无线传感器网络课件-第二章

1第2章微型传感器的基本知识22.1传感器概述1、传感器的定义和作用传感器网络的终端探头通常代表了用户功能需求，终端传感器技术是支撑和最大化网络应用性能的基石，为网络提供了丰富多彩的业务功能。什么是传感器？一般来说能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。3传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官又可以看作是天然的传感器。随着数字化和信息技术与机械装置的融合，传感器和执行器已经开始实现数据共享、控制功能和控制参数协调一体化，并通过现场总线与外部连接。随着基础自动化控制功能的重新分配，许多计算机控制功能下放到传感器和执行器中完成，如参数检测、控制、诊断和维护管理等。传感器的作用类似于感觉器官，是实现测试与控制的首要环节。42、传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。转换元件是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。转换电路对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转换电路可安装在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，构成集成传感器。敏感元件转换元件基本转换电路辅助电源被测量5传感器接口技术各种物理量用传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测和预处理电路，将模拟量的电压或电流送A/D转换，变成数字量，供计算机或者微处理器处理。63、传感器的分类按被测量与输出电量的转换原理划分，可分为能量转换型和能量控制型两大类。能量转换型传感器直接将被测对象（如机械量）的输入转换成电能。包括压电式传感器、磁电式传感器、热电偶传感器等。7能量控制型传感器直接将被测量转换成电参量（如电阻等），依靠外部辅助电源才能工作，并且由被测量控制外部供给能量的变化。属于这种类型的传感器包括电阻式、电感式、电容式等。8传感器按测量原理分类，主要有物理和化学原理，包括电参量式、磁电式、磁致伸缩式、压电式和半导体式等。执行器按控制系统要求，应具备高精确度控制和快速响应的能力，主要有电动执行器、气动执行器、液压执行器、压电陶瓷执行器和纳米执行器等。按被测量的性质不同划分为位移传感器、力传感器、温度传感器等。9按输出信号的性质可分为开关型（二值型）、数字型、模拟型。数字式传感器能把被测的模拟量直接转换成数字量，它的特点是抗干扰能力强、稳定性强、易于微机接口、便于信号处理和实现自动化测量。102.2常见传感器的类型介绍1、能量控制型传感器能量控制型传感器将被测非电量转换成电参量，在工作过程中不能起换能作用，需从外部供给辅助能源使其工作，所以又称作无源传感器。电阻式、电容式、电感式均属这一类型。112、能量转换型传感器能量转换型传感器感受外界机械量变化后，输出电压、电流或电荷量。可以直接输出或放大后输出信号，传感器本身相当于一个电压源或电流源，因而这种传感器又叫做有源传感器。压电式、磁电式和热电式传感器等均属这一类型。123、光敏传感器光敏传感器是一种感应光线强弱的传感器。当感应到光强度不同时，光敏探头内的电阻值就会有变化。常见的光敏传感器有光电式传感器、色敏传感器、CCD图像传感器和红外/热释电式光敏器件等。将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。134、气、湿敏传感器气敏传感器是一种能将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。半导体气敏传感器广泛应用于可燃性气体的探测与报警，以预测灾害性事故的发生。145、集成与智能传感器集成传感器是将敏感元件、测量电路和各种补偿元件等集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功能强和性能好的特点。常用集成传感器有集成温度传感器、集成压力传感器、集成霍尔传感器等。若将几种不同的敏感元件集成在一个芯片上，可以制成多功能传感器，可同时测量多种参数。15智能传感器（SmartSensor）是在集成传感器的基础上发展起来的，是一种装有微处理器的、能够信息处理和信息存储以及逻辑分析判断的传感器系统。智能传感器利用集成或混合集成的方式将传感器、信号处理电路和微处理器集成为一个整体。智能传感器与传统传感器相比，具有如下几个特点：（1）具有自动调零和自动校准功能。（2）具有判断和信息处理功能，对测量值进行各种修正和误差补偿。（3）实现多参数综合测量。（4）自动诊断故障。（5）具有数字通信接口，便于与计算机联机。162.3传感器的一般特性和正确选型2.3.1传感器的一般特性传感器的正确选用是保证不失真测量的首要环节，因而在选用传感器之前，掌握传感器的基本特性是必要的。1、灵敏度传感器的灵敏度高，意味着传感器能感应微弱的变化量，即被测量有一微小变化时，传感器就会有较大的输出。但是，在选择传感器时要注意合理性，因为一般来讲，传感器的灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性会越差。17传感器的灵敏度指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与引起变化的输入变化量之比，即线性传感器的校准曲线的斜率就是静态灵敏度；对于非线性传感器的灵敏度，它的数值是最小二乘法求出的拟合直线的斜率。K=输出变化量/输入变化量=△Y/△X=dy/dx182、响应特性传感器的动态性能是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。它是传感器的输出值能真实再现变化着的输入量的能力反映，即传感器的输出信号和输入信号随时间的变化曲线希望一致或相近。传感器的响应特性良好，意味着传感器在所测的频率范围内满足不失真测量的条件。另外，实际传感器的响应过程总有一定的延迟，但希望延迟的时间越小越好。193、线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内它的输出与输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。传感器工作在线性范围内，是保证测量精确度的基本条件。例如，机械式传感器中的弹性元件，它的材料弹性极限是决定测力量程的基本因素。当超过弹性极限时，传感器就将产生非线性误差。任何传感器很难保证做到绝对的线性，在某些情况下，在许可限度内，也可以在近似线性区域内使用。20传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到输入/输出特性列表或曲线。人们通常希望这个特性曲线是线性的，这样会对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差。21所谓线性度是指传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线之间的吻合（偏离）程度。选定拟合直线的过程，就是传感器的线性化过程。实际曲线与它的两个端尖连线（称为理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。max100%LFSLey式中为线性度(非线性误差)，为校准曲线与拟合直线间的最大差值，为满量程输出值。224、稳定性稳定性表示传感器经过长期使用之后，输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为了保证稳定性，在选定传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择合适类型的传感器。例如电阻应变式传感器，湿度会影响到它的绝缘性，温度会影响零漂；光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性能，带来测量误差。235、重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特征曲线的不一致性，在数值上用各测量值正反行程标准偏差最大值的两倍或三倍于满量程的百分比来表示。21()1niiYYn2~3100%FSky上式中δ为标准偏差，为测量值，Y为测量值的算术平均值。246、漂移由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值）。0100%FSYy零漂上式中为最大零点偏差（或相应偏差）25在其它因素不变的情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移。随着温度变化产生的漂移称为温度漂移，它表示当温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1度时，输出的最大偏差与满量程的百分比来表示。267、精度传感器精度指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度来表示重复某个读数的能力，其误差越小则传感器精度越高。传感器的精度表示为传感器在规定条件下，允许的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百分数。100%FSAy精度上式中△A为测量范围内允许的最大绝对误差。所谓最大误差是指在曲线上任取10个点测量某7点达10次，确定的最大误差即为所求。27精度表示测量结果和“真值”的靠近程度，一般采用校验或标定的方法来确定，此时“真值”则靠其它更精确的仪器或工作基准来给出。国家标准中规定了传感器和测试仪表的精度等级，如电工仪表精度分七级，分别是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5级。精度等级的确定方法是首先算出绝对误差与输出满度量程之比的百分数，然后靠近比其低的国家标准等级值即为该仪器的精度等级。288、分辨率(力)分辨力是指能检测出的输入量的最小变化量，即传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值，即产生可测输出变化量时的最小输入量值。如图所示左图为非线性、右图为线性输出结果，其中的x0均表示可以开始检测的的最小输出值。数字式传感器一般用分辨率表示，分辨率是指分辨力/满量程输入值。299、迟滞迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程间的最大偏差。它表示传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度，数值用最大偏差(△Amax)或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，它们分别如下所示：max100%FSHAymax100%2FSHAy302.3.2传感器选型的原则现代传感器在原理和结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象和测量环境合理选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器的型号确定之后，与之相配套的测量方法和设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。311、测量对象与环境根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的输出方法，有线或非接触测量；传感器的来源，国产还是进口；价格能否承受，是否自行研制。322、灵敏度通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值会比较大，这有利于信号处理。但传感器的灵敏度较高时，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，从而导致影响测量精度。因此，选用传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高时，应选择在其它方向上灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。333、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应时间总有一定的延迟，通常希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，则可测的信号频率范围就越宽。由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因而传感器频率低，则可测信号的频率就较低。在动态测量中，应根据信号的特点，以免产生过大的误差。344、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则它的量程就越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看它的量程是否满足要求。实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，它的线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内可将非线性误差较小的传感器近似看作是线性的，这会给测量工作带来很大的方便。355、稳定性传感器在使用一段时间后，它的稳定性会受到影响。影响传感器长期稳定