传感器原理与应用-第1章-传感器基础知识

1、,传感器 原理与应用技术,课 程 概 述,理论实验,第一章 传感器基础知识 第二章 应变式传感器 第三章 电容式传感器 第四章 电感式传感器 第五章 压电式传感器 第六章 热电式传感器 第七章 磁敏式传感器 第八章 光电式传感器 第九章 光纤传感器,主要内容,教材与参考书,教材： 传感器原理与应用技术，刘爱华，满宝元编著， 人民邮电出版社,2006年。 参考书： 传感器原理与应用.黄贤武,郑筱霞主编， 电子科技大学出版社,1995年。 传感器原理及应用.王化祥,张淑英主编， 天津大学出版社,1999年 。,教学基本要求,学会传感器的基础知识。 掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路。 了解各类传感器的典型应用。,第1章 传感器的基本概念,1.1 学习传感器的重要性,1.2 传感器的组成与分类,1.3 传感器的数学模型概述,1.4 传感器的基本特性,1.5 传感器的标定与校准,1.1 学习传感器的重要性,传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转

2、换为容易传输与处理的电信号。所以，80年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。,传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。,传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息科学技术的三大支柱。 21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的自然信息的种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息获取技术即传感技术必须跟上信息化发展的需要。,传感器的主要应用,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。,1、自动检测与自动控制系统,石化企业输油管道、储油罐等压力容器的

3、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,2、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301 00种传感器。,3、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。,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,PC机中的测试技术应用,楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在

4、楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,烟雾传感器,亮度传感器,人体探测器,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。,4、传感器在机器人上的应用,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,机器人服务员,沙漠机器人,AGV自动送货车,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,香港理工AGV模型,2003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开4600年前的秘密。它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。,图坦卡蒙的咒语: “不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,5、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

5、 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,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,6、传感器与航空及航天,陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器,航天,7、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,8、传感器与遥感技术,红外接收传感器,9、传感器在军事技术领域的应用,先进的科学技术总是最先被应用于战争。 以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。,而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转向如何观察

6、战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些性能优越的精确武器的问题上来，从重视军舰、坦克和飞机转为重视信息获取技术和信息获取装置的作用，传感器、通信以及精确制导武器等已在战争中至关重要的作用。,海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克，多国部队只有3800辆坦克。 但结果是伊拉克的坦克89被毁，而多国部队的坦克仅损失20辆。 这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。,由近期的几场高技术条件下的局部战争可以看到，随着新军事革命浪潮的到来，高度信息化的武器平台已经开始发挥战场主导作用。 数字化战争需要利用全方位、多手段的传感器系统感知和收集战场各种信息，对这些信息进行判读、分析、综合与管理，实现“传感器-控制器-武器”一体化。 战场生物传感器不但能准确识别各种生化战剂，而且可与计算机配合，及时提出最佳防护和治疗方案，还可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存弹药的数量和位置，成为侦察的有效手段。,在未来战争中，新一代精确化和智能化的常规武器和电子武器可能在实质上取代核武器的位置。 智能武器“把巨大的杀伤力和极高的精确性相结合，将会使

7、军事机构思考未来战争的方式发生革命“。 高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段，“打了不用管“的制导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远，威力大，价格低，命中率高，具有子母弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻击方式。,21世纪的农业将是知识 密集、技术密集的产业，设 施农业可以有效提高农业生 产效益和增强抗灾能力，借 助温室及其配套装置来调节 和控制作物生产环境条件， 摆脱自然制约，以达到高产、 高效、优质。 信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。,10、传感器与农业,农业,1.2 传感器的组成与分类,1.2.1 传感器的定义 1.2.2 传感器的组成 1.2.3 传感器的分类,将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器。,1.2.1 传感器的定义,47,1.2.2 传感器的组成,图1-1 传感器组成框图,敏感元件：直接感受被测非电量并按

8、一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。,传感元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。,敏感元件,传感元件,压力传感器示例,信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。,常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。,辅助电路通常包括电源等。,1按工作机理分类：根据物理和化学 等学科的原理、规律和效应进行分类,2按被测量分类：根据输入物理量的 性质进行分类。,3按敏感材料分类：根据制造传感器 所使用的材料进行分类。可分为半 导体传感器、陶瓷传感器等。,1.2.3 传感器的分类,4. 按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。,有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器。,如:压电式、热电式、电磁式等。,无源传感器又称为能量控制型传感器。被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。所以必须具有辅助能源(电能)。,如:电阻式、电容式和电感式等。,5. 其他：按用途、学科、功能和输出信号的性质等进行分类。,从

9、系统角度看，一种传感器就是一种系统。而一个系统总可以用一个数学方程式或函数来描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入的关系和特性，从而，用这种关系指导对传感器的设计、制造、校正和使用。 通常从传感器的静态输入-输出关系和动态输入-输出关系两方面建立数学模型。,1.3 传感器的数学模型概述,1.3.1 静态模型,静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。,如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：,1.3.2 动态模型,动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输入信号的一种数学关系。,动态模型通常采用微分方程和传递函数描述。,1 .微分方程,大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的一般方法是采用微分方程。,在实际的模型建立过程中，一般采用线性常系数微分方程来描述输出量 y和输入量 x 的关系。,其通式如下：,an,an-1a0和bm,bm-1b0 为传感器的结构 参数。除b0 0外，一般取b1,b2bm为零.,如果y(t)在t0时， y(t) =0，则y(t) 的拉氏变换可定义为,2. 传递函数,式中s=+j，0。,对微分方程两边取拉氏变换，则得,定义输出y(t)的拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变换X(S)的比为该系统的传递函数H(S)，则,对y(t)进行拉氏变换的初始条件是t0时， y(t)=0。对于传感器被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合上述的初始条件。,63,对于多环节串、并联组成的传感器，若各环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，传感器的等效传递函数可按代数方式求得。,显然H(s)与输入量x(t)无关，只与系统结构参数有关。因而H(s)可以简单而恰当地描述传感器输出与输入的关系。,若传感器由r个环节串联而成,对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。,65,若传感器由p个环节并联而成,1.4.1 静态特性,1.4 传感器的基本特性,1线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。又称非线性误差。可用下式表示:,max输出量与输入量实际曲线与拟合直线之间

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