传感器原理及应用

1、传感器的原理和应用、第一章基本概念、1-1传感器的定义和构成1-2传感器的特性1-3传感器的误差和信噪比、第一章基本概念、1-1传感器的定义和构成1-2传感器的特性1-3传感器的误差和信噪比、1-1一、传感器的定义1、 所谓传感器，来自“感觉”一词的传感器技术属于现代高新技术(电气五官)，“传感器”(TransducerSensor )的定义是感受规定的测量，遵循一定的规则在我国经常同等使用“传感器”和“传感器元件”，传感器的有时把传感器元件称为传感器。 转换元件可以将传感器元件的感测或响应的测量转换成适于发射或测量的电信号部分。 传感器的定义3、传感器的特征残奥表、被测传感器输入量是传感器命

2、名和分类的重要依据。 输出量包含原始信号，是容易接收和处理的信号形式。传感器的定义4、传感器的应用、从被检测对象中获取原始信号(1)自动检测系统、传感器的定义4、传感器的应用继续(2)在测量系统、自动检测和自动控制系统、电力、冶金、石化、化工等工艺工业中，建构生产流水线上设置的通常24小时在线监测系统。 在商品发货石油化学公司的输油管道、储油罐等压力容器破损及泄漏检测、汽车、工作母机、电机、发动机等产品时，要进行其性能质量检测。 图为汽车的发货检查原理分块图，测量残奥表包括润滑油温度、冷却水温度、燃料压力及发动机转速等。 通过采样汽车的测试，工程师可以知道产品品质的情况。 汽车扭矩测量工作母机

3、的加工精度测量，汽车和传感器高级轿车需要传感器实时准确测量温度、压力、位置、距离、转速、加速度、大气湿度、电磁、光电、振动等，一般需要301 00种传感器。 传感器和家电自动电饭锅、吸尘器、空调、电子热水器、干燥器、电熨斗、扇风机、洗衣机、通用相机、冰箱、电视机、网络视频、家庭影院等。 传感器在机械人中的应用，机械人，机械人中的传感器：旋转/移动位置传感器，力传感器，视觉感知传感器，听觉传感器，接近距离传感器，触觉传感器，热感觉传感器，嗅觉传感器。密歇根大学机械手装配模型、机械人服务人员、AGV汽车配送车、香港理工AGV模型、传感器在生物医药的应用，诊断人体健康状况需要多种大姨妈残奥仪的测量。

4、 国内成功研制出了用于测定近红外组织血氧残奥计的检测器。 修订人类基因组的研究也大大促进了酶催化剂、免疫、微生物、细胞球、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉与体液成分、血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。医学、传感器与航空及宇宙航行、航空器：要实现在预定轨道上控制陀螺、太阳能传感器、星光传感器、地磁场传感器、宇宙航行、传感器与环境保护、维护环境与生态平衡、实现永续发展，必须进行大气监测与河流湖海水质检验。 污水的产水量、PH值、电导率、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、阿摩尼亚氮、全氮、全磷、金属络离子浓度，特别是重金属络离子浓度及风向、风速、温度、大气湿度、工业需要大量使

5、用、烟尘浊度测定、传感器与遥感技术、红外线接收传感器，二、传感器分类1，按传感器输入量(用途)分类，厂家往往按输入量分类，为用户提供基本的使用信息。 例如，位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、光强度传感器、大气湿度传感器、黏性系数传感器、浓度传感器等。 按传感器的分类2、传感器的工作反应历程进行分类，该分类方法可以表示输入变量和输出变量的关系。 传感器的分类2、传感器的工作反应历程分类1、(1)物性型传感器是利用某一功能材料自身所具有的内在特性和效果，将测量到的东西直接转换为电量的传感器。 例如，各种压电晶体传感器。 (2)结构传感器以结构(例如

6、形状、尺寸)为化学基，利用某种物理定律将被测量体转换为电量。 例如，空气隙型感应式传感器。 传感器分类2，传感器工作反应历程分类2，(3)化学传感器是利用化学反应原理，将无机和有机化学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器。 例如，络离子选择性电极。 (4)生物传感器是利用生物活性物质的选择性识别和生物化学物质的测定的传感器。 近年来发展很快。 按照传感器的分类3、信息能量转化方式进行分类，在传感器内部，信息的传递和转换伴随着能量的流动。 (1)能量转化型：传感器从被测量对象中提取能量，直接用于输出。 例如可以举出热电偶、光电池、压电式、电磁效应式、固体电解质气敏传感器等。 (2)能量控制型：

7、传感器从被测量对象中提取能量，为了控制激发源，也称为有源型传感器。 例如，电阻式、感应式、静电容量式、霍尔式。 三、被测量和能量转化、一、显示容量和显示强度变量(1)显示容量或流通变量、扩张量显示容量是与空间分布成比例的量，表示收容多少。 例如：长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电流、热流、熵。被测量和能量转化1、显示内容变量和显示强变量、(2)表示强变量或摇镜头变量，密集量(Intensive )是表示作用程度的量。 例如，力、压力、温度、温度差、电压、磁通、光通信、瓦斯气体浓度、大气湿度。能量转化1、显示容量、显示强变量和测定，显示容量和显示强量的组合的积与某能量对应。 例

8、如，力和位移的积是功，力和速度的积是功，压力和体积的积是气体动力学能，温度和熵的积是热能，温度差和热流的积是热功率，电压和电荷的积是电能，电压和电流的积是电力。 测量和能量转化2、传感器能量转化和传感器的操作过程可被认为是显示电容和显示强度从一个组合改变为另一个组合。被测量和能量转化3、能量转化和误差，(1)传感器从被测量物获取能量时影响被测量物的状态，引起误差。 热电偶测温时，输入的热流从被测量物传递，热电偶的热容量过大时，被测量物的温度下降，产生误差。 (2)如果传感器输出端的负荷消耗传感器的能量，则被测量物也会产生误差。 传感器对被测量物的影响越小，负荷对传感器输出的影响越小，测量精度越

9、高。 另外，被测定和能量转化4、传感器信号转换器可以根据传感器输出信号是模拟计程仪量还是数字量，将信号转换器分为2种。 【模拟计程仪转换】输入为模拟计程仪，输出为模拟计程仪。 【数字转换】输入为模拟量，输出为数字量。被测定和能量转化5、传感器的投入产出特性、(1)传感器的输入特性(负载效应)传感器的输入特性用于测定传感器对被测定对象的影响程度。因其主要的残奥仪表为广义的输入阻抗Zi，显示强度变量x与显示容量变量x的积为能量w (或功率)，因而被定义为具有能量或者功率，被测量者和能量转化5，传感器的投入产出特性在作为显示强度变量进行测量的情况下(例如，输出、压力、压力、) 具体地，如果测量作为显

10、示电容量(例如，位移、速度、加速度等)，则传感器的广义输入阻抗越小，越优选。 在被测定容量为0时(例如，力传感器测定静态力时)，此时的被测定点为力平衡态，速度为0，此时的输入特性表示应用静态刚性的静态刚性：此时的被测定力的功：被测定能量转化5、传感器的投入产出特性，(2)传感器的输出特性() 主要的残奥仪表是广义的输出阻抗Zo，从提高负载能力出发，Zo越小越好，从得到定义为负载能力强的最大功率出发，Zo与负载阻抗相等。 总的要求是，想从被测量对象获得小能量，输出大的有用信号。 四、发现传感器的发展趋势，新现象开发新材料采用微加工技术集成智能化生物传感器，第一章基本概念，1-1传感器的定义和构成

11、1-2传感器的特性1-3传感器的误差和信噪比，1-2传感器的特性，传感器的静态特性传感器1-2传感器的特性1、传感器的静特性、【静特性】:输入不随时变化时(根据稳定信号)，传感器输出和输入的关系。转换函数(静态特性的一般数学模型)转换函数反映传感器输入和输出的关系式，其中x是输入量，y是输出量。 一些典型的转换函数总而言之，要求传感器的静态特性、转换函数，以及通常要求传感器的静态情况下的输入和输出保持线性关系，实际上，如上表所述，难以满足理想的线性关系，通常用多项式表示，仅在二阶或更高阶的项为0的情况下，才满足理想的线性关系另一方面，当输入变化为x时，传感器的静态特性2、灵敏度(静态灵敏度)等

12、，其中k(x )称为灵敏度，且是传感器的微商在工作点处的dydx，是静态特性的最主要指标。 当k(x )为一定值时，也就是说y可以与x成比例地根据测定值y直接求出x。 灵敏度是比较性的。 另一方面，传感器的静态特性3、精度和传感器的精度是指测量结果的信任度，以规定精度表示重复某个读取值的能力，误差越小则精度越高。 传感器的精度被定义为表示传感器在规定条件下容许的最大绝对误差与传感器全标度输出的百分率，其中，a是在测定范围内容许的最大绝对误差。 在应用中，为了简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念，分为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。 精度水平越小，精度

13、越高，另一方面，在传感器的静态特性4、线性度(非线性误差)、规定条件下，将传感器定标曲线与拟合直线之间的最大偏差和全标度(F.S )输出值的百分率称为线性度。 线性：拟合方法包括化学基端线性拟合、最佳线性拟合和最小二乘法拟合。 另一方面，传感器的静态特性5、最小检测量和极限分辨率意味着能够正确反映传感器测量的最低极限量x，小于该量的区域称为死区。 在数字传感器中，通常以分辨率显示。最小检测量(或灵敏度)的影响因素2:(1)输入的变动量x在传感器内部被吸收：传递螺钉或齿条的传感器，由于螺钉与螺母柱之间，齿轮与齿条之间存在间隙，因此，如果输入变量x小于该间隙，则在传感器内部被吸收。 另一方面，传感

14、器的静态特性5、最小检测量和极限分辨率持续1、(2)传感器的投入产出端有噪声干扰作用，x过小时，会被外部噪声埋没。 最小检测量：其中，c为系数，一般为15，n为噪声电平，k为灵敏度。 关于数字传感器，由输出数字指示值的最后一位的数字表示的输入量所表示，被称为极限分辨率。 另一方面，由传感器的静止特性6、迟滞现象、输入量增过程测定的某点的输出值与在输入减少过程中测定的相同点的值不同，将该现象称为迟滞现象。 图中的曲线称为迟滞现象特性曲线。 另一方面，传感器的静态特性6、迟滞现象1、迟滞现象的测量用迟滞现象的最大偏差或最大偏差的一半和满刻度输出值的百分比表示，称为迟滞现象误差，或者如果传感器有迟滞

15、现象，则输入和输出不能保持一对一的对应关系，因此请尽量缩小。 造成迟滞现象的主要原因是材料的物理性质。 另一方面，传感器的静态特性7、反复性是指在同一动作条件下，输入量在同一方向上在全标度范围内多次连续变动而得到的特性曲线的不整合。 传感器的静态特性7、重复1、不均匀性一般为每个测量值的正、反行程标准离差最大值的二位或三倍值和全尺度输出值的百分比表示(或称为反向间隙)，或其中的标准离差。 另一方面，当传感器的静态特性8、零点漂移、传感器没有输入(某个输入值不变)时，每隔一定时间进行读取，其输出偏离零值(或者原来的指示值)，即零点漂移，y0为最大零点偏差(或者相应偏差)，另一方面一般温度变化1时

16、，用输出最大偏差和满刻度的百分比表示。 其中max是输出最大偏差，t是温度变化范围。 1-2传感器的特性2、传感器的动态特性、【传感器的动态特性】传感器的响应特性。 【传感器响应】输入信号随着时间变化，输出信号变化的情况。 第二，传感器的动态特性1，动态特性的一般数学模型无法无延迟地输入信号，因为传感器在运行中、质量加速或减速需要时间，能量网站数据库需要时间，以及在信号传送中克服电阻需要时间。 动态特性的典型数学模型是常规因子差分方程：其中y(t )是输出信号，x(t )是输入信号，a0、a1、an和b0、b1、bm都是常数。 二、传感器的动态特性1、动态特性的一般数学模型继续为1，对上式的两边进行拉氏变换后，得到的系统的传递函数一般如下，上式的传递函数分母可以分解为一次多项式和二次多项式的分式形式，以一次多项式为分母的系统被称为传递函数的一次系统(即惯性网络链接)，以二次多项式为分母的系统传感器的动态特性2、零阶传感器的数学模型、零阶传感器的差分方程只有a0、b0两个系数，方程式为：或其中k为静灵敏度，所以零阶系统的动态特性是系统的静特性。 传感器的动态特性2，零阶传感器的数学模型-续1，典型的零阶系统，例如线性体积输出电压和刷子位移的关系：传感器的动态特性3，初级传感器的数学模型(惯性网络链接)，初级系统的方程式或其中(a1/a0 )，被称为时间常数一次系