认识传感器

技能训练一认知传感器人民邮电出版社主编彭学勤目的要求掌握传感器的定义、组成和应用。了解传感器的分类。掌握自动控制系统的组成。了解传感器的特性。了解传感器的发展方向。一、认识传感器传感器是人类通过仪器探知自然界的触角，它的作用与人的感官相类似。如果将计算机视为识别和处理信息的“大脑”，将通信系统比作传递信息的“神经系统”，将执行器比作人的肌体的话，那么传感器就相当于人的五官。“感”——传感器对被测量的对象敏感。“传”——传送传感器感受被测量的信息。1．日常生活中使用的传感器图1-1家电中使用的传感器图1-3自动水龙头图1-2自动门2．工业生产中使用的传感器液位传感器光电传感器位置传感器图1-4食用油的自动化生产线图1-5光电计数机光电传感器3．地震救助中使用的传感器（a）雷达波探测器（b）视频探测器（c）音频探测器（d）红外热成像生命探测仪图1-6生命探测设备4．农业生产中使用的传感器图1-7塑料大棚5．汽车中使用的传感器图1-8汽车中使用的部分传感器二、传感器的概念与定义1．传感器的概念传感器是一种能把特定被测量的信息按一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。在传感器中包含两个必不可少的概念，一是检测信号；二是能把检测的信息变换成一种与被测量有确定函数关系，而且便于传输和处理的量。例如，传声器（话筒）就是这种传感器，它感受声音的强弱并将其转换成相应的电信号；又如，电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。2．传感器的定义根据国家标准（GB/T7665－1987），《传感器通用术语》中对传感器的定义：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，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部分。”传感器的定义中包含以下信息。（1）它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置，能感受到被测的量的信息，并能检测感受到的信息。（2）能按一定规律将被测的量转换成电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。（3）传感器的输出与输入之间存在确定的关系。对传感器的要求：高精度；信号（或能量）无失真转换；反映被测的量的原始特征。三、传感器的作用、组成及分类1．传感器的作用图1-9自动控制系统的组成框图2．传感器组成图1-10传感器的组成框图直接感受非电量，并按一定规律转换成与被测的量有确定关系的其他量（一般仍为非电量）将敏感元件输出的量转换成为电量输出将电信号放大，并转换成为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号3．传感器的分类分类方法传感器的种类说明按工作原理分类应变式、电容式、电感式、电磁式、压电式、热电式、光电式等传感器按工作原理，将物理和化学等学科的原理、规律和效应作为分类依据按被测量分类压力式、位移式、温度式、速度式、加速度式、负荷式、扭矩式、光式、放射线式、气体成分式、液体成分式、离子式和真空式等传感器以输入物理量的性质命名按能量关系分类能量转换型（有源传感器）压电式、热电式（热电偶）、电磁式、电动式、压阻式等传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量，通常配合有电压测量电路和放大器，用于动态测量能量控制型（无源传感器）电阻式、电容式、电感式、微波式、激光式等传感器本身不是换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，必须有辅助电源供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量，用于静态和动态测量及非接触的测量场合按输出信号分类模拟式传感器的输出为模拟量，要通过A/D转换器才能运用电子计算机进行信号分析加工与处理数字式传感器的输出为数字量，可直接送到计算机进行处理四、传感器的基本特性1．传感器的静态特性静态特性是指输入的被测量不随时间变化或随时间缓慢变化时表现的特性。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复性。（1）线性度线性度是传感器的输出与输入之间成线性关系的程度。图1-11线性度（2）灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化值与输入变化值之比，用S来表示：DX——在稳态下传感器的输入变化量。DY——在稳态下传感器的输出变化量；XYS（3）分辨力分辨力是指传感器在规定测量的范围内能检出被测的量的最小变化量的能力。当被测的量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应；只有当输入量的变化超过了分辨力的量值时，输出才有可能准确表现出来，因而，传感器就存在分辨力的问题。分辨力越小，表明传感器检测非电量的能力越强，分辨力的高低从某个侧面反映了传感器的精度。（4）迟滞迟滞反映传感器正向特性与反向特性不一致的程度。产生这种现象的原因是由于传感器的机械部分不可避免地存在间隙、摩擦及松动。图1-12迟滞特性（5）重复性重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程连续多次测量时所得输出-输入特性曲线不重合的程度。它是反映传感器精密度的一个指标，产生的原因与迟滞性基本相同，重复性越好，误差越小。2．传感器的动态特性传感器要检测的输入信号是随时间而变化的。传感器应能跟踪输入信号的变化，这样才能获得正确的输出信号；如果输入信号变化太快，传感器就可能跟踪不上，这种跟踪输入信号的特性就是传感器的响应特性，即为动态特性。表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、频率响应。（1）响应速度响应速度是反映传感器动态特性的一项重要参数，是传感器在阶跃信号作用下的输出特性。它主要包括上升时间、峰值时间及响应时间等，反映了传感器的稳定输出信号（在规定误差范围内）随输入信号变化的快慢。（2）频率响应频率响应是指传感器的输出特性曲线与输入信号频率之间的关系，包括幅频特性和相频特性。在实际应用中，应根据输入信号的频率范围来选用适合的传感器。五、传感器的发展方向1．新材料的开发与应用2．新制造技术的应用3．新型传感器的开发4．传感器的集成化5．传感器的智能化6．新一代航天传感器的研究7．仿生传感器的研究复习总结传感器是能感受规定的被测的量，并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由和组成。是传感器中能直接感知或响应被测的量的元件；是将感受的被测的量转换成电信号的部分。将电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号。有用电信号有很多形式，如电压、电流、频率等。随着科学技术的发展，输出信号将来也可能是光信号或其他的信号。传感器的特性有和之分。主要有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复性，而主要考虑它的响应速度和频率响应。