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1传感技术及应用课程教案第一章传感器概述§1-1传感器与非电量测量一、非电量与非电量测量一切物质都处在永恒不停的运动之中。物质的运动形式很多，它们通过化学现象或物理现象表现出来。表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。电量一般是指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；非电量则是指除电量之外的一些参数，如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等。在众多的实际测量中，大多数是对非电量的测量。在早期，非电量的测量多采用非电的测量方法，例如用尺测量长度；用秤称重量；用水银温度计测温度等等。但随着科学技术的发展，对测量的准确度、测量速度、尤其对被测量动态变化过程的测量和远距离的检测都提出了更高的要求，原有的非电量测量方法已无法适应这一需要。因此需要研究新的测量方法和技术。这就是非电量的电测技术，这种技术就是用电测技术的方法去测量非电的物理量。（或称把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法）。非电量电测技术的主要特点：1.应用了已经较为成熟和完善的电磁参数测量技术、理论和方法。因而，非电量电测技术中的关键技术是研究如何将非电量变换成电磁量的技术——传感技术。2.便于实现连续测量。连续测量对于某些参数的自动测量（例如地震监测等）是十分重要的，但用非电的方法连续测量大电量却难以实现。3.电信号容易传输（有线、无线）、转换（放大、衰减、调幅、调频、调相等）、记录、存贮和处理，便于实现遥测、巡回检测、自动测量，并能以模拟或数字方式进行显示和记录测量结果。4.可在极宽的范围内以较快的速度对被测非电量进行准确的测量。5.与计算机相配合可进行传感器输出非线性的校正，误差的计算与补偿，进而使仪器智能化。同时，也可实现某些参数的自动控制。6.可完成用非电量方法无法完成的检测任务（如温度场测量等）。二、非电量电测系统随着计算机技术的普及和应用，人们对传感技术的重要性有了进一步的认识，把传感器视为计算机的“五官”，推动了传感技术的发展。2图1.1测量系统的功能说明测量是人们使用专门的仪器，通过实验的方法去获得被测参量数值的过程。一个非电量电测系统由四种元件组成。图1.2非电量电测系统组成图中，敏感元件（传感元件）直接感受被测非电量，并将其转换成电量；信号调理元件将敏感元件的输出转换成适合进一步处理的信号（如：交、直流电桥、放大器等）；信号处理元件将信号调理元件的输出转换成适于记录或显示的信号（例如A/D、D/A、检波等）；数据显示、记录元件将信号处理元件的输出以适合的方式显示或记录。[例]一个称重测量系统组成图1.3称重测量系统组成§1-2传感器的定义根据国家标准的规定，传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。这一定义与美国仪表学会（ISA）的定义相类似，是比较确切的。§1-3传感器的分类传感器有许多分类方法，如：按利用场的定律还是利用材料的物质法则可分为结构结构型传感器和物性型传感器。由结构型和物性型组合而成兼有两者特征被测真值输出输入被测系统测量系统测得值观察者输出输入敏感元件信号调理元件信号处理元件数据显示记录元件信号调理元件敏感元件输入梯形弹性筒应变片电桥放大器输出显示元件信号处理元件可视单元HC（线性化）A/D3的传感器称为复合型传感器；按依靠还是不依靠外能源工作可分为无源传感器和有源传感器；按输出量是模拟量还是数字量分为模拟传感器和数字量传感器，等等。但最常用的分类方法有两种，一种是按被测物理量来分；另一种按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。按工作原理可划分为：（1）电学式传感器常见有：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器、电涡流式传感器等。（2）磁学式传感器利用铁磁物质的一些物理效应制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。（3）光电式传感器利用光电器件的光电效应和光学原理制成，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。（4）电势型传感器电势型传感器利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。（5）电荷传感器电荷传感器利用压电效应原理制成，主要用于力及加速度的测量。（6）半导体传感器半导体传感器利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。（7）谐振式传感器利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要测量压力。（8）电化学式传感器用于液体中固体成分、液体酸碱度、电导率、氧化还原电位等参数的测量。§1-4传感器的应用领域一、传感器技术发展的重要性传感器是获取信息的工具。传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术，它是信息技术（传感与控制技术、通讯技术和计算机技术）的三大支柱之一。由于传感器技术的重要性，日本把传感器技术列为80年代十大技术之首，美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之一，英国传感器销售额1990年比1980年增长2千倍。采用了先进的传感器可以大大提高装置的技术水平，提高市场的竞争力，因此有这样的说法“谁掌握和支配了传感器技术谁就能够支配新时代”。二、传感器的应用领域随着电子计算机、生产自动化、现代信息、军事、交通、化学、环保、能源、4海洋开发、遥感、宇航等科学技术的发展，对传感器的需求量与日俱增，其应用的领域已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常文化生活之中。现就传感器在一些主要领域中的应用进行简要介绍。1.传感器在工业检测和自动控制系统中的应用传感器在工业自动化生产中占有极其重要的地位。传感器在各自的岗位上担负着相当于人们感觉器官的作用，它们每时每刻地按需要完成对各种信息的检测，再把大量测得的信息通过自动控制、计算机处理等进行反馈，用以进行生产过程、质量、工艺管理与安全方面的控制。2.汽车与传感器目前，传感器在汽车上的应用已不只局限于对行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数的测量。由于汽车交通事故的不断增多和汽车对环境的危害，传感器在一些新的设备，如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用，随着汽车电子技术和汽车安全技术的发展，传感器在汽车领域的应用将会更为广泛。3.传感器与家用电器现代家用电器中普遍应用着传感器。传感器在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调机、电冰箱、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照像机、彩色电视机、录像机、录音机、收音机、电唱机及家庭影院等方面得到了广泛的应用。随着人们生活水平的不断提高，对提高家用电器产品的功能及自动化程度的要求极为强烈。为满足这些要求，首先要使用能检测模拟量的高精度传感器，以获取正确的控制信息，再由微型计算机进行控制，使家用电器的使用更加方便、安全、可靠，并减少能源消耗，为更多的家庭创造一个舒适的生活环境。4.传感器在机器人的应用目前，在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的工作，一些高速度，高精度的工作，由机器人来承担也是非常合适的。但这些机器人多数是用来进行加工、组装、检验等工作，属于生产用的自动机械式的单能机器人。在这些机器人身人仅采用检测臂的位置和角度传感器。要使机器人和人的功能更为接近，以便从事更高级的工作，要求机器人能有判断能力，这就要给机器人装物体检测传感器，特别是视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和重量感觉，这些机器人被称为智能机器人。5.传感器在医疗及人体医学上的应用现在应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高准确度的诊断。6.传感器与环境保护利用传感器制成各种环境监测仪器。7.传感器与航空及航天在航空及航天的飞行器上广泛地应用着各种各样的传感器。如：为了了解飞机或火箭的飞行轨迹，并把它们控制在预定的轨道上，就要使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。要了解飞行器飞行的方向，就必须掌握它的飞行姿态。此外，对飞行器周围环境、飞行器本身的状态及内部设备的监控也都要通过传感器进行检测。58.传感器与遥感技术遥感技术是从飞机、人造卫星、宇宙飞船及船舶上对远距离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。在飞机及航天飞行器上装的传感器是近紫外线、可见光、远红外线及微波器等传感器。在船舶上向水下观测时多采用超声波传感器。§1-5传感器的发展方向由于传感技术所涉及的技术非常广泛，它几乎渗透到各个学科领域，因此对传感器新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究将成为传感器总的发展方向。1.努力实现传感器新特性以确保自动化生产检测和控制的准确性。2.确保传感器的可靠性，延长其使用寿命具有较长的使用寿命，能在恶劣环境下工作及具有失效保险功能等。3.提高传感器集成化及功能化的程度传感器集成化是实现传感器小型化、智能化和多功能的重要保证。现在已能将敏感元件、温度补偿电路、信号放大电路、电压调制电路和基准电压等单元电路集成在同一芯片上。根据需要今后将会把超大规模集成电路、执行机构与多种传感器集成在单个芯片上，以实现传感器功能与信息处理功能的一体化。4.传感器微型化微机电系统（又称MEMS）是一种轮廓尺寸在毫米量级、组成元件尺寸在微米量级的可运动的微型机电装置。如制造微型电机、继电器、泵、齿轮等。5.新型功能材料的开发传感器技术的发展是与新材料的研究开发密切结合在一起的，可以说各种新型传感器孕育在新材料之中。现在由于材料科学的进步，在制造各种材料时，人们可以任意控制它的成分，从而可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料。§1-6传感器的静态特性和动态特性一、传感器的静态特性传感器的静态特性是指在稳态条件下（传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确定的输入—输出关系。这种关系可依不同情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格来表示。表征传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性。1．线性度传感器的理想输入—输出特性应是线性的。6图1.4理想变换特性曲线理想直线可由最小点（xmin、ymin）和最大点（xmax、ymax）确定这样maxminminminmaxmin()yyyyxxxx或者y=kx+a其中：maxminmaxmin()/()Kyyxxa=ymin－Kxmin而实际上，许多传感器并非具有线性的输入—输出特性，在一定程度上存在着非线性。若不考虑迟滞及蠕变效应，表示传感器输入—输出的特性公式为：2012()nnyfxaaxaxax式中：x——被测非电量y——输出电量a0——零位输出a1——理想直线斜率ai(i=2,3,…,n)——非线性系数线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，其不一致的最大偏差与理论满量程输出值的百分比来进行计算：max100%YLFSL式中：YFS＝ymax－ymin——满量程输出电压对于非理想直线特性的传感器，需要进行非线性校正，常采用以下方法。（1）端点法实际特性上分别对应于测量下限xmin和测量上限xmax的点A和B的连线称端点拟合直线。Yymaxymin0xminxmaxX7图1.5端点拟合直线设拟合的直线为y=kx+a将校准的两个端点数据（xmin、ymin）、（xmax、ymax）代入minminmaxmaxykxaykxa可求出：maxminminminmaxminyykaykxxx拟合方程为maxminminminmaxmin()yyyyxxxx方法简单，但由于数据依据不充分，且计算的线性度值往往偏大，因此不能充分发挥传感器的精度潜力。（2）平均