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1、2.1 概 述2.2 傳感器的數(shù)學模型2.3 傳感器的基本特性2.4 常用傳感器原理與應用2.5 傳感器的應用展望第二章第二章 傳感器技術傳感器技術2.1 概述本節(jié)主要內容：2.1.1 傳感器的基本概念2.1.2 傳感器的作用2.1.3 傳感器的分類2.1.1 傳感器的基本概念 何謂傳感器（Transducer sensor）?生物體的感官就是天然的傳感器。如人的“五官”，眼、耳、鼻、舌、皮膚分別具有視、聽、嗅、味、觸覺。右圖是人與機器設備獲取外界信息方式的比較。 在工程科學與技術領域里，可以認為：傳感器是人體“五官”的工程模擬物。國家標準把它定義為：能感受規(guī)定的被測量量(包括物理量、化學量、
2、生物量等)并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件(Sensing Element)、轉換元件(Transduction Element)和信號調節(jié)轉換電路等部件組成2.1.1 傳感器的基本概念2.1.1 傳感器的基本概念 傳感器狹義地定義為：能把外界非電信傳感器狹義地定義為：能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件或裝置。息轉換成電信號輸出的器件或裝置。 傳感器技術是一門涉及測量技術、功能材傳感器技術是一門涉及測量技術、功能材料、微電子技術、精密與微細加工技術、信息料、微電子技術、精密與微細加工技術、信息處理技術和計算機技術等相互結合形成的密集處理技術和計算機技術等相互結合形
3、成的密集型綜合技術。型綜合技術。2.1.2 傳感器的作用 人與機器人與機器的 功 能 對的 功 能 對應 關 系 ，應 關 系 ，作 為 模 擬作 為 模 擬人 體 感 官人 體 感 官的的 “ 電 五電 五官官 ” ， 傳， 傳感 器 是 系感 器 是 系統(tǒng) 對 外 界統(tǒng) 對 外 界獵 取 信 息獵 取 信 息的的“窗窗口口”。2.1.2 傳感器的作用“阿波羅阿波羅”登月器登月器 美國美國“阿波羅阿波羅”登月飛登月飛行器，其上面安裝的各種行器，其上面安裝的各種傳感器達就多達傳感器達就多達32003200個個 ?，F(xiàn)代的飛機、汽車、甚至現(xiàn)代的飛機、汽車、甚至家用電器也是如此。一輛家用電器也是如此
4、。一輛現(xiàn)代化的汽車，其所用的現(xiàn)代化的汽車，其所用的傳感器種類達數(shù)十種傳感器種類達數(shù)十種 。2.1.2 傳感器的作用傳感器在工業(yè)檢測中的應用傳感器在工業(yè)檢測中的應用2.1.2 傳感器的作用傳感器網(wǎng)絡在生活中應用傳感器網(wǎng)絡在生活中應用2.1.3 傳感器的分類分類法分類法型式型式說明說明按基本效應按基本效應分分物理型、化學型、生物型等物理型、化學型、生物型等分別以轉換中的物理效應、化學效應等命分別以轉換中的物理效應、化學效應等命名名 按傳感機理按傳感機理分分結構型結構型( (機械式、感應式、電參量式等機械式、感應式、電參量式等) )以敏感元件結構參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉換以敏感元件結構參數(shù)變化實現(xiàn)信號轉換
5、物性型（壓電、熱電、光電、生物、化學等）物性型（壓電、熱電、光電、生物、化學等）以敏感元件物性效應實現(xiàn)信號轉換以敏感元件物性效應實現(xiàn)信號轉換按能量關系按能量關系分分能量轉換型（自源型）能量轉換型（自源型）傳感器輸出量能量直接由被測能量轉換而傳感器輸出量能量直接由被測能量轉換而得得能量控制型（外源型）能量控制型（外源型）傳感器輸出量能量由外源供給，但受被測傳感器輸出量能量由外源供給，但受被測輸入量控制輸入量控制按作用原理按作用原理分分應變式、電容式、壓電式、熱電式等應變式、電容式、壓電式、熱電式等以傳感器對信號轉換的作用原理命名以傳感器對信號轉換的作用原理命名按功能性質按功能性質分分力敏、熱敏、
6、磁敏、光敏、氣敏等力敏、熱敏、磁敏、光敏、氣敏等以被測量的敏感性質命名以被測量的敏感性質命名按功能材料按功能材料分分固態(tài)（半導體、半導瓷、電介質）、光纖、膜、超導等固態(tài)（半導體、半導瓷、電介質）、光纖、膜、超導等以敏感功能材料的名稱或類別命名以敏感功能材料的名稱或類別命名按輸入量分按輸入量分位移、壓力、溫度、流量、氣體等位移、壓力、溫度、流量、氣體等以被測量命名（即按用途分類法）以被測量命名（即按用途分類法）按輸出量分按輸出量分模擬式、數(shù)字式模擬式、數(shù)字式輸出量為模擬信號或數(shù)字信號輸出量為模擬信號或數(shù)字信號2.2 傳感器的數(shù)學模型本節(jié)主要內容：2.2.1 靜態(tài)模型2.2.2 動態(tài)模型2.2.1
7、 靜態(tài)模型 靜態(tài)模型是指在輸入信號不隨時間變化的情況下，靜態(tài)模型是指在輸入信號不隨時間變化的情況下，描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關系描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關系。如果不考慮蠕動效應和遲滯特性，傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關系通?？捎靡粋€如下的多項式表示：y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中：a0輸入量x為零時的輸出量；a1，a2，an 非線性項系數(shù)。各項系數(shù)決定了特性曲線的具體形式。2.2.2 動態(tài)模型 傳感器的動態(tài)模型是指輸入量隨時間變傳感器的動態(tài)模型是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性化時傳感器的響應特性, , 它描述了輸出和輸入信號的一種數(shù)學關系。由于傳感器的
8、慣性和滯后，當被測量隨時間變化時，傳感器的輸出往往來不及達到平衡狀態(tài)，處于動態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是時間的函數(shù)。動態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。2.2.2 動態(tài)模型1.微分方程 大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實際的模型建立過程中，一般采用線性常系數(shù)微分方程來描述輸出量y和輸入量x的關系。其通式如下：xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111 這里這里a an n,a,an-1n-1aa0 0和和b bm m,b,bm-1m-1bb0 0 為傳感器的結構參數(shù)。為傳感
9、器的結構參數(shù)。除除b b0 00 0外，一般取外，一般取b b1 1,b,b2 2bbm m為零。為零。2.2.2 動態(tài)模型2.傳遞函數(shù) 如果y(t)在t0時， y(t) =0，則y(t) 的拉氏變換可定義為 0dtetysYst式中式中s=+j，0。對微分方程兩邊取拉氏變換，則。對微分方程兩邊取拉氏變換，則得得 011011bsbsbsXasasasYmmmmnnnn 2.2.2 動態(tài)模型 定義輸出y(t)的拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，則 011011asasabsbsbsXsYsHnnnnmmmm 對對y(t)進行拉氏變換的初始條件是進行
10、拉氏變換的初始條件是t0時，時， y(t)=0。對于傳感器被激勵之前所有的儲能元件如質量塊、彈性對于傳感器被激勵之前所有的儲能元件如質量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。 顯然顯然H(s)與輸入量與輸入量x(t)無關，只與系統(tǒng)結構參數(shù)有無關，只與系統(tǒng)結構參數(shù)有關。因而關。因而H(s)可以簡單而恰當?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入可以簡單而恰當?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關系。的關系。2.3.1 靜態(tài)特性1.線性度 輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度。又稱非線性誤差。可用下式表示: 00100maxFSyEDmax輸出量與輸入量實際曲線與擬合直線之
11、輸出量與輸入量實際曲線與擬合直線之間的最大偏差間的最大偏差yfs輸出滿量程值輸出滿量程值2.3.1 靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)模型有三種有用的特殊形式2.3.1 靜態(tài)特性 （2）僅有偶次非線性項 44220 xaxaxay（3）僅有奇次非線性項僅有奇次非線性項（1）理想理想的線性的線性特性特性 1xay 55331 xaxaxay2.3.1 靜態(tài)特性2.靈敏度 靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義是輸出量增量y與引起輸出量增量y的相應輸入量增量x之比。用S表示靈敏度，如下式所示。xyS它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，很顯然，很
12、顯然， 靈敏度靈敏度S S值越大，值越大， 表示傳感器越靈敏。表示傳感器越靈敏。2.3.1 靜態(tài)特性 對線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，非線性傳感器靈敏度是一個變量，只能表示傳感器在某一工作點的靈敏度。oxyyxyxyxyx(a)(b)o靈敏度特性圖靈敏度特性圖2.3.1 靜態(tài)特性3.重復性 輸入量按同一方向作全程多次測試時，所得特性曲線不一致的程度。 %100maxFSRyR2.3.1 靜態(tài)特性4.遲滯（回差滯還）現(xiàn)象 表明傳感器在正向行程和反向行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。對于同一大小的輸入信號x，在x連續(xù)增大的行程中，對應某一輸出量yi，與在x連續(xù)減小的行程中，對
13、應某一輸出量yd之間的差值叫滯環(huán)誤差，即所謂的遲滯現(xiàn)象。在整個測量范圍內產生的最大滯環(huán)誤差用m表示，它與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率： %100maxFSHyH2.3.1 靜態(tài)特性遲滯特性圖遲滯特性圖2.3.1 靜態(tài)特性5.分辨率與閾值 傳感器在規(guī)定的范圍所能檢測輸入量的最小變化量。閾值是使傳感器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。6.穩(wěn)定性 在室溫條件下，經(jīng)過相當長的時間間隔， 傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。2.3.1 靜態(tài)特性7.漂移 在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移 。零點漂移和靈敏度漂移又可分為
14、時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點或靈敏度漂移。2.3.1 靜態(tài)特性8.靜態(tài)誤差（精度） 靜態(tài)誤差是傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。求靜態(tài)誤差是把全部校準數(shù)據(jù)與擬合直線上對應值的殘差看成是隨機分布，求出其標準偏差，取2或3值即為傳感器的靜態(tài)誤差?；蛴孟鄬φ`差表示： %10032FSy）（也可以由非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差這幾個也可以由非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差這幾個單項誤差綜合而得，即單項誤差綜合而得，即 222 RHL2.3.2 動態(tài)特性 例：用一只熱電偶測量某一容器的液體溫度
15、T，若環(huán)境溫度為T0，把置于環(huán)境溫度之中的熱電偶立即放入容器中（若TT0)。 在動態(tài)的輸入信號情況下，輸出與輸入間的差異即為動態(tài)誤差。2.4 常用傳感器原理與應用本節(jié)主要內容：本節(jié)主要內容：2.4.1 力傳感器力傳感器2.4.2 磁電式傳感器磁電式傳感器2.4.3 溫度傳感器溫度傳感器2.4.4 光傳感器光傳感器2.4.5 紅外線傳感器紅外線傳感器2.4.6 生物傳感器生物傳感器2.4.1 力傳感器力傳感器壓力傳感器圖壓力傳感器圖2.4.1 力傳感器力傳感器2.4.2 磁電式傳感器動圈式話筒的內部構造圖動圈式話筒的內部構造圖 在印刷紙幣時使用了在印刷紙幣時使用了能感覺磁性的特殊磁性能感覺磁性的
16、特殊磁性油墨，在驗鈔機的磁場油墨，在驗鈔機的磁場中，放置磁阻元件，那中，放置磁阻元件，那么隨紙幣的移動磁阻元么隨紙幣的移動磁阻元件的阻值依次發(fā)生變化，件的阻值依次發(fā)生變化，因而檢測這個變化波形因而檢測這個變化波形就能測定紙幣的真?zhèn)?。就能測定紙幣的真?zhèn)巍＜垘诺淖詣幼x取也基于紙幣的自動讀取也基于這個原理。這個原理。 2.4.2 磁電式傳感器磁電式傳感器智能驗鈔機智能驗鈔機2.4.3 溫度傳感器溫度傳感器 電飯鍋是現(xiàn)代社會生電飯鍋是現(xiàn)代社會生活中一種必備的廚具，其活中一種必備的廚具，其工作原理也比較簡單，就工作原理也比較簡單，就是當飯熟后，水分被大米是當飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度就會升高，吸收
17、，鍋底溫度就會升高，當溫度升至當溫度升至“居里點居里點103”103”時，感溫磁體失去鐵磁性，時，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點分離，切斷電彈開，觸點分離，切斷電源，從而停止加熱。源，從而停止加熱。電飯鍋內部結構圖電飯鍋內部結構圖2.4.4 光傳感器2.4.4 光傳感器 光傳感器主要有三種類型：即用光照射引光傳感器主要有三種類型：即用光照射引起阻值變化的光導電體的光導電效應式傳感器起阻值變化的光導電體的光導電效應式傳感器2.4.5 紅外線傳感器 人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅、橙、人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅
18、、橙、黃、綠、青、藍、紫。其中紅光的波長范圍為黃、綠、青、藍、紫。其中紅光的波長范圍為0.620.620.76m0.76m；紫；紫光的波長范圍為光的波長范圍為0.380.380.46m0.46m。比紫光光波長更短的光叫紫外線，。比紫光光波長更短的光叫紫外線，比紅光波長更長的光叫紅外線。紅外線傳感器可以實現(xiàn)遠距離探比紅光波長更長的光叫紅外線。紅外線傳感器可以實現(xiàn)遠距離探測，并且穿透性較好，能夠實現(xiàn)無接觸測量，測，并且穿透性較好，能夠實現(xiàn)無接觸測量，2.4.6 生物傳感器 生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉化器緊密結合和轉化器緊密結合, ,對特定種類化學物質或生物對特定種類化學物質或生物活性物質具有選擇性和可逆響應的分析裝置?；钚晕镔|具有選擇性和可逆響應的分析裝置。2.5 傳感器的應用展望傳感器的應用領域及需求量柱形圖傳感器的應用領域及需求量柱形圖1、發(fā)現(xiàn)新效應，開發(fā)新材料、新功能2、傳感器的多功能集成化和微型化3、傳感器的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化4、研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器傳感器的發(fā)展趨勢
電子信息工程概論（第2版）：第二章 傳感器技術
