传感器原理及应用

传感器原理及应用第一章基本概念§1-1传感器的定义与组成§1-2传感器的特性§1-3传感器的误差及信噪比第一章基本概念§1-1传感器的定义与组成§1-2传感器的特性§1-3传感器的误差及信噪比§1-1传感器的定义与组成•传感器的定义•传感器的分类•被测量与能量变换一、传感器的定义1、定义•所谓传感器是来自“感觉”一词传感器技术属现代高新技术（电五官）•根据GB7665-87，【传感器】（Transducer／Sensor）的定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。•我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使用传感器的定义2、传感器的组成•敏感元件（Sensingelement）直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。•转换元件（Transductionelement）能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3、传感器的特征参数•被测量传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。•输出量含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式。传感器的定义4、传感器的应用从被检测对象中获取原始信号（1）用于自动检测系统传感器的定义4、传感器的应用－续（2）用于测控系统自动检测与自动控制系统•在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测•图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。•汽车扭距测量机床加工精度测量汽车与传感器高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30～100种传感器。传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院等。传感器在机器人上的应用•机械手、机器人中的传感器：•转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。•密歇根大学的机械手装配模型机器人服务员AGV自动送货车香港理工AGV模型传感器在生物医学上的应用•对人体的健康状况进行•诊断需要进行多种生理•参数的测量。•国内已经成功地开•发出了用于测量近红外•组织血氧参数的检测仪•器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。医学传感器与航空及航天•飞行器：控制在预定轨道上•陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器航天传感器与环境保护•保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。烟尘浊度测量传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波船舶：超声波传感器微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地面二、传感器的分类1、按传感器输入量（用途）分类生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感器、粘度传感器、浓度传感器、…。传感器的分类2、按传感器工作机理分类此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。传感器的分类2、按传感器工作机理分类－续1（1）物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。（2）结构型传感器是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器。传感器的分类2、按传感器工作机理分类－续2（3）化学传感器是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。（4）生物传感器是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。近年来发展很快。传感器的分类3、按信息能量变换方式分类在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量的流动。（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。三、被测量与能量变换1、示容变量和示强变量(1)示容变量或称为流通变量、扩展量(Extensive)示容变量是与空间分布成比例的量，表示能容纳多少的量。如：长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电流、热流、熵、…。被测量与能量变换1、示容变量和示强变量(2)示强变量或跨越变量,密集量(Intensive)示强变量是指在某种场合下，表示作用程度的量。如：力、压力、温度、温差、电压、磁通、光通、气体浓度、湿度…。被测量与能量变换1、示容变量和示强变量示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的。如：力与位移之积是功、力与速度之积是功率、压力与体积之积是气体力学能量、温度与熵之积是热能、温差与热流之积是热功率、电压与电荷之积是电能、电压与电流之积是电功率。被测量与能量变换2、传感器能量变换传感器的工作过程可以视为是将示容量与示强量由一种组合变成另一种组合。被测量与能量变换3、能量变换与误差（1）传感器从被测物体拾取能量时对被测物体的状态产生了影响，从而导致了误差。如：热电偶测温时，输入的热流是被测物体传递的，若热电偶的热容量过大，将使被测物体的温度下降，从而产生误差。（2）传感器输出端的负载消耗传感器的能量时，亦对被测物体造成误差。传感器对被测物体的影响越小，负载对传感器输出的影响越小，测量精度就越高。被测量与能量变换4、传感器信号变换根据传感器输出信号是模拟量或是数字量，可将信号变换分为两大类。【模拟变换】输入为模拟量，输出为模拟量。【数字变换】输入为模拟量，输出为数字量。被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性（1）传感器的输入特性（负荷效应）传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测对象的影响程度。其主要参数是广义输入阻抗Zi，定义为由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量W（或功率），则有能量或功率：被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性可知：①当被测量为示强变量时（如：被测量为力、压力、温度等），传感器广义输入阻抗越大，从被测对象吸收的能量就越小，误差也就越小。②当被测量为示容变量时（如：位移、速度、加速度等），传感器广义输入阻抗则越小越好。③当被测示容变量为0时（如：用力传感器测量静态力时），此时被测点处于力平衡状态，速度为0，此时输入特性应用静态刚度来表示静态刚度：，此时被测力的功：kFW2被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性（2）传感器的输出特性（阻抗匹配）传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载能力大小的重要参数。主要参数是广义输出阻抗Zo，定义为从提高负载能力出发，Zo越小越好，承载能力强；从获得最大功率出发，Zo等于负载阻抗。总的要求是：希望从被测对象处获取较小的能量，而输出大的有用信号。四、传感器的发展趋势•发现新现象•开发新材料•采用微细加工技术•集成化•智能化•仿生传感器第一章基本概念§1-1传感器的定义与组成§1-2传感器的特性§1-3传感器的误差及信噪比§1-2传感器的特性•传感器的静态特性•传感器的动态特性传感器的特性就是对输入输出关系的描述，理想的特性是在任何情况下输入与输出都是一一对应的。分静态特性和动态特性。§1-2传感器的特性一、传感器的静态特性【静态特性】：输入不随时间变化时（在稳态信号作用下），传感器输出与输入之间的关系。１、变换函数（静态特性的一般数学模型）变换函数反映传感器输入与输出间的关系式，y=f(x)其中x为输入量，y为输出量。几种典型的变换函数如下表一、传感器的静态特性１、变换函数通常，要求传感器在静态情况下的输入与输出保持线性关系，实际上，如上表所示，很难满足理想的线性关系，一般用多项式表示只有当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系。一、传感器的静态特性2、灵敏度（静态灵敏度）当输入变化为Δx时，有：其中k(x)称为灵敏度，是传感器在工作点上的微商（dy／dx），是静态特性的最主要指标。当k(x)为定值时，即Δy与Δx成比例，由测量值Δy便可直接求得Δx。灵敏度具有可比性。一、传感器的静态特性3、精度传感器的精度是指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度表示重复某个读数的能力，其误差愈小，则精度愈高。定义为：传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比，其中，ΔA为测量范围内允许的最大绝对误差。在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法，引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高一、传感器的静态特性4、线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度。线性度：拟合方法有基端线性拟合、最佳直线拟合和最小二乘法拟合。一、传感器的静态特性5、最小检测量和分辨率是指传感器能确切反映被测量的最低极限量Δx，小于这个量的区域称为死区。对于数字传感器，常用分辨率来表示。最小检测量(或感度)的影响因素二：(1)输入的变动量Δx在传感器内部被吸收如：带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺母间、齿轮和齿条间存在间隙，当输入变量Δx小于这一间隙时，便被传感器内部吸收。一、传感器的静态特性5、最小检测量和分辨率－续1(2)传感器输入、输出端均存在噪声干扰，Δx过小时，被外界噪声所淹没。最小检测量：其中，C为系数，一般取1～5，N为噪声电平，K为灵敏度。对于数字式传感器，则用输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分辨率。一、传感器的静态特性6、滞后性在输入量增加过程中测得的某一点输出值，与在输入减少过程测得的同一点值不一样，这种现象称为滞后。图中曲线称为滞环特性曲线。一、传感器的静态特性6、滞后性－续1对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为滞环误差或如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持一一的对应关系，因此应尽量使之变小。产生滞后性的原因主要是材料的物理性质所造成的。一、传感器的静态特性7、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量程范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。一、传感器的静态特性7、重复性－续1不一致性一般用各测量值正、反行程标准偏差最大值的两位或三倍值与满量程输出值的百分比来表示（或称为回差）或其中，σ为标准偏差。一、传感器的静态特性8、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），即为零点飘移，用百分比表示：其中，Δy0为最大零点偏差（或相应偏差）。一、传感器的静态特性9、温度漂移温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1℃时，输出最大偏差与满量程的百分比表示：其中，Δmax为输出最大偏差，ΔT为温度变化范围。§1-2传感器的特性二、传感器的动态特性【传感器动态特性】传感器的响应特性。【传感器响应】当输入信号随时间变化时，输出信号随之变化的情况。二、传感器的动态特性1、动态特性的一般数学模型由于传感器在工作中，质量加速或减速需要时间，能量存取需要时间，信号在传输过程中克服阻力需要时间，所以输出信号总是要迟后输入信号，不可能同步变化。动态特性