1、傳感器原理及應用第一講教材內容概要 緒論 傳感器作什么用？ 傳感器在什么領域用？ 傳感器由什么構成？ 傳感器有哪些種類？ 第一章 傳感器的特性 什么樣的傳感器才算好的傳感 器？(怎么買，怎么選？) 什么是理想的傳感器？ 傳感器一般存在哪些問題？如何量化這些問題？0.1傳感器的作用無處不在！ iPhone、汽車、高速公路收費； 空調、燃氣灶； 水表、電表、煤氣表； 醫療化驗、體檢； PM2.5、尾氣排放、噪聲檢測； 航空、航天、軍事； 概以言之，傳感器的作用三個方面：測量測量、控制控制、監視監視汽車上的傳感器普通家庭轎車上大約安裝近百只傳感器；豪華轎車上傳感器可達二百余只。機器人內部傳感器： 用

2、來檢測機器人本身狀態（如手臂間角度）的傳感器。多為檢測位置和角度的傳感器。 外部傳感器： 明暗覺（明暗覺（光敏管、光電斷續器） 色覺（色覺（彩色攝像機、彩色CCD ） 位置覺（位置覺（光敏陣列、CCD） 形狀覺（形狀覺（光敏陣列、CCD ） 接觸覺（接觸覺（光電傳感器、微動開關等） 壓覺（壓覺（壓電元件、導電橡膠、壓敏高分子材料） 力覺（力覺（應變片、導電橡膠） 接近覺（接近覺（光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器 ） 滑覺（滑覺（球形接點式、光電旋轉傳感器、角編碼器、振動檢測器）iPhone 近距離接近傳感器 運動/加速度傳感器 環境光傳感器 濕度傳感器 陀螺儀 耳機

3、插孔已可外接多種傳感器如氣壓傳感器、元素探測器、心電圖傳感器等航空航天 美阿波羅美阿波羅10號飛船（號飛船（1969年）：年）：3295個傳感器，溫度個傳感器，溫度539個，壓力個，壓力140個，信號個，信號501個，遙控個，遙控142個；個； 歐航天局阿麗亞娜火箭試驗期：常規型傳感器歐航天局阿麗亞娜火箭試驗期：常規型傳感器1100個，低個，低溫型傳感器溫型傳感器600個；個；光電開關在流水線上的應用光電開關在流水線上的應用送料器定區域式光電開關定區域式光電開關咖啡罐咖啡罐流水線運行方向流水線運行方向罐裝高度檢測罐裝高度檢測儲料倉儲料倉落料口落料口遮斷式光電開關（計數）遮斷式光電開關（計數）

4、光幕應用光幕應用三維尺寸檢測三維尺寸檢測寬度寬度 測量測量長度長度 測量測量高度高度 測量測量 光幕應用（續）光幕應用（續）光幕用于光幕用于 自動收費系統的自動收費系統的車輛檢測車輛檢測模糊洗衣機模糊洗衣機的模糊推理的模糊推理 智能樓宇停車監控系統智能樓宇停車監控系統 在智能樓宇內，多配置有地下車庫。車庫綜合管理系統監在智能樓宇內，多配置有地下車庫。車庫綜合管理系統監控車輛的進入，指示停車位置，禁止無關人員闖入，甚至能自控車輛的進入，指示停車位置，禁止無關人員闖入，甚至能自動登錄車牌號碼。動登錄車牌號碼。 中央控制器中央控制器車牌識車牌識別系統別系統刷卡刷卡門禁門禁行車泊行車泊位系統位系統活動

5、物活動物體監視體監視燈光燈光自控自控停車監控原理框圖停車監控原理框圖 0.1 傳感器的作用傳感器的作用信息的拾取傳感器技術現代信息技術的三大基礎：傳輸處理通訊技術計算機技術“感官”“神經”“大腦”“沒有傳感器就沒有現代科學技術”門捷列夫：“科學僅僅是在人們懂得了測量才開始的。” 傳感器（transducer或sensor） 傳感器是將各種非電量（物理量、化學量、生物量等）按一定規律轉換成便于處理和傳輸的另一種物理量（一般為電量）的裝置。0.2 傳感器及傳感技術傳感器及傳感技術利用原理、材料和工藝把傳感器做出來，工程技術問題！物理效應、化學反應和生物反應等原理，科學問題！本學科的兩大核心問題！貫

6、穿本課程的始終！0.3 傳感器的組成傳感器的組成傳感器由三部分組成： 敏感元件敏感元件是指傳感器中直接感受被測量的部分； 轉換元件轉換元件是指傳感器能將敏感元件輸出轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。 信號調節轉換電路信號調節轉換電路將傳感器微弱的信號進行放大或變換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。 敏感元件轉換元件測量電路輔助電源 被測量（非電量）輸出電量 例如：例如： 我們要測量一個直線運動的汽車的加速度（規定我們要測量一個直線運動的汽車的加速度（規定的被測量）。可以設計一個簡單的實驗裝置。的被測量）。可以設計一個簡單的實驗裝置。敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件+電子線路電子線路輸出輸出0

7、.3 傳感器的組成傳感器的組成敏感敏感元件元件轉換轉換元件元件轉換轉換 電路電路被測量被測量電量電量砝碼砝碼m千克千克彈簧彈簧k轉換轉換 電路電路加速度加速度電量電量a力力mama/k位移位移vma/kL0.3 傳感器的組成傳感器的組成0.1 傳感器的組成與分類傳感器的組成與分類|傳感器的分類：傳感器的分類：1、按輸入量分類：、按輸入量分類：2、按測量原理分類：、按測量原理分類： 機械量：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、角度傳感器； 溫度傳感器 力傳感器：壓力傳感器、扭矩傳感器 應變式 電容式 電感式 熱敏式 光敏式 0.1 傳感器的組成與分類傳感器的組成與分類|傳感器的分類：傳感器的分

8、類：3、按輸入量分類：、按輸入量分類：結構型結構型：依賴敏感元件結構參數（形狀或尺寸）變化實現信息轉換。 物性型物性型：依賴敏感元件物理特性變化實現信息轉換。 0.5 傳感器的發展趨向傳感器的發展趨向u固態化固態化物性型傳感器也稱固態傳感器，相對結構型傳感器靈敏度高、響應速度快、小而輕，易于實現集成化和多功能化。世界各國在此方面投入了大量人力物理，目前發展很快！u集成化集成化集成化是指將敏感元件、轉換元件和測量電路，甚至電源集成在同一芯片上。u多功能化多功能化多功能化是傳感器具有測量多種參數的功能，各功能共享某些資源如轉換、測量電路或電源等。u圖像化圖像化不僅是對一點物理量的測量，而是一維、二

9、維、三維甚至四維的測量。u智能化智能化傳感器輸出信號的后繼處理、自我診斷、自動調零和調量程第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性傳感器的動態特性傳感器的動態特性什么樣的傳感器才是好的傳感器？ 輸入量為穩態量時，輸出量與輸入量的關系輸入量為穩態量時，輸出量與輸入量的關系傳感器輸出量對隨傳感器輸出量對隨時間時間變化的輸入量的響應變化的輸入量的響應特性。特性。1.1 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性 通常希望傳感器的輸出量Y與其輸入量X成線性關系：YXO即：XaY1但往往做不到這一點，現實往往是：nnXaXaXaaY2210這里a1稱之為靈敏度，常用K表示。

10、 因此，穩態下，輸出量Y與輸入量X的實際關系：YXOnnXaXaXaaY2210如果在我們關心的輸入量范圍內，Y與X的關系接近線性，可用這段直線來代替，即線性化。a0a0稱為零位輸出。 如何得到Y與X的關系曲線？（如何獲知絕對真理） 這種線性化的前提“接近線性”，如何來評判？1.1 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性我們用靜態校準曲線來代替Y與X的真實關系。1.1 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性相對真理校準曲線是指： 在標準工作狀態下，利用一定精度等級的校準設備，對傳感器進行往復循環測試，可得到一組“輸入-輸出”數據，將這些數據列成表格，再畫出各被測量值（正行程 反行程）對應輸出平均值的連線，

11、即為傳感器的靜態校準曲線。YXO一、 線性度 在規定條件下，傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比，即：YXOXmaxYF S Ymax%100maxSFLYY其中， Ymax 為校準曲線與擬合直線間最大偏差 YF S 傳感器滿量程輸出1.1 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性(a) 端基法將傳感器校準數據的零點輸出平均值a0和滿量程輸出平均值b0連成直線a0 b0作為傳感器特性的擬合直線，其方程為：YXa0b0KXaY0式中a0為Y軸上的截距；K為直線的a0 b0斜率顯然，這種方法只用到了兩個校準點，精度較低。但這種方法簡單直觀，可用在非線性度較小的場合。一、 線性度1.1

12、傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性| 常用擬合方法(b) 最小二乘法最小二乘法用最小二乘原則擬合直線，可使擬合精度最高。設有n個校準點(Xi, Yi)（i=1,n）要求的擬合直線方程為： Y = a0+KX這里的a0和K為待求參數。設第i個點與擬合直線間線差為：最小二乘法的原則是找到讓 最小的a0和K值。)(0iiiKXaYnii12| 常用擬合方法一、 線性度1.1 傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性0YYiXy=kx+bXi最小二乘擬合法傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比。XYK輸入變化量輸出變化量如果要考慮傳感器的非線性時，可用局部（某點處）的靈敏度來描述。dXdYK XY0X

13、YXY0dxdydxdy1.1 傳感器的靜態特性二、 靈敏度低精密度、低準確度低精密度、低準確度高精密度、低準確度高精密度、低準確度低精密度、高準確度低精密度、高準確度高精密度、高準確度高精密度、高準確度1.1 傳感器的靜態特性三、精確度（精度）精密度精密度 ：隨機誤差：隨機誤差準確度準確度 ：系統誤差：系統誤差精確度精確度 ：是精密度與準確度的總和，即：是精密度與準確度的總和，即0.005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0FSAA=100%YAFSY- 測量范圍內允許的最大絕對誤差- 滿量程輸出 ：1.4A=100%1.4%100-0根據50

14、Pa處來計算精度等級：1.4 1.5，所以該傳感器合格的。1.1 傳感器的靜態特性三、精確度（精度）傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸出與輸入曲線不重合時稱為遲滯。max/100%FSHHY 或%100)2/(maxFSHYH遲滯反映了傳感器機械結構和制造工藝 的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動、元件腐蝕等。1.1 傳感器的靜態特性四、遲滯遲滯誤差用最大偏差或最大偏差的一半與滿量程輸出值的百分數表示。傳感器在同一工作條件下，在輸入量按同一方向作全量程連續多次變動時所得特性曲線不一致的程度。其中：23為置信度; 為標準差，若用貝賽爾公式計算，為%100)32(FSkY1)(12nY

15、Ynii注：重復性反映的是測量結果偶然誤差的大小，不表示與真值之間的差別。有時重復性雖然很好，但可能遠離真值。1.1 傳感器的靜態特性五、重復性%1000FSYY零漂其中： 為最大零點偏差0Y1.1 傳感器的靜態特性六、零點漂移l溫漂表示在輸入不變的情況下，傳感器輸出值隨著溫度的變化而變化的特性。l溫漂是以單位溫度變化引起的最大輸出變化量與滿量程輸出的百分比來表示的。 max100%TFSy 溫 度 漂 移maxT1.1 傳感器的靜態特性七、溫漂1.2 傳感器的動態特性為什么要分析動態特性？是不是只分析靜態特性就夠了？例如，在動態控制過程中，系統很少處于穩態，如汽車的行駛。如何保證在我們的控制后，汽車有足夠快的響應呢？因此，分析傳感器動態特性是不可或缺的一環！在實際測試和控制過程中，被測信號隨時間動態變化。由于存在阻尼、慣性等環節和溫度變化的影響，輸出量y(t)不僅與x(t)有關，還與輸入量的變化速度dx(t)/dt、加速度d2x (t)/ dt2等有關。tX(t)Y(t)t1.2 傳感器的動態特性二、傳感器的動態響應及其動態特性指標單位階躍輸入下的二階傳感器典型指標：超