第一章 传感器基础知识

传感器技术与应用清远职业技术学院主讲：罗芳教师信息清远职业技术学院一、课程的简介教师与行业企业技术专家课程体系自动化生产线组装、检测、调试，设备维护与管理岗位调研确定设置专业学习领域课程体系专业人才培养目标了解生产线、家电系统的体系结构和应用特点，掌握自动控制应用技术，能够从事自动化上产险、智能电器设备制造、安装、调试、操作、管理、维修的生产第一线高素质技能型人才。学生就业岗位群本课程在专业岗位能力培养中起主要支撑作用。专业学习领域课程体系机电产品营销与服务单片机控制系统设计机械零件测绘高等数学电子线路规划与实施自动化生产线安装与调试传感器与检测技术PLC控制系统设计与调试液压与气压系统的安装与调试电子技术先修课程后续课程专业核心课程一、课程的简介清远职业技术学院基础知识定义、分类发展趋势选用原则一般特性传感器原理检测技术温度传感器磁敏传感器光电传感器应变传感器电感传感器电容传感器压电传感器其他传感器多传感器融合检测电路现代检测系统传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用课程主要内容1内容选取1.电子称的设计与制作4.电子温度计的设计与制作6.自行车转速表的设计与制作5.遥控开关的设计与制作2.物位测量仪的设计与制作3.接近开关的设计与制作体现针对性和适用性7.轮式机器人循迹与避障电路的设计制作七个教学情境传感器的常见应用压力温度物位位移振动速度二、《传感器与检测技术》考核方式考核分类考核项目分数比例(%)考核指标考核要求职业能力平时考核15学习主动性与创造性课堂提问、课外答疑期末考试70笔试小计185职业素质实验准备5预习报告预习检查、抽查提问实验操作5独立完成情况、数据正确性操作过程考核实验报告5书写规范、数据分析正确实验报告小计215清远职业技术学院该门课程的技术背景清远职业技术学院信息技术信息获取信息传输信息处理（传感器技术）（通信技术）（计算机技术）三、蓬勃发展的传感器技术清远职业技术学院1、信息社会与传感的关系清远职业技术学院传感器几乎渗透到所有的技术领域。如工业生产、宇宙开发、海洋探索、环境保护、资源利用、医学诊断、生物工程、文物保护等等广泛领域，并逐渐深入到人们的生活中。1、信息社会与传感的关系清远职业技术学院1）信息传播的载体：图片、声音、光、气味……2）涉及的技术：电子学、自动控制、计算机、通信技术3）从烽火台到现代信息技术：70年代——同步卫星80年代——光钎取代电缆20世纪——扩频通信，全方位的移动通信清远职业技术学院感受电量被测非电量传感器电信号将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号把转换元件输出的电信号变换为便于处理、显示、记录、控制和传输的可用电信号电源图1-1早期的传感装置提取敏感元件输出2、传感器的概念清远职业技术学院1、传感器的定义1）传感器是一个测量器件或装置；2）能将非电量转换成电量；（力、液体、温度……）3）转换后的电量与原来的非电量有一定关系或规律。传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头紧记：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。2、传感器的概念清远职业技术学院3、传感器的机理获取信息检测非电量传感器属于检测技术领域（狭义）实质：非电量电测技术五官清远职业技术学院3、传感器的机理科学的进步来源动物界的特征1）传感器与人体机理的关系如：电子计算机——人脑——电脑传感器——人或动物的五官——电五官2）人体五官的机理3）生物传感器清远职业技术学院信息传送信息获取信息处理感官神经大脑肢体执行通信技术传感器技术计算机技术执行机构清远职业技术学院4、历史事件的促进1、1919年的事件2、第一次世界大战清远职业技术学院思考题1、如何理解传感器？2、举例说明传感器在信息技术中的重要性？清远职业技术学院传感器的认知（二）一、我们周围的传感器•工业控制系统——饮料灌装车间清远职业技术学院认识传感器——什么是传感器•小型电子秤清远职业技术学院认识传感器——什么是传感器•家庭用煤气报警器清远职业技术学院清远职业技术学院1、家用传感器归类电子控制的目的有关家用电器传感器舒适空调、冷暖设备湿度、温度、压力、霜方便洗衣机、烘干机湿度、温度、压力、水位、漂洗度微波炉、电磁炉湿度、温度、重量、哼调遥控装置光、超声防火、防灾石油、煤气、燃烧器具温度、流量、缺氧、煤气节能节电煤气、空调、洗衣机、电视机温度、流量、压力、煤气家用电器90%用的是温度传感器、其次是湿度传感器。清远职业技术学院被测非电量电量敏感元件转换元件转换电路它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量的元件。将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号把转换元件输出的电信号变换为便于处理、显示、记录、控制和传输的可用电信号电源图1-1传感器的组成2、传感器的组成和重要性清远职业技术学院传感器的组成：敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。是不是所有的传感器都包含敏感元件和转换元件呢？？2、传感器的组成和重要性清远职业技术学院敏感元件转换元件并不是所有的传感器必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件如果转换元件能直接感受被测量而输出与之成一定关系的电量，它就同时兼为敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏感电阻及光电器件等。敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器是很多的。图1-2压力传感器结构简图2、传感器的组成和重要性清远职业技术学院机械能光能电磁能化学能热能传感器的能量转换关系清远职业技术学院传感器在自动化领域、计算机领域会给我们的生产带来怎样的影响？清远职业技术学院液位人工控制操作人员的工作:①检测——眼②运算、命令——脑③执行——手汽包液位人工控制盯着好累，有没有其他更方法？清远职业技术学院液位自动控制自动系统的工作:①检测——传感器②运算、命令——控制器③执行——执行器（控制阀）汽包液位自动控制清远职业技术学院传感器的作用1、传感器的作用与地位作用：是信息采集工具，自动测控系统的“五官”；地位：传感器技术、通信技术、计算机技术构成现代信息产业的三大支柱，分别是“感官”、“神经”、“大脑”，构成一个完整的自动测控系统。2、传感器的应用和发展有控制电路的地方，几乎就有传感器！清远职业技术学院一般可按传感器的输入量分，按输出量分或按原理来分。1、按工作原理分类——便于研究设计传感器构成原理：物性型、结构型信号转换效应：物理型、化学型和生物型2、按输入量分类：位移、压力、速度、温度、湿度等3、按敏感元件和材料来分类：半导体、功能陶瓷、光钎和高聚物类4、按应用领域分类：医用、汽车、自动化生产线、材料等3、传感器的分类清远职业技术学院?注意:•传感器的分类各有什么优缺点？考考你清远职业技术学院4、传感器命名方式•传感器常常按工作原理及被测量性质两种分类合二为一进行命名。•如：电感式位移传感器、光电式传感器电气、电子专业计算机与信息技术自动控制技术传感检测技术伺服传动技术机械技术系统技术现代化生产过程自动化程度越高，对传感器的依赖性越大，传感检测技术在工科学生人才培养中的地位和作用也就越重要。5、传感器应用和发展清远职业技术学院总结1、认识传感器2、传感器的作用：信息采集工具，自动测控系统的“五官”3、应用：机械、仪表仪器……4、传感器的定义5、传感器的组成：敏感元器件和转换元器件简单说：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。清远职业技术学院工业控制中检测最多的物理量：温度力光位移清远职业技术学院4、传感器与物联网的关系问题：传感器与物联网应用的关系一般地讲，物联网分为三层结构，分别是感知层、网络层、应用层；清远职业技术学院物联网三层构架根据底层采集的数据，形成与业务需求相适应、实时更新的动态数据资源库，为各类业务提供统一的信息资源支撑，从而最终实现物联网各个行业领域应用。实现更加广阔的互联网功能，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。完成数据采集、通信和协同信息处理。涉及传感器、RFID、多媒体信息采集二维码和实时定位等技术。物联网应用层网络层感知层清远职业技术学院认识传感器——什么是传感器传感器是感知层的重要组成部分，是物联网技术应用的基础。清远职业技术学院清远职业技术学院清远职业技术学院总结1、认识传感器2、传感器的作用：信息采集工具，自动测控系统的“五官”3、传感器的应用简单说：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。清远职业技术学院AnyQuestion清远职业技术学院传感器的基本知识（二）清远职业技术学院一、预习1、传感器的作用：信息采集工具，自动测控系统的“五官”。2、传感器与自动控制系统有什么关系？清远职业技术学院传感器的定义•“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。•这一定义包含了几个方面的含义：①传感器是测量装置，能完成测量任务；②输入量：非电量③输出量：电量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这就是所谓的“可用信号”的含义；④输出与输入有一定的对应关系，这种关系要有一定的规律。根据字义可以理解传感器为一感二传，即感受信息并传递出去。二、传感器的定义清远职业技术学院AnyQuestion清远职业技术学院传感器的基本知识（三）清远职业技术学院一、知识回顾1、什么是传感器？2、传感器的组成是哪些？清远职业技术学院当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为检测系统的输入量和输出量都和时间无关，表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系基础上，确定的检测装置性能参数称为静态特性。二、传感器系统静态特性什么是静态特性？清远职业技术学院1传感器的静态数学模型传感器的静态数学模型：式中x为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示；注意：a1决定传感器的灵敏度，相当于函数y=y=a0+a1x的一次函数的斜率nnxaxaxaxaay332210二、传感器系统静态特性清远职业技术学院2、传感器的静态性能指标（1）线性度在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差（ΔYmax）与满量程输出（Y）的百分比，称为线性度（线性度又称为“非线性误差”），其静态特性可由下列方程式表示：max100%LFSLY注意：该值越小，表明线性特性越好线性误差：实测曲线与理想直线之间的偏差二、传感器系统静态特性作图法求线性度演示（1—拟合曲线2—实际特性曲线）为实测直线与拟合曲线的最大偏差。为输出满量程值。%YEFSmf100线性度定义：mFSY清远职业技术学院(2)迟滞迟滞特性表明检测系统在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间，输入-输出特性曲线不一致的程度。max1100%2HFSHY二、传感器系统静态特性面积越小越好清远职业技术学院(3)灵敏度传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。xysdxdys输入-输出特性曲线斜率二、传感器系统静态特性清远职业技术学院(3)灵敏度二、传感器系统静态特性在天平的指针上，有个很不显眼的小滑块感量砣，用来调节天平的灵敏度。感量砣向上移动，天平的灵敏度提高；感量砣向下移动，天平的灵敏度降低。灵敏度指示器的相对于被测量变化的位移率，灵敏度是衡量物理仪器的一个标志，特别是电学仪器注重仪器灵敏度的提高。通过灵敏度的研究可加深对仪表的构造和原理的理解。作图法求灵敏度过程xyx1ΔxΔy0切点传感器特性曲线xmaxyKx清远职业技术学院若检测系统由多个环节组成，各环节灵敏度分别为S1、S2、S3，且以串联方式连接，则整个系统灵敏度为：y2y1S1S2S3xy0s1s2s3s二、传感器系统静态特性清远职业技术学院•例题1某测温系统由四个环节组成，各自灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.35Ω/℃电桥：0.01V/Ω放大器：1