换元件输出的电信号一般都很微弱，一般要配以测量电路、辅助电源，测量电路一般为放大补偿电路（运放电路）；并不是所有的传感器都能明显区分出敏感元件和转换元件，二者可能合一，如热电偶，被测量的温度变化可直接由其转换成微弱电势。敏感元件转换元件测量电路辅助电源被测量电信号传感器组成：共二十四页2.1传感器的组成(zǔchénɡ)和分类传感器分类(fēnlèi)：传感器分类方法繁多，这里介绍按照被测量分类：

物理量传感器

力学量压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感器、尺度传感器、密度传感器、粘度传感器、硬度传感器、浊度传感器热学量温度传感器、热流传感器、热导率传感器光学量可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度传感器、图像传感器、亮度传感器磁学量磁场强度传感器、磁通传感器电学量电流传感器、电压传感器、电场强度传感器声学量声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器射线x射线传感器、β射线传感器、γ射线传感器、辐射剂量传感器化学量传感器离子传感器、气体传感器、湿度传感器、PH值传感器生理量传感器生物量体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、体温传感器、血流传感器、呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器生化量酶式传感器、免疫血型传感器、微生物型传感器、血气传感器、血液电解质共二十四页2.1传感器的组成(zǔchénɡ)和分类传感器分类(fēnlèi)：按敏感材料分类：1、半导体传感器（硅、锗、硒等,以硅、锗应用最广）；2、陶瓷传感器；3、光导纤维传感器；4、金属传感器；按能量分类：1、无源传感器（能量控制型传感器，仅对传感器中的能量起到控制或调节作用，不可直接转换能量形式）；2、有源传感器（将一种能量直接转换为另一种能量，一般是将非电量转换为电量）；按应用范围分类：工业、民用、医用、军用等。共二十四页2.2传感器的技术(jìshù)特点传感器技术包括(bāokuò)：研究、设计、试制、生产、检测、应用等；技术特点：1.内容离散、涉及多个学科；

涉及物理、化学、生物、机械、材料、电子、通信等多个学科；2.种类繁多，彼此相互独立；

被测参数之间相互独立，热工量（温度、压力、流量、物位等），电工量（电压、电流、功率等），机械量（力、力矩、位移、速度、加速度、角速度、转角、振动等），化学量（氧、氢、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等），物理量（光、磁、声、射线等），生物量（血压、心率、肌肉张力等）、状态量（开关、二维三维图形等）；3.知识密集，学科边缘性强；

结合了物理学、化学、生物工程、精密机械、微电子学、材料科学、微细加工、试验测量等；

学科中一旦有新发现，可迅速应用于传感器，具有学科边缘性；共二十四页2.2传感器的技术(jìshù)特点4.技术复杂，工艺要求高；

涉及到集成技术、薄膜技术、超导技术、微细纳米加工、粘合技术、高密封技术、特种加工技术、多功能化和智能技术等；

工艺上主要体现在尺寸、精度、量程等参数，提高了制造工艺要求；5.性能稳定，环境适应性强；

高可靠、稳定、高重复性、低迟滞、宽量程、快响应；

耐高低温、高压、抗干扰、耐腐蚀、防爆、安装维护便利6.应用广泛、要求千差万别；

航天、航空、兵器、船舶、机械、电子、化工、医疗、生物工程等皆有需求；

有的要求通用性强，有的要求专业性强，有的要求高精度；

2015年工博会上我看到一款测量(cèliáng)心率及人体姿态的穿戴传感器，因走医疗路线，其很大一部分成本耗费在了材料（耐汗渍腐蚀，无毒无污染）和医疗应用许可申请上；共二十四页2.3发展趋势1.发现新原理；

与行业最前沿，也可能比较边缘的技术有关系，可多关注相关学科最新的科研动态；2.开发新材料；

传感器领域开发的新材料包括半导体硅材料、石英晶体材料、功能陶瓷材料、光纤、高分子聚合物等；3.采用新工艺；

主要体现在微机械加工工艺(gōngyì)；

①.平面电子加工工艺，如光刻、扩散、沉积、氧化；

②.选择性三维刻蚀技术；

③.固相键合工艺，如SI-SI键合，实现硅一体化结构；

④.机械切割工艺，如分离切断技术，避免损伤；

⑤.整体封装工艺，将传感器封装于一个密闭腔体，隔离外界干扰；一、传感器新原理(yuánlǐ)、新材料、新工艺的发展趋势共二十四页2.3发展趋势1.传感器微型化；

体积小、重量轻、尺寸为微纳米级；2.传感器多功能；

是指能检测两种及以上的被测量；

例如使用特殊陶瓷(táocí)将温度和湿度敏感元件集成在一起，构成温湿度传感器，美国honeywell研制的ST-3000智能压力传感器，在3*4*0.2mm的基片上采用半导体工艺，将静压、差压、温度三种敏感元件与处理系统集成，可测量三种被测量；3.集成化；

包含传感器与集成电路（IC）的集成制造技术，以及多参量的集成制造技术，缩小了传感器的体积，提高了抗干扰能力。二、传感器微型化、多功能、集成化的趋势(qūshì)此外传感器还有智能化、多融合、网络化的发展趋势共二十四页2.4无线传感器网络(wǎngluò)互联网/卫星汇聚节点管理节点用户检测区域传感器节点每个传感器节点既具有传统网络节点的终端功能，即可以进行本地信息收集和数据处理，还具有路由器的功能，对其他节点发来的数据进行存储、管理，协同完成一些任务；

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，既连接传感器网络，又与外部网络连接，能够实现两种通信协议栈之间的协议转换，汇聚节点可以是一个带有增强功能的传感器节点，也可以是一个单独(dāndú)的通信模块；

管理节点一般为普通的计算机系统，用户通过管理节点对传感器网络进行配置、管理，发布检测任务、收集数据、监控网络等。共二十四页2.5无线传感器网络(wǎngluò)特点

1.自组织、无中心网络；

没有控制中心，所有节点地位平等（对等网络），节点能够随时加入和撤离网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性；

2.动态性、多跳网络；

节点可能死亡，也可能产生新的节点，所以网络要具有可调性和重构性；由于移动终端的发射功率和覆盖范围有限，所以与覆盖范围之外的终端进行通信，需要借助中间节点，多跳路由是由普通节点协作完成，而非专门路由；

3.硬件资源有限；

每个节点既是信息的发起者，作为中间节点时又是转发者，传统的Internet协议(xiéyì)对网络开销太大，需新的简单有效的通信协议(xiéyì)；

4.能量受限；

如何在网络中节省能源，最大化网络的生命周期，是无线传感器网络研究的重要课题之一；

共二十四页2.5无线传感器网络(wǎngluò)特点

5.大规模网络；

为了减少测量盲区，提高精确度，无线传感器网络节点非常密集，因此需要大规模、冗余的嵌入式设备协同工作；

6.以数据为中心；

无线传感器网络，主要关心某个区域的参数指标，而不是某个传感器的测量数据；7.无人值守；

无线传感器网络规模巨大，每个接地(jiēdì)需要自带或者自主产生电能；

8.易受物理环境影响；

无线传感器随着环境的变化而变化，因此要求其具有动态环境的适应性；

共二十四页3.1传感器的数学模型和特性(tèxìng)传感器一般分为静态特性和动态特性；输入不随时间变化(biànhuà)，称为传感器的静态特性，输入量随时间变化(biànhuà)，称为动态特性；一、静态模型及静态特性y:输出量；x:输入量；α0：零位输出；α1:传感器的线性灵敏度，常用K或者S表示；α2…

αn：传感器的非线性项的待定常熟；以上公式不考虑迟滞和蠕变效应；共二十四页3.1传感器的数学模型和特性(tèxìng)静态特性包括：1.线性度：

指传感器的输出量与输入量之间的线性程度。

如果(rúguǒ)传感器是理想线性的，可得线性方程：实际传感器大多是非线性的，常用线性度来表示其非线性程度，指传感器输出量与输入量之间实际关系曲线偏离拟合直线的程度；Δymax：实际关系曲线与拟合曲线的最大偏差；yF.S：满量程输出；δL：线性度；实际工作中，为使仪表具有均匀的刻度读书，常用一条拟合直线近似代替实际特性曲线，拟合直线的选取有很多种方法，如最小二乘法等。共二十四页3.1传感器的数学模型和特性(tèxìng)2.灵敏度：

稳态下，输出增量Δy与输入增量Δx的比值(bǐzhí)，常用K表示：如果传感器为线性，灵敏度K为常数；非线性时K为变量；3.迟滞：

传感器在输入量由小到大再由大到小的变化器件，

输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞：ΔHmax：正反行程输出量最大偏差；yF.S：满量程输出值；δH：迟滞误差；共二十四页3.1传感器的数学模型和特性(tèxìng)4.重复性：

输入量按同一方向做全程连续多次变化时，特性曲线(qūxiàn)不一致的程度，δH表示；5.精度：

指测量结果的可靠程度，是指量程内最大基本误差与量程的百分比；Δmax：最大基本误差；yF.S：满量程输出值；线性度和迟滞表示系统误差，重复性代表随即误差；共二十四页3.1传感器的数学模型和特性(tèxìng)6.分辨力：

是指传感器能够检测到的输入量最小变化的能力，可观察(guānchá)出输出变化的

最小输入量变化值；7.漂移：

主要包括零点漂移和灵敏度漂移；8.测量范围与量程：

传感器测量范围的上限值与下限值之差称为传感器的行程；共二十四页3.1传感器的数学模型和特性(tèxìng)二、动态(dòngtài)模型和动态(dòngtài)特性动态模型是指在动态信号的作用下，传感器输出量y(t)与输入量x(t)之间的数学关系，通常称为响应特性。用微分方程、传递函数和频率特性表示。动态特性：1.衡量阶跃响应的技术指标；

传感器突然加载或者突然卸载属于阶跃输入，这种方法既简单易行，

又能揭示传感器的动态特性，故常常使用。2.典型阶跃响应；

传感器输入输出关系可用零阶、一阶、二阶微分方程表示，传感器分

别称为零阶传感器、一阶传感器和二阶传感器。3.衡量频率响应的技术指标；

传感器的频率特性用幅频特性和相频特性表示。共二十四页3.2传感器的标定(biāodìnɡ)与校准对新研制或者新生产的传感器进行全面的技术检定，称为(chēnɡwéi)标定；将传感器在使用中或者使用后进行的性能复测，称为校准；静态标定：环境要求：1.温度在15℃-25℃；2.相对湿度不大于85%；3.大气压力为0.1MPa；4.无加速度、无振动、无冲击。对标定设备的要求：标定