无线传感器PPT学习教案

1、会计学1 无线传感器无线传感器 了解传感器的概念、分类、应用场景了解传感器的概念、分类、应用场景 掌握传感器基本知识 教教 学学 目目 的的 本本 章章 重重 点点 掌握不同类型传感器的特性、选型原则掌握不同类型传感器的特性、选型原则 定义、分类、特性 第1页/共35页 2.1传感器概述传感器概述 2.2常见传感器的类型介绍常见传感器的类型介绍 2.3传感器的一般特性和选型传感器的一般特性和选型 2.4微型传感器应用实例微型传感器应用实例 目录 第2页/共35页 2.1传感器概述传感器概述 2.2常见传感器的类型介绍常见传感器的类型介绍 2.3传感器的一般特性和选型传感器的一般特性和选型 2.

2、4微型传感器应用实例微型传感器应用实例 目录 第3页/共35页 2.1传感器概述传感器概述 2.2常见传感器的类型介绍常见传感器的类型介绍 2.3传感器的一般特性和选型传感器的一般特性和选型 2.4微型传感器应用实例微型传感器应用实例 目录 第4页/共35页 传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。 理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。 因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例静态特性只是动态特性的一个特例。 动态特性： 当输入量随时间较快地变化时，输出与输入之间关系称为动态特性。 静态特性： 当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入之间关系称为静态特性。 传

3、感器的基本特性 第5页/共35页 实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素， 如果把这些因素都引入微分方程，将使问题复杂化。为讨论问题简便， 一般分开考虑静态特性和动态特性。 传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。 但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也无法实现。 考虑了这些情况之后，传感器的输出输入互相作用大致如下图所示。 传感器除了描述输出输入关系的特性之外， 还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。 传感器的基本特性 第6页/共35页 冲击与振动

4、传感器输入与输出相互作用 稳定性(零漂) 传感器 温度 供电 各种干扰稳定性 温漂 分辨力 电磁场 线性 滞后 重复性 灵敏度 输入 误差因素 外界影响 输出 取决于传感器本身，通过传感器本身的改善来加以抑制，也可以对外界条件加以限制。 衡量传感器特性 的主要技术指标 传感器的基本特性 第7页/共35页 s=(k/k)100% 由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即 因此，传感器输出曲线的斜率就是灵敏度。线性特性的传感器，特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。 K=y/x 传感器输出的变化量y与引起该变化量的输入变化量x之比即为静态灵

5、敏度，表达式为 1 1、灵敏度与灵敏度误差、灵敏度与灵敏度误差 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 第8页/共35页 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 2 2、响应特性响应特性 即传感器的输出量与随时间变化的输入量之间的动态响应关系； 体现传感器的输出值能真实体现变化的输入量的能力。 实际传感器的响应过程肯定会比理论值慢，即存在一定的延迟 响应时间响应时间传感器类型传感器类型 响应时间短物理特性传感器(光电效应、 压电效应) 响应时间长结构型传感器(电容、电感传 感器) 第9页/共35页 静态特性曲线可实际测量。在测得特性曲线之后，可以说问题已

6、经解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望是线性关系。 这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。 3 3、线性度、线性度 传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，静态特性数学模型可用下列多项式代数方程表示： 式中 y输出量； x输入量； a0零点输出； a1理论灵敏度 ； a2、a3、 、 an非线性项系数。各项系数不同，决定了特性 曲线的具体形式。 y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn 传感器的基本特性 第10页/共35页 . 5 5 3 31xaxaxay . 4 4 2 2xaxa

7、yxay 1 n nxaxaxaay. 2 210 特性曲线: 一些特性曲线的具体形式。 传感器的基本特性 3 3、线性度、线性度 第11页/共35页 非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。 Lmax 最大非线性误差； yFS量程输出。 L=(Lmax/yFS)100% 理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合； 过零旋转拟合；最小二乘拟合； 最小包容拟合 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 在非线性误差不太大的情况下，总

8、是采用直线拟合的办法来线性化。采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度。通常用相对误差L表示： 3 3、线性度、线性度 第12页/共35页 a) 理论拟合 b) 过零旋转拟合 c) 端点连线拟合 d) 端点连线平移拟合 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 3 3、线性度、线性度 第13页/共35页 0 y yi x y=kx+b xI 最小二乘拟合法 y=kx+b 若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的差值为 i=yi-(kxi+b) min 2 11 2 n i ii n i i bkxy

9、最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即 对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式。 2 i 2 i 设拟合直线方程： 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 3 3、线性度、线性度 第14页/共35页 02 2 iiii xbkxy k 012 2 bkxy b iii 2 2 ii iiii xxn yxyxn k 2 2 2 ii iiiii xxn yxxyx b 系数k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出差值的最大值Lmax即为非线性误差。 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 3 3、线性度、线性度 第15页/共35页

10、传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 3 3、线性度、线性度 第16页/共35页 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 即传感器长时间使用后，输出特性不发生变化的性能。 4 4、稳定性、稳定性 温度 湿度 尘埃 水汽 例： 1、东南沿海等湿润性气候地区采用电阻应变式传感器，很快感应元件就失效。 2、北京近期雾霾严重，新布放的光电传感器的感应元件测量误差非常大。 第17页/共35页 Rmax1正行程的最大重复性偏差 Rmax2反行程的最大重复性偏差 y x 0 Rmax2 Rmax1 检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近。 %100/

11、 max FSRR y 重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。重复性误差可用正反行程中最大偏差表示： 获得输出值系列yi1，yi2，yi3，yin ，算出最大值与最小值之差或3作为重复性偏差Ri，在几个Ri中取出最大值Rmax作为重复性误差： %100/)32( FSR y yFS 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 5 5、重复性、重复性 第18页/共35页 测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。既可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。 漂移又称时间

12、稳定性，是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 6 6、漂移、漂移- -零漂零漂 第19页/共35页 测试时先将传感器置于一定温度(如20)，将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如5或10)，再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。 温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。 温度稳定性误差用温度每变化若干的绝对误差或相对误差表示，每引起的传感器误差又称为温度误差系数。 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 6

13、 6、漂移、漂移- -温漂温漂 第20页/共35页 与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度) 准确度： 说明传感器输出值与真值的偏离程度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。准确度高不一定精密度高。 精密度： 说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 7 7、精确度、精确度 第21页/共35页 精密度与准确度两者的总和，精确度

14、高表示精密度和准确度都比较高。实际的常以测量误差的相对值表示。 （a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高 精确度示意图 在测量中我们希望得到精确度高的结果。 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 7 7、精确度、精确度 第22页/共35页 分辨力用绝对值表示，用与满量程的百分数表示时称为分辨率。 在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。 分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。 有些传感器，当输入量连续变化时，输出量只作阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 8

15、 8、分辨力与阈值、分辨力与阈值 第23页/共35页 0 y x Hmax yFS 迟滞特性 %100/2/1 max FSHH y 迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。 传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即 式中 Hmax正反行程间输出的最大差值。 传感器的基本特性 一、传感器的基本特性一、传感器的基本特性 9 9、迟滞、迟滞 第24页/共35页 一、与测量

16、条件有关的因素 (1) 测量的目的； (2) 被测试量的选择； (3) 测量范围； (4) 输入信号的幅值，频带宽度； (5) 精度要求； (6) 测量所需要的时间。 二、与传感器有关的技术指标 (1) 精度； (2) 稳定性； (3) 响应特性； (4) 灵敏度； (5) 线性范围； (6) 输出幅值； (7) 校正周期； (8) 超标准过大的输入信号保护。 三、与使用环境条件有关的因素 (1) 安装现场条件及情况； (2) 环境条件(湿温度、振动等)； (3) 信号传输距离； (4) 所需现场提供的功率容量。 四、与购买和维修有关的因素 (1) 价格； (2) 零配件的储备； (3) 服务

17、与维修制度，保修时间； (4) 交货日期。 传感器的选用原则 二、传感器的选用原则二、传感器的选用原则 第25页/共35页 量程指标： 量程范围、过载能力等 灵敏度指标： 灵敏度、分辨力、满量程输出 等 精度有关指标： 精度、误差、线性、滞后、重 复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标： 固定频率、阻尼比、时间常数 、频率响应范围、频率特性、临 界频率、临界速度、稳定时间等 温度指标： 工作温度范围、温度误 差、温度漂移、温度系 数、热滞后等 抗冲振指标： 允许各向抗冲振的频率 、振幅及加速度、冲振 所引入的误差 其他环境参数： 抗潮湿、抗介质腐蚀等 能力、抗电磁场干扰能 力等 工 作 寿 命

18、 、 平 均 无 故 障 时 间 、 保 险 期 、 疲 劳 性 能 、 绝 缘 电 阻 、 耐 压 及 抗 飞 弧 等 使用有关指标： 供电方式（直流 、交流、频率及波 形等）、功率、各 项分布参数值、电 压范围与稳定度等 外形尺寸、重量 、壳体材质、结构 特点等 安装方式、馈线 电缆等 基本参数指标环境参数指标 可靠性 指标 其他指标 传感器的选用原则 二、传感器的选用原则二、传感器的选用原则 第26页/共35页 2.1传感器概述传感器概述 2.2常见传感器的类型介绍常见传感器的类型介绍 2.3传感器的一般特性和选型传感器的一般特性和选型 2.4微型传感器应用实例微型传感器应用实例 目录

19、第27页/共35页 1 1、简介简介 磁性传感器通常又称为磁力计，它的使用特点在于测量磁场并不是主要目的，通常能够同时探测获得其它参数，如车轮速度、车辆出现和运动方向等。磁性传感器通常又称为磁力计，它的使用特点在于测量磁场并不是主要目的，通常能够同时探测获得其它参数，如车轮速度、车辆出现和运动方向等。 这里侧重讨论各向异性磁阻（这里侧重讨论各向异性磁阻（Anisotropic Magnetoresistive, AMRAnisotropic Magnetoresistive, AMR）传感器，它属于磁性传感器中的一种，工作量程在地磁场范围内。）传感器，它属于磁性传感器中的一种，工作量程在地磁场

20、范围内。 磁阻传感器的特征在于当探测出磁场发生变化时，它会产生一个阻抗变化值，因而也就有了磁阻这一概念，阻抗变化的同时会改变电压输出值。磁阻传感器的用途较多，最典型的应用是用于车辆探测。磁阻传感器的特征在于当探测出磁场发生变化时，它会产生一个阻抗变化值，因而也就有了磁阻这一概念，阻抗变化的同时会改变电压输出值。磁阻传感器的用途较多，最典型的应用是用于车辆探测。 微型传感器的应用示例 一、磁阻传感器一、磁阻传感器 第28页/共35页 2 2、用于车辆探测的磁感应探测原理、用于车辆探测的磁感应探测原理 运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可

21、靠地检测到。运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可靠地检测到。 检测车辆存在的另一种方法是观察磁场变化的大小，磁场大小的变化表明了对地磁场整体的干扰程度。检测车辆存在的另一种方法是观察磁场变化的大小，磁场大小的变化表明了对地磁场整体的干扰程度。 微型传感器的应用示例 一、磁阻传感器一、磁阻传感器 第29页/共35页 地球的磁场在很广阔的区域内是恒定的，可以看作是均匀磁场。大的铁磁物体会引起地球磁场的扰动。这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明显，但也取决于在车辆内部、车顶或后备箱中有没有其它铁磁物质。在道路中间和旁边放置磁阻传感器，可以探测

22、由于车辆经过而导致的畸变磁场，从而监测车辆的存在，在此基础上推导车辆类型、行驶方向等交通参数。地球的磁场在很广阔的区域内是恒定的，可以看作是均匀磁场。大的铁磁物体会引起地球磁场的扰动。这些扰动在汽车发动机和车轮处尤为明显，但也取决于在车辆内部、车顶或后备箱中有没有其它铁磁物质。在道路中间和旁边放置磁阻传感器，可以探测由于车辆经过而导致的畸变磁场，从而监测车辆的存在，在此基础上推导车辆类型、行驶方向等交通参数。 微型传感器的应用示例 3 3、运动车辆探测信号分析、运动车辆探测信号分析 一、磁阻传感器一、磁阻传感器 第30页/共35页 运动车辆探测算法需要有足够的鲁棒性，保证在不同工作环境下的车辆能被可靠探测。由于无线传感器节点的微处理器的处理能力有限，车辆探测需要的计算应尽可能的简单。运动车辆探测算法需要有足够的鲁棒性，保证在不同工作环境下的车辆能被可靠探测。由于无线传感器节点的微处理器的处理能力有限，车辆探测