传感器原理及应用重点

哈尔滨工业大学传感器原理及应用课程名称：检测技术哈尔滨工业大学•本门课程的特点：1、后续专业课的基础2、课程具有较强实践性3、课程涉及的知识面广4、工程性、应用性都非常强的课程课程特点哈尔滨工业大学•课程的重要性1、检测技术、通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱，它们分别是智能系统的“感官”、“神经”和“大脑”。2、传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行准确可靠的测量，就无法实现信号的转换和信息处理、无法完成最佳数据的显示和控制。课程的重要性哈尔滨工业大学•课程教材和参考书课程教材和参考书•教材：周杏鹏主编《传感器与检测技术》清华大学出版社2010年•参考书：1、王俊杰主编，传感器与检测技术，清华大学出版社，2011年2、贾柏年主编.传感器技术（第三版）.东南大学出版社，2007年3、吴道悌主编,非电量电测技术（第二版），西安交通大学出版社，2001年4、彭军主编，传感器与检测技术，西安电子科技大学出版社，2003年5、强锡富主编，《传感器》第3版，机械工业出版社，2002年哈尔滨工业大学课程要求•课程要求1、对课程的内容分“熟练掌握、掌握、理解、熟悉、了解”五个层次提出要求；2、对各类传感器的工作原理、基本结构、应用领域中较重要的敏感技术有相当的认识；3、在未来具体工作中，在传感器和执行器选择、使用、设计以及进一步深入研究方面具备良好的基础；4、在学习过程中，应当从应用的角度出发。哈尔滨工业大学课程的考核方式1、平时考核(作业、课堂回答问题、考勤)成绩，约占40%2、期末综合考试，约占60%•本课程总成绩的组成哈尔滨工业大学•一、传感器的作用•传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控)的主要环节，是信息的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。绪论§0-1传感器的作用、定义与组成二、传感器的应用领域现在我们的身边大量地使用着各种各样的传感器哈尔滨工业大学•二、传感器的定义与组成•1.定义•能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。•依据我国国家标准GB/T7665-1987传感器通用术语绪论哈尔滨工业大学绪论传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。定义包含的意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。③它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；④输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。哈尔滨工业大学绪论输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。基本转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。敏感元件基本转换电路转换元件被测量中间量输出电量哈尔滨工业大学§0-2传感器的分类第一章传感器概述非电学量→传感器→电学量角度位移速度压力温度湿度声强光照磁场传感器电压电流电阻电容哈尔滨工业大学第一章传感器概述1．按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩哈尔滨工业大学电学式、磁学式、光电式、电化学式等。2．按工作原理分类:切削力测量应变片动圈式磁电传感器第一章传感器概述哈尔滨工业大学第一章传感器概述能量转换型和能量控制型.3．按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.哈尔滨工业大学第一章传感器概述4．按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.哈尔滨工业大学5．按输出电信号类型分类根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为：模拟量传感器数字量传感器开关量传感器。如：接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器。第一章传感器概述哈尔滨工业大学第一章传感器概述§1-3传感器的应用领域一、传感器技术发展的重要性二、传感器的应用领域现在我们的身边大量地使用着各种各样的传感器哈尔滨工业大学1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用超声波检测电容指纹识别第一章传感器概述哈尔滨工业大学第一章传感器概述哈尔滨工业大学第一章传感器概述这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见的红外光，又称为红外线。电视机的遥控器中就是使用着光学传感器。肉眼看不见2、传感器与家用电器哈尔滨工业大学这种麦克风是一种将声音信号转换为电信号的传感器。第一章传感器概述唱卡拉OK时使用的麦克风，也是一种传感器。哈尔滨工业大学透光率传感器第一章传感器概述温湿度传感器温度传感器感应水龙头电子门哈尔滨工业大学第一章传感器概述R1aR2uoUcc+R3Rt功放b温控室A+-uo1加热元件这种温度室是一种将温度变化转换为电信号的传感器。哈尔滨工业大学火灾报警器第一章传感器概述哈尔滨工业大学机械鼠标的内部结构第一章传感器概述哈尔滨工业大学传感器就是将光、声音、温度等物理量，转换成为能够用电子电路处理的电信号即电压与电流的器件。第一章传感器概述哈尔滨工业大学3、汽车与传感器第一章传感器概述哈尔滨工业大学汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。第一章传感器概述哈尔滨工业大学辅助泊车传感器双声纳间隙检测声纳后声纳电源指示转向指示间隙警告ECU间隙检测声纳集成开关面板[多功能信息显示][多功能显示]侦测栅第一章传感器概述主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物哈尔滨工业大学第一章传感器概述定位、地理信息哈尔滨工业大学第一章传感器概述汽车行驶速度测量哈尔滨工业大学4、传感器在机器人上的应用第一章传感器概述触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。哈尔滨工业大学弧焊机器人第一章传感器概述哈尔滨工业大学弧焊机器人第一章传感器概述哈尔滨工业大学喷漆机器人第一章传感器概述哈尔滨工业大学装配机器人第一章传感器概述哈尔滨工业大学5、传感器在医疗及人体医学上的应用第一章传感器概述医用传感器，是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）哈尔滨工业大学6、传感器与环境保护7、传感器与航空及航天8、传感器与遥感技术第一章传感器概述学习网站：国家精品课程网=8a833999-20d0f6d2-0120-d0f6d254-0101&courseID=D050054&column=method哈尔滨工业大学§1-4传感器的发展方向第一章传感器概述1.努力实现传感器新特性2.确保传感器的可靠性，延长其使用寿命3.提高传感器集成化及功能化的程度4.传感器微型化5.新型功能材料的开发哈尔滨工业大学§1-5传感器的静态特性和动态特性第一章传感器概述传感器的基本特性：传感器的输入－输出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性对传感器的要求：高精度－＞信号（或能量）无失真转换－＞反映被测量的原始特征哈尔滨工业大学第一章传感器概述一、传感器的静态特性传感器的静态特性是指在稳态条件下（传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确定的输入—输出关系。这种关系可依不同情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格来表示。表征传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。哈尔滨工业大学第一章传感器概述1.线性度传感器的理想输入—输出特性应是线性的。哈尔滨工业大学第一章传感器概述线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，其不一致的最大偏差与理论满量程输出值的百分比来进行计算：max100%YLFSL式中：YFS＝ymax－ymin——满量程输出12ΔLmaxymaxxmax0哈尔滨工业大学•对于非理想直线特性的传感器，需要进行非线性校正，常采用以下方法。•理论拟合：理论直线，与实测值无关•端点连线拟合•过零旋转拟合•端点平移拟合•平均选点拟合•最小二乘拟合第一章传感器概述哈尔滨工业大学第一章传感器概述（2）端点连线拟合实际特性上分别对应于测量下限xmin和测量上限xmax的点A和B的连线称端点拟合直线。特点：方法简单，但由于数据依据不充分，且计算的线性度值往往偏大，因此不能充分发挥传感器的精度潜力。ooo图3.2输出-输入特性的非线性maxLmaxLmaxLmXmXmXxxxyyyFSYFSYFSYAB哈尔滨工业大学第一章传感器概述（2）平均选点法把传感器全量程内的所有校准数据，前后分成两组，分别求出两组的点系中心，这两上点系中心的连线，就是平均选点法的拟合直线。特点：拟合精度较高，试验点在拟合直线两侧分布，数据处理不复杂。前半部点系中心坐标为21121122niiniixxnyyn后半部点系中心坐标为21221222ninininixxnyyn11(,)xy22(,)xy2121yykxx11aykx22aykx因此通过两个点系中心和的直线斜率为直线在y轴上的截距为或把斜率和截距代入y=a+kx中即得到平均选点法拟合直线方程。哈尔滨工业大学第一章传感器概述（3）最小二乘法把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟合的直线y=a+kx，其校准点与对应的拟合直线的点之间的残差平方和为最小。22112221122[()]()()()nniiiinniyakxyakxyakxyakx校准点拟合直线哈尔滨工业大学第一章传感器概述222()()iiiiiixyxyxaxinx22()iiiiiixynxykxnx特点：拟合精度高，计算复杂。哈尔滨工业大学2．迟滞迟滞特性说明传感器加载（输入量增大）和卸载（输入量减小）输入—输出特性曲线不重合的程度。第一章传感器概述图3.4迟滞特性yxHmaxYFSomax=100%2HHFSy产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等哈尔滨工业大学第一章传感器概述3．重复性重复性是指传感器输入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。图3.5重复性yxoYFSmax2Rmax1RmaxFS100%YRR哈尔滨工业大学第一章传感器概述4．灵敏度yx/kyx传感器输出变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为静态灵敏度。（拟合直线即为斜率）5．分辨力分辨力是指传感器可能检测出被测信号的最小增量。哈尔滨工业大学第一章传感器概述6．稳定性稳定性指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，也称为长时间工作