湖南大学传感器课件 第1章 初识传感器

电子工业出版社第1章初识传感器电子工业出版社电子工业出版社1.1传感器在自动测量中的作用1.2传感器的定义与组成1.3传感器的分类1.4传感器的发展趋势1.5传感器的静态特性1.6传感器的动态特性1.7传感器的技术性能指标及选用原则1.8改善传感器性能的技术途径本章内容电子工业出版社“电五官”人体与自动化测控系统的对应关系1.1传感器在自动测量中的作用电子工业出版社长江二桥现场物理层传感器及数据采集传输系统数据层数据处理及数据库管理系统信息层信息处理及应用系统应用层数据采集及通信软件综合数据库管理软件安全营运及预警报告系统软件维护决策支持系统软件健康状况评估专家系统软件信息查询统计分析远程管理状态评估养护决策费用分析预警预报灾害处理环境载荷检测温度、风速风向、雨量等车辆载荷检测车速、交通量、视频、称重等结构响应检测张力、应变、线型、位移等电子工业出版社汽车中的传感器电子工业出版社电子工业出版社能将温度转换为电压的传感器—热电偶ABTT0T0电子工业出版社电动机转速测量电子工业出版社安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部电子工业出版社CCD图像传感器用于图像记录电子工业出版社定义：传感器(Transducer/Sensor)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。（国标GB7665—2005）1.2传感器的定义与组成1.2.1传感器的定义（2）传感器的输入量是某一被测量，可以是物理量、化学量……（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器定义有下述含义：电子工业出版社工业检测中涉及的物理量分类热工量：温度t（℃、K、℉）压力（压强）p（Pa）、压差Δp、真空度、流量q（t、m3）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）机械量：直线位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、转速n（r/min）、应变ε（m/m）、力矩T（Nm）、振动、噪声、质量（重量）m（kg、t）几何量：长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等电子工业出版社物体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色状态量：工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）电工量：电压、电流、频率、电阻、电容、电感……这些量在电工、电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。电子工业出版社（4）传感器的输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度；（3）传感器的输出量是某种物理量，一般为便于传输、转换、处理、显示的电量（电压、电流、电阻、电感、、、）；1.2.2传感器的组成电子工业出版社敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数,如电阻R，电感L，电容C或电流、电压等。信号转换电路：将转换元件输出的电路参数接入信号调理电路并将其转换成易于处理的电压、电流或频率量。电子工业出版社压力图示压力传感器的敏感元件、转换元件各是什么？当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。1-弹簧管;2-电位器;3－电刷；4－齿条、齿轮副电子工业出版社弹簧管实物图电子工业出版社分类方法传感器的种类说明按输入量分类位移传感器、温度传感器、压力传感器、、、传感器以被测物理量命名按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、传感器以工作原理命名按物理现象分类结构型传感器传感器依赖其结构参数变化实现信息转换物性型传感器传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换按能量关系分类能量转换型传感器传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量按输出信号分类模拟式传感器数字式传感器输出为模拟量输出为数字量1.3传感器的分类电子工业出版社1.4传感器技术的发展动向1.4.1新原理、新材料、新工艺的开发利用传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。电子工业出版社传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。电子工业出版社1.4.2微型化、智能化、多功能传感器同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。电子工业出版社例如：瑞士Sensirion公司的SHT11/15型高精度、自校准、多功能式智能传感器。能同时测量相对湿度、温度和露点等参数；兼有数字湿度计、温度计和露点计这3种仪表的功能；可广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备等领域。SHT11/15型智能传感器的外形尺寸仅为7.62mm（长）×5.08mm（宽）×2.5mm（高），质量只有0.1g，其体积与一个大火柴头相近。电子工业出版社CCD光敏元显微照片面阵CCD外形电子工业出版社仿生传感器生物传感器系统亦称生物芯片，它是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科技革命。生物芯片不仅能模拟人的嗅觉（如电子鼻）、视觉（如电子眼）、听觉、味觉、触觉等，还能实现某些动物的特异功能（例如海豚的声纳导航测距，蝙蝠的超声波定位，犬类极灵敏的嗅觉，信鸽的方向识别，昆虫的复眼）。生物芯片的效率是传统检测手段的成百、上千倍。西门子公司最近研制出一种能辨别气体及其味道的微型芯片传感器，可检测空气中臭氧含量，监测火灾以及气体泄漏。电子工业出版社智能传感器（smartsensor）智能传感器指具有判断能力、学习能力的传感器。事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检测、判断和信息处理功能。如美国霍尼韦尔公司制作的ST-3000型智能传感器，采用半导体工艺，在同一芯片上制作静态压力、压差、温度三种敏感元件，芯片中还包含了微处理器、存储器、A/D、D/A、转换器和数字I/O接口，能提供4～20mA标准输出和数字量输出。设计得平均故障间隔时间为470年，实际使用寿命不低于15年。电子工业出版社智能微尘传感器：智能微尘（SmartMicroDust）是一种具有电脑功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。目前，直径约为5mm的智能微尘已经问世，智能微尘的外形及内部结构如图所示。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射信息。a）肉眼所看到的智能微尘b）智能微尘的内部结构电子工业出版社1.4.3无线网络化传感器智能传感器的另一发展方向就是网络传感器。网络传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。被测模拟量→数字传感器→数字量→微处理器→测量结果→网络。可实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用”。例如，美国Honeywell公司开发的PPT系列、PPTR系列和PPTE系列智能精密压力传感器就属于网络传感器。在构成网络时，能确定每个传感器的全局地址、组地址和设备识别号（ID）地址。用户通过网络就能获取任何一只传感器的数据并对该传感器的参数进行设置。电子工业出版社无线传感器网络的主要组成部分就是一个个的传感器节点。它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。电子工业出版社1.5传感器的静态特性传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；电子工业出版社1.5.1传感器的静态模型在输入量（被测量）处于稳定状态（常量，或变化极慢的量）时传感器的输入/输出关系称为静态特性。静态特性的数学描述就是传感器的静态模型。在不考虑迟滞、蠕变和摩擦等外部因素的情况下，传感器的输出与输入静特性可用多项式代数方程来表示：230123nnyaaxaxaxaxL式中，y——输出量；x——输入量；a0——零位输出；a1——传感器的线性灵敏度，常用K或S表示；a2，a3，…，an——非线性项的待定常数。电子工业出版社(1)线性度(Linearity)指传感器输出与输入之间的线性程度。具有线性输出—输入关系的优点：可大大简化传感器的理论分析和设计计算；传感器的标定、数据处理很方便；仪表刻度盘可均匀刻度，制作、安装、调试容易；避免了非线性补偿环节。1.5.1传感器的静态模型传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。电子工业出版社理想的线性特性：y=a1x静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。在使用非线性特性的传感器时，在测量误差容许的条件下，用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器非线性特性的“线性化”(Linearization)电子工业出版社在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差(LinearityError)或线性度(Linearity:theclosenessbetweenthecalibrationcurveandaspecifiedstrightline.)通常用相对误差eL表示：Δmax一最大非线性误差；yFS—满量程输出。max100%LFSey电子工业出版社非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合(ａ)理论直线法(ｂ)端点连线法(ｃ)端点连线平移法(d)最小二乘拟合法电子工业出版社0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合设拟合直线方程：y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上