传感器技术 课件 第1章 绪论

第1章

绪论课程主要内容传感器技术基础知识定义、分类选用原则指标参数一般特性发展趋势传感器特性电阻应变式传感器电容式传感器电感式传感器磁电式传感器压电式传感器热电式传感器光电式传感器化学及生物传感器辐射式传感器智能传感器测量误差与数据处理1传感器在各行业的应用1.工业上：用于化工业参数检测（T、P、F、L、N五大参数）；

制造业中机械参数检测（位移、速度、转矩、重量、尺寸等）举例：在化工生产中常用装置——加热炉22.能源系统：煤、石油、天然气等系统3.电力系统：核工业、绿色能源

5.日常生活及社会服务系统：智能家居

家用电器医学医疗建筑环境保护交通管理公安监控安保安防汽车

交通工具物业管理现代物流8.军事与国防：雷达导航制导4.畜牧业：农田水利、森林防火、温室、养殖6.科学研究精准测量

计量37.物联网传感器的定义4传感器的英文概念表述一般为：“Asensorisadevicethatreceivesastimulusandrespondswithanelectricalsignal”。中华人民共和国国家标准（GB/T36378.1—2018）对传感器（transducer/sensor）的定义是：“能感受被测量（stimulus/measurand）并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件（sensingelement）和转换元件（transducingelement）组成。”传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。传感器输出信号形式：电、光等物理量

传感器的基本组成

辅助电源敏感元件转换元件信号转换电路被测量电量敏感元件：直接感受或响应被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入量转换成电路参量。（信号较弱）信号调理电路：将微弱信号放大并转换处理成后续单元规定的电量输出。一是信号的转移和放大；二是对信号进行滤波、调制或解调、数字化处理等。5传感器的分类按输入量（被测量）分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等。按输出量（输出信号）分类：模拟式传感器、数字式传感器。按工作原理分类:应变式、电容式、电感式、电容式、压电式、热电式、光电式等。按能量变换关系分类:能量变换型（有源）传感器、能量控制型（无源）传感器。根据转换过程是否可逆分类：单向传感器和双向传感器。根据尺寸大小否：微传感器和宏传感器。按照存在形式：软传感器和硬传感器。6现状与发展传感器现状7（1）差动技术差动技术能够有效改善传感器性能。它的应用可显著减少温度变化、电源波动、外界干扰对传感器测量精度的影响，能够减小非线性误差，抑制共模干扰，提高测量灵敏度等。其基本原理如下：设某一传感器的输出为式中，X为输入量；A0、A1、A2、…为系数。如用另一相同的传感器，但其输入量符号相反，得到其输出为使两个输出相减得到总输出∆Y消除了偶次非线性项和零位输出，减小了非线性，使得传感器灵敏度提高了一倍，抵消了共模误差。（2）平均技术平均技术能够产生平均效应，即采用多个传感器同时感受被测量，得到这些传感器输出的平均值，减少测量时的随机误差。常用技术有误差平均效应和数据平均处理。①误差平均效应。假设每个单元的随机误差服从正态分布，根据误差理论，总误差将减小为：8式中，为总随机误差；n为传感器单元数。可见，利用平均技术能够有助于减小传感器误差、增大信号量（即增大传感器灵敏度）。②数据平均处理。在相同的条件下，重复进行N次测量（或采样），然后进行数据平均处理，随机误差也能够有效减小。针对可以重复测量（或采样）的被测量，都可以采取数据平均处理来减小随机误差。（3）补偿与修正技术

补偿与修正技术应用于以下两种情况：①针对传感器本身的特性，可寻找传感器误差规律，测量其大小和方向，再采用合适的方法进行补偿或者修正。采用此技术，传感器本身性能稳定是前提。②针对传感器的工作条件或外界环境的影响，可找出影响因素（温度、湿度、噪声、振动等）对测量结果的影响，然后引入补偿措施，这种措施可以利用电子线路解决或者采用手动计算或计算机软件实现。当前各系统及仪表厂家主要靠建模实现修正。9（4）屏蔽、隔离与干扰抑制在工作环境比较恶劣的情况下，为了减小测量误差，设法减弱或者消除外界环境带给传感器的影响，主要有两种方法：一是减小传感器对影响因素的灵敏度；二是降低外界因素对传感器实际作用的强度。例如，对于电磁干扰的影响，可以采用屏蔽和隔离的方式；对于温度、湿度、压力、机械振动等影响，可以采用相应的隔离措施，如隔温、隔湿、隔振等，或者在其变换为电量时对干扰信号进行分离和抑制，减小其带来的影响。（5）稳定性处理

传感器的性能会随着时间的推移和环境因素的变化而变化，这些都会影响传感器工作的稳定性。为了提高传感器工作的稳定性，需要对传感器进行必要的处理，例如结构材料的时效处理、冰冷处理，永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理等。通过相应的手段处理，在一定程度上能够延长传感器的工作寿命，增强其稳定性和保障其测量精度。10（6）零示法、微差法和闭环技术①零示法。零示法可以消除指示不准造成的误差。被测量与已知标准量产生的作用相互平衡，使得指示为零。平衡电桥在传感器中的应用就是采用零示法。②微差法。微差法是在零示法基础上发展而来。因零示法中被测量与标准量很难完全相等，微差法将标准量与被测量的差值减小到一定程度，通过两者的相互抵消作用使得指示误差显著减小。③闭环技术。利用反馈技术构成闭环平衡式传感器，组成闭环反馈测量系统，满足传感器宽频率响应、大范围、高灵敏度、高分辨率、高精度和高稳定性等要求。（7）新型传感器设计制造科学技术的进步和发展需要人们进一步深入对基础理论的研究，通过研究新原理、使用新型材料和探索新功能，能够设计制造更多新型传感器。例如，光纤传感器、液晶传感器、以高分子有机材料为敏感元件的压电式传感器、生物传感器、化学传感器、核辐射式传感器和新型智能传感器等。①寻找新原理。物理现象、化学原理和生物效应等各种规律和定律是传感器的工作基础。开发新型传感器需要人们通过发现新现象、新规律和新效应来实现。②开发新材料。传感器感知功能中的重要物质基础是各种新型敏感材料。人们通过对敏感材料的开发和利用，能够设计出更多高精度、高耐久和高抗干扰的新型传感器。新型材料主要有：半导体敏感材料、陶瓷敏感材料、磁性材料、智能材料、柔性材料及石墨烯等。③探索新功能。多功能化是指增强传感器的功能，把多个不同功能的传感器元件集成在一起，使其能够同时测量多个被测量。多功能化传感器不但能够降低生产成本和减小产品体积，而且能有效提高传感器的测量精度、稳定性和安全性等性能指标。此外，多功能传感器除了能够同时测量多种参数外，还可以对多种测量参数进行综合处理和分析，反映出被测系统的整体状况。11传感器发展趋势（1）无线化传感器的无线化主要应用在检测系统搭建、快速安装与调整、复杂地形或者特殊区域的监测等方面。例如，遥感技术应用于快速实现大区域对地观测，在环境检测过程中有着不可替代的作用，能够为环境保护与建设提供数据支持。12（2）微型化传感器微型化是指敏感元件的特征尺寸为毫米（mm）、微米（μm）、纳米（nm）级的传感器开发。这类传感器具有尺寸上的微型性和性能上的优越性、要素上的集成性和用途上的多样性、功能上的系统性和结构上的复合性。（3）集成化传感器的集成化往往与MEMS技术相结合，传感器集成化分两种情况：一是将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面排列起来，使其形成一维的线性传感器；二是将不同功能的传感器集成化，即将不同功能的传感器一体化，组装成一个可以同时测量多种数据类型的传感器，如电荷耦合器件（CCD）、集成温度传感器AD590、集成霍尔传感器UG3501。13（4）网络化随着数字化技术、现场总线技术、TCP/IP技术等在测控领域的应用，计量测试与互联网深度融合（互联网+传感器），传感器的网络化得到快速发展。传感器网络化主要表现在两方面：一是为解决现场总线的多样性问题，IEEE1451.2工作组建立了智能传感器接口模块（STIM）标准，使得传感器能够与各种网络接口进行连接和通信；二是以IEEE802.15.4为基础的无线传感器网络技术，具有以数据为中心、低功耗、组网方式灵活和低成本等优点。（5）智能化智能传感器是一种具有信息处理功能的传感器，是传感器集成化与微处理器相结合的产物传感器智能化主要表现在：安装过程中能够自主校零、自主标定，具备自校正功能；使用过程中具备对环境影响的自动补偿功能；具备工作状态下的数据采集、数据自主分析、数据处理以及执行干预逻辑功能；具备大数据分析数据采集产品中的自主学习功能等。技术发展表明：数字信号处理器（DSP）将推动下一代新型传感器产品的发展。随着5G通信技术、大数据、AR（增强现实）、VR（虚拟现实）和云计算等技术的发展以及机器人、人工智能等新技术的应用，传感器迎来了一个新的智能化时代。14（6）虚拟化传感器虚拟化主要表现在三个方面：智能传感器的应用将愈发广泛并且其中的软件和算法的比重会越来越大；基于“软件就是仪器”的理念和虚拟仪表的各种优势，以虚拟仪器为平台的测量控制系统将会越来越受到欢迎；以大数据和人工智能等前沿技术为支撑，“纯软件式”传感器发展将越来越快。虚拟传感器虽超越传统传感器作为“器件或装置”的定义，没有“有形”的器件，但仍具有检测的基本功能，可以认为是广义传感器，通过计算机网络平台，用软件和算法对数据进行处理和分析，输出“检测”的结果。（7）安全化传感器安全化是传感器作为感知单元的基本功能之一。一方面，传感器接收信息并传输数据的重要性增强；另一方面，传感器受到非法攻击的可能性增高，这使得传感器安全化显得格外重要。传感器安全化是通过软件和硬件两方面来应对攻击者的攻击行为，如硬件防篡改、访问控制、节点冗余、数据真实性鉴别、数据消息加密和恶意节点识别与剔除等，通过多种手段抵御因传感器无线化、虚拟化和网络化等形成大数据带来的信息安全风险，保障传感器在信号传输