第一章 传感器技术基础PPT讲稿.ppt

第一章第一章 传感器技术传感器技术基础基础第1页，共25页，编辑于2022年，星期一本章目录本章目录第一节第一节 机电一体化系统中物理量的测量与传感器机电一体化系统中物理量的测量与传感器第二节第二节 传感器的定义和组成传感器的定义和组成第三节第三节 传感器的分类传感器的分类第四节第四节 传感器的基本特征传感器的基本特征第2页，共25页，编辑于2022年，星期一本章主要内容本章主要内容理解传感器的概念、作用理解传感器的概念、作用了解传感器的应用及发展方向了解传感器的应用及发展方向掌握传感器的静态特性掌握传感器的静态特性熟悉传感器的动态特性熟悉传感器的动态特性第3页，共25页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 机电一体化系统中物理量的测量与传感器机电一体化系统中物理量的测量与传感器机电一体化技术是机械技术与微电子技术、计算机机电一体化技术是机械技术与微电子技术、计算机技术、信息技术相结合的综合性高新技术。要把机技术、信息技术相结合的综合性高新技术。要把机电一体化系统设备中的物理量准确可靠的测量出来，电一体化系统设备中的物理量准确可靠的测量出来，以电信号的方式输入给计算机或其它电子设备，必以电信号的方式输入给计算机或其它电子设备，必须依赖电测量的方法。须依赖电测量的方法。相对而言，电量的电测量比较容易，使用电工仪表和相对而言，电量的电测量比较容易，使用电工仪表和电子仪器就可以对一般的电量直接进行测量。对于非电子仪器就可以对一般的电量直接进行测量。对于非电量就不能直接使用电工仪表和电子仪器进行测量，电量就不能直接使用电工仪表和电子仪器进行测量，而原有的对非电量的测量方法已不能适应机电一体化而原有的对非电量的测量方法已不能适应机电一体化系统的要求。这就要求对原有的非电量测量方法加以系统的要求。这就要求对原有的非电量测量方法加以改进和提高，采用新技术新方法。改进和提高，采用新技术新方法。第4页，共25页，编辑于2022年，星期一采用采用传感技术传感技术的非电量电测方法，就是人们在实践中的非电量电测方法，就是人们在实践中不断摸索和提高，从而发展起来的测量方法。不断摸索和提高，从而发展起来的测量方法。转换技术的器件就是传感器，采用传感器对非电量进行电测具有以下的转换技术的器件就是传感器，采用传感器对非电量进行电测具有以下的特点：特点：（1）可进行微量检测，精度高、速度快。）可进行微量检测，精度高、速度快。（2）可实现远距离遥测及遥控。）可实现远距离遥测及遥控。（3）可实现无损检测。）可实现无损检测。（4）能连续进行测量、记录和显示。）能连续进行测量、记录和显示。（5）可采用计算机技术对测量数据进行运算、存储和处理，）可采用计算机技术对测量数据进行运算、存储和处理，并根据处理结果对被测量对象进行工作状态的控制。并根据处理结果对被测量对象进行工作状态的控制。（6）测量安全可靠。）测量安全可靠。第5页，共25页，编辑于2022年，星期一精精准准农农业业是是在在现现代代信信息息技技术术、生生物物技技术术、工工程程技技术术基基础础上上发发展展起来的现代农业生产形式。起来的现代农业生产形式。其其核核心心技技术术是是农农田田地地理理信信息息系系统统、全全球球定定位位系系统统、遥遥感感技技术术和和计算机自动控制技术。计算机自动控制技术。精精 准准 农农 业业精量播种精量播种 变量喷药变量喷药精准灌溉精准灌溉第6页，共25页，编辑于2022年，星期一无线传感器结点无线传感器结点工业监测与控制工业监测与控制产品检测产品检测天然气天然气压力监测压力监测第7页，共25页，编辑于2022年，星期一桥梁结构监测桥梁结构监测监测风速、风向、温监测风速、风向、温度、湿度、能见度、降度、湿度、能见度、降雨强度等。雨强度等。东海大桥东海大桥第8页，共25页，编辑于2022年，星期一上海浦东机场的周界防入侵系统上海浦东机场的周界防入侵系统在机场四周设立无线传感器警在机场四周设立无线传感器警戒网，形成低空、地面、地下三戒网，形成低空、地面、地下三维立体报警体系。每个结点由震维立体报警体系。每个结点由震动、声响、磁场和微波传感器等动、声响、磁场和微波传感器等组成。组成。通过网络，可以随时监测周通过网络，可以随时监测周边实边实况。况。第9页，共25页，编辑于2022年，星期一太湖水自动监测工程 在太湖大范围水域布放传感器，通过无在太湖大范围水域布放传感器，通过无线传输方式线传输方式 24小时监测太湖水质的各项变小时监测太湖水质的各项变化，并将数据及时传回数据中心。化，并将数据及时传回数据中心。水质自动监测浮标水质自动监测浮标 第10页，共25页，编辑于2022年，星期一我我国国科科学学家家在在海海拔拔4093米米的的南南极极冰冰穹穹A地地区区，布布设设监监测测冰冰雪雪变变化化的的“智智能能尘尘埃埃”网网络络，将将南南极极冰冰雪雪表表面面数数据据与与空空中中的的遥遥感感卫卫星星监监测测数数据据相相结结合合，对对南南极极冰冰穹穹开开展展天天地地一体的监测研究。一体的监测研究。环境监测环境监测无线传感器网络冰雪监测系统无线传感器网络冰雪监测系统第11页，共25页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 传感器的定义和组成传感器的定义和组成什么是传感器？什么是传感器？第12页，共25页，编辑于2022年，星期一什么是传感器什么是传感器？眼（视觉）眼（视觉）耳（听觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉）舌（味觉）舌（味觉）人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较 感知外界信息感知外界信息感知外界信息感知外界信息 大脑大脑大脑大脑 肌体肌体肌体肌体第13页，共25页，编辑于2022年，星期一什么是传感器什么是传感器？人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官电五官”。传感器传感器外外 界界 信信息息感感 官官大大 脑脑肌肌 体体计算机计算机执行机构执行机构第14页，共25页，编辑于2022年，星期一从广义来讲，典型的传感器一般由敏感元件、转换元从广义来讲，典型的传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。件、转换电路三部分组成。敏感元件：敏感元件：它是直接感受和响应被测量，并输出与被测量有一定对应关系它是直接感受和响应被测量，并输出与被测量有一定对应关系 的某一物理的某一物理量的元件。量的元件。转换元件：转换元件：敏感元件的输出量就是它的输入量，它把输入量转换成电路参数量。但这个敏感元件的输出量就是它的输入量，它把输入量转换成电路参数量。但这个电路参数量往往需经转换后，才能被后续电路所应用。电路参数量往往需经转换后，才能被后续电路所应用。转换电路转换电路：它接受转换元件所转换成的电路参数量，并把它转换成后续电路所：它接受转换元件所转换成的电路参数量，并把它转换成后续电路所能应用的电信号。能应用的电信号。敏感元件与转换元件在结构上时常是装在一起的，转换电路为了减小外界的干扰和敏感元件与转换元件在结构上时常是装在一起的，转换电路为了减小外界的干扰和影响也希望和它们装在一起，但由于空间的限制或者其它原因，转换电路常装载于影响也希望和它们装在一起，但由于空间的限制或者其它原因，转换电路常装载于测控箱内。测控箱内。第15页，共25页，编辑于2022年，星期一传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术（信息采集）（信息采集）（信息采集）（信息采集）；通信技术通信技术通信技术通信技术 （信息传输）（信息传输）（信息传输）（信息传输）；计算机技术计算机技术计算机技术计算机技术（信息处理）（信息处理）（信息处理）（信息处理）；它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到 “感官感官感官感官”、“神经神经神经神经”和和和和“大脑大脑大脑大脑”的作用。的作用。的作用。的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的 信息，而信息，而信息，而信息，而传感器传感器传感器传感器是获取信息的主要途径和手段。是获取信息的主要途径和手段。是获取信息的主要途径和手段。是获取信息的主要途径和手段。第16页，共25页，编辑于2022年，星期一 机器人机器人机器人机器人 视觉视觉视觉视觉:平面、立体平面、立体平面、立体平面、立体 非视觉非视觉非视觉非视觉:触觉、滑觉、触觉、滑觉、触觉、滑觉、触觉、滑觉、热觉、力觉、热觉、力觉、热觉、力觉、热觉、力觉、接近觉、接近觉、接近觉、接近觉、第17页，共25页，编辑于2022年，星期一 智能建筑智能建筑智能建筑智能建筑 给排水系统给排水系统给排水系统给排水系统泵系统泵系统泵系统泵系统锅炉系统锅炉系统锅炉系统锅炉系统环境控制环境控制环境控制环境控制电力监测电力监测电力监测电力监测能量计费能量计费能量计费能量计费消防系统消防系统消防系统消防系统保安系统保安系统保安系统保安系统照明系统照明系统照明系统照明系统DDCDDCDDCDDC第18页，共25页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 传感器的分类传感器的分类传感器分类方法较多传感器分类方法较多传感器分类方法较多传感器分类方法较多,大体有以下几种：大体有以下几种：大体有以下几种：大体有以下几种：1 1 1 1）按传感器检测的范畴分类按传感器检测的范畴分类按传感器检测的范畴分类按传感器检测的范畴分类 物理量传感器物理量传感器物理量传感器物理量传感器 化学量传感器化学量传感器化学量传感器化学量传感器 生物量传感器生物量传感器生物量传感器生物量传感器）按按按按传传传传感感感感器器器器的的的的输输输输出信号分类出信号分类出信号分类出信号分类 模拟传感器模拟传感器模拟传感器模拟传感器 数字传感器数字传感器数字传感器数字传感器）按传感器的结构分类）按传感器的结构分类）按传感器的结构分类）按传感器的结构分类 结构型传感器结构型传感器结构型传感器结构型传感器 物性型传感器物性型传感器物性型传感器物性型传感器 复合型传感器复合型传感器复合型传感器复合型传感器 ）按传感器的功能分类）按传感器的功能分类）按传感器的功能分类）按传感器的功能分类 单功能传感器单功能传感器单功能传感器单功能传感器 多功能传感器多功能传感器多功能传感器多功能传感器 智能传感器智能传感器智能传感器智能传感器 ）按按按按传传传传感感感感器器器器的的的的转转转转换换换换原原原原理分类理分类理分类理分类 机机机机电传感器电传感器电传感器电传感器 光光光光电传感器电传感器电传感器电传感器 热热热热电电传感器电电传感器电电传感器电电传感器 磁磁磁磁电传感器电传感器电传感器电传感器 电化学传感器电化学传感器电化学传感器电化学传感器6 6 6 6）按传感器的能源分类）按传感器的能源分类）按传感器的能源分类）按传感器的能源分类 有源传感器有源传感器有源传感器有源传感器 无源传感器无源传感器无源传感器无源传感器 第19页，共25页，编辑于2022年，星期一（1 1）线性度）线性度v v 传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：第四节第四节 传感器的基本特征传感器的基本特征其中：其中：其中：其中：X X X X 输入量，输入量，输入量，输入量，Y Y Y Y 输出量；输出量；输出量；输出量；a a a a0 0 0 0 x=0 x=0 x=0 x=0 时的输出值时的输出值时的输出值时的输出值 a a a a1 1 1 1 理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度 a a a a2,2,2,2,a a a a3 3 3 3.a a a an n n n 非线性项系数非线性项系数非线性项系数非线性项系数 当输入量（当输入量（当输入量（当输入量（X X X X）为静态（常量）或变化缓慢的信）为静态（常量）或变化缓慢的信）为静态（常量）或变化缓慢的信）为静态（常量）或变化缓慢的信 号时（如温度、压力），号时（如温度、压力），号时（如温度、压力），号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特讨论传感器的静态特讨论传感器的静态特讨论传感器的静态特 性，输入输出关系称静态特性。性，输入输出关系称静态特性。性，输入输出关系称静态特性。性，输入输出关系称静态特性。静态特性包括：静态特性包括：静态特性包括：静态特性包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性 传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性第20页，共25页，编辑于2022年，星期一v v 传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差 表示：表示：表示：表示：最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差 满量程输出满量程输出满量程输出满量程输出 线性度线性度线性度线性度 YXYiXiLmaxY=kx+b第21页，共25页，编辑于2022年，星期一（2 2）灵敏度）灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定条件下，输出变化量传感器的灵敏度是指传感器在稳定条件下，输出变化量Y和和输入变化量输入变化量X的比值，其表达式为：的比值，其表达式为：式中：式中：K灵敏度，线性传感器的灵敏度是个常数；灵敏度，线性传感器的灵敏度是个常数；Y输出变化量输出变化量 X输入变化量输入变化量第22页，共25页，编辑于2022年，星期一（3 3）迟滞）迟滞传感器输入量增大行程期间（正行程）和输入量减小行程传感器输入量增大行程期间（正行程）和输入量减小行程期间（反行程），输出期间（反行程），输出-输入特性曲线不重合称为迟滞。输入特性曲线不重合称为迟滞。迟滞误差一般以正反行程间输出的最大偏差与满量程输出迟滞误差一般以正反行程间输出的最大偏差与满量程输出的百分数来表示，其表达式为：的百分数来表示，其表达式为：迟滞误差的另一名称叫回程误差，它是由于传感器机械部迟滞误差的另一名称叫回程误差，它是由于传感器机械部分不可避免地存在着间隙、摩擦及松动等原因所产生。分不可避免地存在着间隙、摩擦及松动等原因所产生。第23页，共25页，编辑于2022年，星期一（4 4）重复性）重复性重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程重复重复性是指传感器输入量按同一方向作全量程重复测量所得的输出测量所得的输出-输入特性曲线不一致的程度。输入特性曲线不一致的程度。设正行程的最大重复性偏差为设正行程的最大重复性偏差为Rmax1，反行程的最，反行程的最大重复性偏差为大重复性偏差为Rmax2，重复性偏差取这两个最大偏，重复性偏差取这两个最大偏差中之较大者差中之较大者Rmax1，则重复性以，则重复性以Rmax与满量程输出与满量程输出Ym之比的百分数来表示，即之比的百分数来表示，即第24页，共25页，编辑于2022年，星期一传感器动态特性传感器动态特性 当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时,如如如如:加速度、振动等，讨论加速度、振动等，讨论加速度、振动等，讨论加速度、振动等，讨论 传传传传感器的动态特性感器的动态特性感器的动态特性感器的动态特性 这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。定义：动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特定义：动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特定义：动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特定义：动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性。性。性。性。传感器系统传感器系统传感器系统传感器系统输入激励输入激励输入激励输入激励 X X X X（t)t)t)t)输出响应输出响应输出响应输出响应 Y Y Y Y（t)t)t)t)第25页，共25页，编辑于2022年，星期一