1、課程(kchng)定位傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節(hunji)。例如：水溫控制系統共七十九頁共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.1 什么是傳感器？在我們日常生活中，使用(shyng)著各種各樣的傳感器， 電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器; 空調中的溫度和濕度傳感器; 煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器; 水表、電表、電視機和影碟機中的紅外遙控器; 照相機中的光傳感器; 汽車中燃料計和速度計等等，不勝枚舉。 傳感器給我們的生活帶來了多少便利和幫助呢？傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.1 什么(shn me)是傳感器？傳感器原理及應用共七十九頁傳感器原理(

2、yunl)及應用1.1什么(shn me)是傳感器眼（視覺） 耳（聽覺） 鼻（嗅覺） 皮膚（觸覺） 舌（味覺）感知外界信息 大腦 肌體 第1章 傳感器概述人體系統和機器系統比較 共七十九頁傳感器原理(yunl)及應用第1章 傳感器概述(i sh)1.1什么是傳感器 人的體力和腦力勞動通過感覺器官接收外界信號，將這些信號傳送給大腦，大腦把這些信號分析處理傳遞給肌體。 如果用機器完成這一過程，計算機相當人的大腦，執行機構相當人的肌體，傳感器相當于人的五官和皮膚。 傳感器好比人體感官的延長，有人又稱“電五官”。 傳感器外 界 信 息感 官大 腦肌 體計算機執行機構共七十九頁1.1 傳感器的組成(z

3、chn)與分類1.1.1 傳感器的組成1.傳感器的定義: 傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律將其轉換成可用輸出(shch)信號的器件或裝置。 共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類2.傳感器的組成 通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。 其中, 敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量(cling)的部分; 轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類說明: 由于傳感器的輸出信號一般都很微弱, 因此需要有信號調理與轉換電路對其進行放大、運算、調制等。隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應

4、用, 傳感器的信號調理與轉換電路可能(knng)安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上。 此外, 信號調理、轉換電路以及傳感器工作必須有輔助的電源, 因此, 信號調理、轉換電路以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類 圖1-1 傳感器的組成(z chn)框圖共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類1.1.2 傳感器的分類1按被測物理量分類 這種方法是根據被測物理量的性質進 行分類的，如被測物理量為溫度、壓力、流量、位移、速度等，則相應的傳感器分別稱為溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、位移傳感器、速度傳感器等。 優點:

5、 比較明確地表達(biod)了傳感器的用途，便于使用者根據其用途選用。 共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類2. 按工作原理分類 傳感器的工作原理主要是基于物理、 化學和生物(shngw)等學科的原理、規律和效應。 據此可將傳感器分為電阻式、電感式、電容式、熱電式、壓電式、光電式等類別。 優點: 對于傳感器的工作原理比較清楚，類別少，有利于傳感器專業 工作者對傳感器進行深入研究分析。本書的傳感器就是按工作原理分類進行編寫的。共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類3.按輸出信號的性質分類 根據(gnj)傳感器輸出信號的性質，可將其 分為模擬傳感器和數字傳感器兩大類。 前

6、者輸出模擬信號，后者輸出數字信號，當然輸出的模擬信號或數字信號都與被測非電量成一定關系。數字傳感器便于與計算機聯用，且抗干擾性較強，例如盤式角度數字傳感器、光柵傳感器等。共七十九頁1.1 傳感器的組成(z chn)與分類4. 按能量的關系分類 根據能量觀點分類，可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。前者將非電能量轉換為電能量，稱之為能量轉換型傳感器，也稱為換能器，通常配合有電壓測量電路和放大器，如壓電式、熱電式、磁電式等。無源傳感器又稱為能量控制型傳感器，它本身不是一個(y )換能器，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調節作用，所以，它們必須具有輔助能源，這類傳感器有電阻式、電容式和電

7、感式等。共七十九頁1.2 傳感器的發展(fzhn)動向1新材料的開發、應用2新工藝、新技術的應用3利用新的效應(xioyng)開發新型傳感器4傳感器的集成化5傳感器的多功能化6傳感器的智能化共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性1.3.1 傳感器的靜態特性(txng) 定義: 傳感器在穩態信號作用下，其輸出輸入關系為靜態特性。 衡量傳感器靜態特性的主要性能指標是線性度、靈敏度、遲滯和重復性。 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性1.線性度 傳感器的線性度又稱非線性誤差，是指傳感器輸出與輸入之間的線性程度。線性度可用下式表示(biosh):L線性度（非線性誤差）；max最大非線性絕

8、對誤差；ym輸出滿量程值 共七十九頁共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性2靈敏度 傳感器的靈敏度是指在穩態下輸出變化量dy與引起此變化的輸入變化量dx之比值(bzh)，用S表示，即:共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性3. 遲滯 遲滯（或稱遲環）特性是用來說明傳 感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間輸出輸入特性曲線不重合的程度。 產生原因(yunyn)：主要是敏感元件材料的物理性質和傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料的內摩擦、積塵等。共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性表示方法： 遲滯(chzh)大小一般要由試驗方法確定，其值

9、用正反行程輸出值間最大差值max對滿量程輸出ym的百分比表示：共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性遲滯(chzh)特性如圖1-2：共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性4.重復性 重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線的不一致性程度(chngd). 產生原因: 與產生遲滯現象的原因相同 .屬于隨機誤差性質 .共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性重復性的表示(biosh)方法: 標準偏差 前的系數取2時，誤差完全依從正態分布，置信概率為95%；取3時，置信概率為99.73%。根據均方根公式，可以計算，即: 式中 yi 測量值； 測量值的算術平均值；

10、 n測量次數。共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性重復性示意圖如圖1-3共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性1.3.2 傳感器的動態特性 定義: 傳感器的動態特性是指傳感器對激勵（輸入）的響應（輸出）特性。 說明:一個動態特性好的傳感器，隨時間變化的輸出曲線能同時再現(zixin)隨時間變化的輸入曲線，即輸出輸入具有相同類型的時間函數。 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性1一階傳感器數學模型 :共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性 設初始條件 : t=0，y=0,當單位階躍信號(xnho)X從0到1時，輸出響應為： 傳感器的時間常數 共七十九頁1.3 傳感器的

11、一般(ybn)特性單位(dnwi)階躍響應如圖1-7所示 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性 由圖1-7看出： 只有(zhyu)當t時，y才能達到其穩態值1。 實際工作中，一般根據y達到其穩態值的63.2%所用的時間，來衡量一個傳感器動 態響應的速度。值越大，動態響應越慢， 動態誤差越大，且存在時間越長。因此，時間常數是一階傳感器的主要動態性能指標，一般希望它越小越好。 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性2二階傳感器數學模型 ：共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性假設初始條件 t=0，y=0，當輸入x從0躍變到1時 ：二階傳感器的輸出響應分為(fn wi)3種情況：

12、 （1）0 1（欠阻尼）時 傳感器無阻尼時的固有頻率 傳感器的阻尼比 共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性（2） =1（臨界阻尼）時（3） 1（過阻尼）時共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性圖1-5為二階單位(dnwi)階躍響應共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性說明：由圖分析知一般取 =0.60.8，即欠阻尼狀態 。 下面就欠阻尼時的單位(dnwi)階躍響應，討論二階傳感器的典型動態性能指標，如圖1-6所示。共七十九頁1.3 傳感器的一般(ybn)特性（1）上升時間tr 輸出從穩態值的10%到第一次達到其穩態值的90%所用的時間。（2）峰值時間tp 響應曲線到第一個峰

13、值所用的時間。（3）響應時間ts 響應曲線衰減到與穩態值之差不超過5%或2%時所需要的時間，有時稱過渡(gud)過程時間。（4）最大超調量M 最大超調量就是響應曲線偏離穩態值的最大值。 顯然，tr、tp、ts和M數值越小，則傳感器的動態性能越好。共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用和地位(dwi)構成現代信息技術的三大支柱是： 傳感器技術（信息采集）； 通信技術 （信息傳輸）； 計算機技術（信息處理）； 它們在信息系統中分別起到 “感官”、“神經”和“大腦”的作用。 在利用信息的過程中首先要解決獲取準確可靠的 信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。傳感器原理

14、及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用和地位(dwi)目前傳感器技術已經在越來越多的領域得到應用，傳感器對觀測和自動化技術所起的作用遠比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無可爭議的事實。 傳感器廣泛用于工業、農業、商業、交通、環境監測、醫療診斷、軍事科研、航空航天、現代辦公設備、智能樓宇和家用電器等領域。是構建現代信息系統的重要組成部分。傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用和地位在基礎學科研究中，傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長時間的天體演化、短的瞬間反應。超高溫、超低溫、超高壓、

15、超高真空(zhnkng)、超強磁場、弱磁場等極端技術研究。傳感器的發展，往往是一些邊緣學科開發的先驅。 現代工業生產尤其是自動化生產過程中，需要用各種傳感器監視和控制生產過程的各個參數，傳感器是自動控制系統的關鍵基礎器件，直接影響到自動化技術的水平。 傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用(zuyng)和地位工業生產 傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用和地位機器人 視覺: 平面、立體 非視覺:觸覺(chju)、滑覺、 熱覺、力覺、 接近覺、傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh)

16、傳感器原理(yunl)及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用和地位計量(jling)測試 傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(jsh)的作用和地位醫療診斷 傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(jsh)的作用和地位家用電器 傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(jsh)的作用和地位 智能建筑 傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用和地位智能建筑 門禁系統打破了人們(rn men)幾百年來

17、用鑰匙開鎖的傳統傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術(jsh)的作用和地位最 新 濕 度 測 量 應 用 領 域傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用(zuyng)和地位 傳感器原理及應用共七十九頁 第1章 傳感器概述(i sh) 1.2 傳感器技術的作用(zuyng)和地位 傳感器原理及應用共七十九頁南京(nn jn)大勝關大橋模型試驗共七十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現狀和國內外發展趨勢 傳感器現狀 據統計目前全世界約有40個國家從事傳感器的 研制、生產和開發，研發機構6000余家。

18、 其中以美、日、俄等國實力較強，美、日、俄等 國建立了包括(boku)物理量、化學量、生物量三大門類 的傳感器產業，產品20000多種，大企業的年生 產能力達到幾千萬支到幾億支。 1998年全世界傳感器市場銷售額已達325億元， 預計2008年銷售額將增至506億美元。傳感器原理及應用共七十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現狀和國內外發展趨勢 我國的傳感器技術及產業在國家“大力加強傳感器 的開發和在國民經濟中的普遍(pbin)應用”等一系列政策 導向和資金的支持下，近年來也取得了較快發展。 目前有1680多家傳感器研發機構，產品約6000種， 年產量13.2億多支，其中約有12

19、產品銷往國外。 預計到“十五”期末，敏感元器件與傳感器年總產量 可望達到20億支，銷售總額將達約120億元。傳感器原理及應用共七十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現狀和國內外發展趨勢 傳感器產業在科技投入(經費、高級人才資源)、產業環境以及科技實力(專利件數、新品開發周期、關鍵材料與零組件、量產能力)三大方面的綜合競爭能力遠低于美國、日本、歐洲等發達國家。 許多自動化方面的專家(zhunji)呼吁：目前系統越來越復雜，自動化已經陷入低谷，其主要原因之一是傳感技術落后，一方面表現為傳感器在感知信息方面的落后；另一方面也表現為傳感器自身在智能化和網絡方面的落后。傳感器原理及應用共七

20、十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現狀和國內外發展趨勢 傳感器發展趨勢： 20世紀70年代以來以電量為輸出的傳感器得到飛 速發展，現代傳感器已是測量儀器、智能化儀表、 自動控制系統等裝置必不可少的感知元件。 幾十年來傳感技術的發展分為兩個方面： 1.提高與改善傳感器的技術指標； 2.尋找新原理、新材料(cilio)、新工藝。 為改善傳感器性能采用多種技術途徑： 差動技術；平均技術；補償修正技術； 隔離抗干擾抑制、穩定性處理等等。傳感器原理及應用共七十九頁第1章 傳感器概述(i sh) 1.3傳感器現狀和國內外發展趨勢 目前傳感器總的發展趨勢是： （1） 發展、利用新效應； （2

21、） 開發新材料； （3） 提高傳感器性能(xngnng)和檢測范圍； （4） 微型化與微功耗； （5） 集成化與多功能化； （6） 傳感器的智能化； （7） 傳感器的數字化和網絡化。傳感器原理及應用共七十九頁傳感器的數字化和網絡化 模 擬 傳 感 器放 大 電 路A/D 轉 換線 性 化 處 理微 處 理 器標準接口脈沖輸出控制門顯示傳感器原理(yunl)及應用第1章 傳感器概述(i sh)1.3 傳感器現狀和國內外發展趨勢傳感器在總體上呈現出多功能、微型化、數字化、集成化、智能化和網絡化的發展趨勢。 共七十九頁誤差(wch)=測量值-真值 例如(lr)，在電壓測量中，真值電壓5V，測得的電壓

22、為5.3V，則 誤差= 5.3V - 5V = +0.3V 真值為“表征某量在所處的條件下完美地確定的量值”。真值是一個理想的概念。真值客觀存在，卻難以獲得。 實際值-實際測量中常把高一等級的計量標準測得的實際值作為真值使用。“實際值”“約定真值”。 測量及測量誤差 測量、測量三要素 共七十九頁2.誤差的表示方法 相對誤差 絕對誤差 1.絕對誤差(ju du w ch)： 定義：被測量的測量值x與其(yq)真值A0之差，稱為絕對誤差。 在實際測量中： “約定真值”“實際值”= A 表示 修正值：與絕對誤差大小相等，符號相反的量值稱為修正值，一般用C表示 C=x=Ax 大小 正負 單位 x =x

23、A0 x=xA共七十九頁例：【2.1.1】 一個被測電壓，其真值為100V，用一只電壓表測量，其指示值U為101V，則絕對誤差例：【2.1.2】一臺晶體管毫伏表的10mV擋，當用其進行測量(cling)時，示值為8mV，在檢定時8mV刻度處的修正值是-0.03mV，則被測電壓的實際值為 U=8+(-0.03)=7.97mV共七十九頁2 相對誤差(xin du w ch)： -表示相對誤差例：【2.1.3】測量兩個電壓，其實際(shj)值為U1=100V, U2=5V，而測得值分別為101V和6V。則絕對誤差為：U1=101-100=1VU2=6-5=1V用相對誤差便于比較相對誤差為：1=U1/

24、U1=1%2=U2/U2=20%共七十九頁相對誤差(xin du w ch)可以有多種形式： 真值相對誤差(xin du w ch) 實際值相對誤差 測量值（示值）相對誤差 滿度（或引用）相對誤差 常用因通常A0、A、X X 故常用X方便共七十九頁電工儀表將滿度相對誤差(xin du w ch)分為七個等級： 序號一二三四五六七S%0.10.20.51.01.52.55.0 3.引用(ynyng)誤差 儀表精度等級： 共七十九頁例：【2.1.5】用MF-20型晶體管萬用表交流電壓的30V擋，分別測量(cling)6V及20V電壓，求最大示值相對誤差。此表交流電壓擋得準確度等級為4級。當Ux=6

25、V時，當Ux=20V時，例：【2.1.6】被測量的實際值U=10V，現有(xin yu)（1）150V，0.5級和（2）15V，2.5級兩只電壓表，問選擇哪只表測量誤差較小？用（1）表時，示值范圍用（2）表時，示值范圍共七十九頁2.1.4 誤差按性質分類(P1921)隨機誤差 系統誤差 粗大誤差 隨機誤差-不可預定(ydng)方式變化的誤差系統誤差-按一定規律變化(binhu)的誤差粗大誤差-顯著偏離實際值的誤差共七十九頁 測量結果(ji gu)的評價 系統誤差 小，準確度高 A或AXiXi隨機誤差 小 ，精密度高 AA或Xi系統誤差和隨機誤差都較小，稱精確度高 A或XiXi共七十九頁傳感器接口(ji ku)電路 傳感器接口電路用于完成傳感器輸出電信號的處理，是傳感器與后續電路的連接環 節，其性能直接影響到整個系統。1.傳感器輸出信號的特點:(1)傳感器輸出信號的形式多樣化，有電阻、電感、電荷、電壓等。(2)傳感器輸出信號微弱，不易于檢測。 (3)傳感器輸出阻抗較高，會產生較大的信號衰減。(4)傳感器