现代传感器-第一章(概述)

现代传感器陈志平刘巍微型手机化学传感器正在美问世美国加州大学圣迭戈分校的研究人员研发出了一种可应用于手机上的微型化学传感器，借助手机或其他无线通讯设备，这种被称为“硅鼻”的传感器可在第一时间检测出空气中的有害气体，并自动发出气体的种类和传播范围等信息。未来汽车与传感器---来自“洛杉矶冒险之旅”汽车设计大赛“加州美酒旅行者”汽车该车有三个轮子，它能通过卫星和安装在公路上的传感器自动驾驶。“加州美酒旅行者”三轮车中间部分完全透明，摆放着一张餐桌和几把椅子。乘客可以一边欣赏优美风景，一边靠在椅子上，品酒作乐。日本企业开发的安全系统通过三个摄像头和一个中央处理芯片来扫描驾驶员看不到的“盲区”。这一系统的中央处理芯片能根据图像信息判断“盲区”中行人、自行车和摩托车等最危险者的运动速度和方向，并将其运动趋势显示在车内屏幕上，提醒驾驶员避险。大巴上跑步大巴不仅宽敞舒适，而且有一种“跑步大巴”还能让你在车上锻炼身体。本田汽车的设计者推出的“跑步大巴”是一种混合动力车，车的两侧装有跑步机，乘客在跑步机上锻炼身体的同时，也为大巴提供了充足的电能。未来汽车与传感器---来自“洛杉矶冒险之旅”汽车设计大赛美国玛格纳公司开发的行人保护系统该系统能在汽车不幸撞上行人时发挥作用。这一系统主要由安装在汽车前端的压力传感器构成，一旦压力传感器感受到的压力符合行人特征，就会发出信号强制减速，同时操纵汽车前盖自动弹起，构成一个斜面“撑”起行人，尽量避免伤亡事故。未来汽车与传感器---来自“洛杉矶冒险之旅”汽车设计大赛日本植物写博客传感器和计算机程序来帮忙日本神奈川县一株植物通过固定在它叶片上的传感器和计算机程序帮助，每天也在博客上记录自己的“心情”。这株养在神奈川县镰仓市一家咖啡厅柜台上的心叶球兰取名为“绿”。来自庆应大学的科研人员在“绿”的叶子上安装了传感器，以收集它所发出的电讯号。电脑每天对电讯号和当天的天气、温度等情况进行综合分析，自动生成一篇“植物心情日记”发表在“绿”的博客上。课程内容：第一章：现代传感器内容简介第二章：生物传感器第三章：温敏传感器第四章：压力传感器第五章：湿敏传感器第六章：气敏传感器第七章：磁敏传感器第八章：热敏传感器第九章：光敏传感器第十章：光纤传感器第十一章：超声波传感器第十二章：声音传感器第十三章：红外传感器第十四章：其它传感器第一章：现代传感器内容简介一、什么是传感器？Transducer或Sensor能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者装置。------GB7665-87传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。------国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee)生活中的传感器氧气湿度压力倾角温度环境光传感器中的“电五官”光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、流体传感器——触觉二、传感器的工作原理系统原则进入传感器的信号为微弱信号，而且混杂有干扰信号和噪声信号整形、线性化、数字化（放大器、滤波器、微处理器）传感器技术是机电一体化的第一基础敏感元件被测信息转换元件测量电路辅助电路输出信息传感器组成举例------直线加速度测量敏感元件转换元件+—电子线路输出敏感元件转换元件转换电路被测量电量砝码m千克弹簧k转换电路加速度电量a力mama/k位移v•ma/kL三、传感器分类按工作原理分类:应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按能量关系分类:能量转换型传感器、能量控制传感器按输入量分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等按输出信号分类:模拟式传感器、数字式传感器按物理现象分类:结构型传感器、特性型传感器按输出信号分类计数型（二次型+计数型）电压，电流型（热电偶,Cds电池）电感，电容型（可变电容）有接点型(微动开关，接触开关，行程开关)电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）传感器四、传感器的一般数学模型目的建立输出信号与输入信号之间的数学转换关系静态模型y=a0+a1x+a2x2+…….+anxn线性模型：y=a0+a1x或y=ax动态模型微分方程传递函数五、传感器的基本特性静态特性传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的输入—输出关系，不随时间变化或者随时间缓慢变化，只考虑其静态特性。线性度、迟滞（滞后）、重复性、灵敏度、分辨率、阈值、稳定性、漂移、静态误差动态特性对输入激励的输出响应特性稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标1、静态特性----线性度(Linearity)即非线性度误差，表示传感器输出量---输入量与校准曲线之间的吻合（或偏离）的程度。yYFSx理想特性曲线实际特性曲线omax100%FSEYΔmax------输出量实际曲线与拟合曲线之间的最大偏差。YFS——理论满量程输出值几种直线拟合方法（a）理论拟合（b）过零旋转拟合（c）端点连接拟合（d）端点平移拟合最小二乘法拟合（1）假设拟合直线方程：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响应值之间的残差为：最小二乘法的拟合原理就是使取得最小值，即：对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式。)(bkxyiiibkxy2imin2112niiiniibkxy2i最小二乘法拟合（2）022iiiixbkxyk0122bkxybiii22iiiiiixxnyxyxnk222iiiiiiixxnyxxyxb对k求一阶偏导：对b求一阶偏导：得到k和b的表达式：将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。2、静态特性----迟滞(Hysteresis)传感器正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输入---输出曲线的不重合程度。产生的原因？（传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷）maxmax100%FSEY3、静态特性----重复性(Repeatability)（1）衡量传感器输入量按同一方向全量程连续进行多次测量时，所得特性曲线不一致程度。反应传感器的重复精度，用统计特性表示：max(23)100%RFSeymax为个校准点正行程和反行程输出值标准偏差中之最大值。3、静态特性----重复性(Repeatability)（2）计算标准偏差的方法一般有两种：贝塞尔公式：极差法：某一校准点校准数据中的最大值和最小值之差。为极差系数，与测量次数n有关。21()/(1)niiyyn/nndnd4、静态特性----灵敏度(Sensitivity)（1）传感器的输出增量与被侧输入量增量之比。/syx4、静态特性----灵敏度(Sensitivity)（2）对于线性传感器，灵敏度是拟合直线的斜率，灵敏度是常数。对于非线性系统，灵敏度不是常数，往往划分多个区间进行线性拟合。灵敏度误差：由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即：γs=(Δk/k)×100%5、静态特性----分辨力(Resolution)传感器在规定的测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量。相对满量程输入值的百分数表示（分辨率）：注意分辨力（率）与灵敏度的不同。..%FS6、静态特性----阈值(Threshold)意义从输出看能测出的输入量最小变化值，实际上是零位附近的分辨力。零位附近出现严重非线性---死区。7、静态特性----稳定性(Stability)一般采用长期稳定性进行描述。用输出值与起始标定之间的差异来表示，也常用有效期来表示。不稳定性越小，稳定性越好。8、静态特性----漂移(Drifting)在一定时间间隔内，传感器输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。零点漂移和灵敏度漂移（温漂和时漂）。9、静态特性----静态误差(Precision)评价传感器的综合性能指标。传感器在满量程内，任一点上输出值相对其理论值可能偏离的程度。1、动态特性（1）传感器设计目的：所测输出随时间的变化关系能够复现输入量随时间变化的关系。动态特性分析：输出与输入之间产生动态误差。动态特性分析方法：瞬间响应法：当输入信号为阶跃函数时，因为它是时间的函数，故传感器的响应是在时域内发生的。频率响应法：输入信号为正弦函数时，因为它是频率的函数，故传感器的响应是在频域内发生的。1、动态特性（2）阶跃函数响应特性曲线st上升时间---响应时间---超调量---sttstc六、传感器检测信号的采集与处理一、检测系统的组成二、模拟量的转换输入三、数字信号的预处理1.模拟信号检测系统振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要；解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；一、检测系统的组成显示执行机构模/数转换器量程变换电路传感器振荡器放大器运算电路解调器滤波器计算机`滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号；运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得所需的物理量，其功能也可在对信号进行模/数转换后，由数字计算机来实现；计算机对信号进行进一步处理后，可获得相应的信号去控制执行机构，而在不需要执行机构的检测系统中，计算机则将有关信息送去显示或打印输出。一、检测系统的组成显示执行机构模/数转换器量程变换电路传感器振荡器放大器运算电路解调器滤波器计算机`2.数字信号检测系统数字信号检测系统有绝对码数字式和增量码数字式。当传感器输出的编码与被测量一一对应，称为绝对码。绝对码检测系统如右图所示，每一码道的状态由相应光电元件读出。一、检测系统的组成放大整形光电转换传感器纠错电路码制变换显示执行机构译码器`经光电转换和放大整形后，得到与被测量相对应的编码。纠错电路纠正由于各个码道刻划误差而可能造成的粗大误差。采用循环码（格雷码）传感器时则先转换为二进制码，再译码输出。当传感器输出增量码信号，即信号变化的周期数与被测量成正比，其增量码数字信号检测系统的典型组成如右图所示。一、检测系统的组成传感器脉冲当量变换电路放大器细分电路整形电路寄存器计数器计算机`显示执行辨向电路传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成数字脉冲信号。但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数，其中n称为细分数。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测量不便读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取控制量去控制执行机构。1.模拟量的转换输入方式(4种)二、模拟量的转换输入传感器传感器传感器采样/保持采样/保持多路模拟开关控制器A/D缓冲器总线A/D总线传感器多路模拟开关总线放大采样/保持控制器A/D采样/保持A/D采样/保持A/D采样/保持A/D总线传感器输入并行输入口a)b)c)d)..................三态缓冲器2.多路模拟开关多路模拟开关又称为多路转换开关，简称多路开关，其作用是分别或依次把各路检测信号与A/D转换器接通，以节省A/D转换器件。二、模拟量的转换输入开关地址输入端开关控制与驱动电路选通信号5模拟输入通道7862431S0S4S6S7S5S1S2S3A/D转换器.......右图表示