传感器原理与应用-概述

1、传感器原理与应用任课教师： 张国庆手机QQ: 244603995办公室：明德楼824电子科技大学中山学院 2013本课程的性质与要求 传感器及应用是一门专业必修课，是机械设计制造及其自动化专业的一门工程性、设计性要求较强的课程。本课程主要讲述了传感器的基本概念。它包括力、电、光、磁、辐射、位置和气湿敏式传感器的工作原理、测量电路和应用举例。在自动控制系统中任何控制决策均依赖于系统通过传感器所获得的信息，所以，检测与转换是自动控制系统工程中一个非常重要的技术环节。本课程的性质与要求 传感器及应用是一门专业必修课，是机械设计制造及其自动化专业的一门工程性、设计性要求较强的

2、课程。本课程主要讲述了传感器的基本概念。它包括力、电、光、磁、辐射、位置和气湿敏式传感器的工作原理、测量电路和应用举例。在自动控制系统中任何控制决策均依赖于系统通过传感器所获得的信息，所以，检测与转换是自动控制系统工程中一个非常重要的技术环节。本课程的内容与学时安排学习内容及要求： 结合普通物理、电路原理、测量技术、电子技术和单片机技术等有关课程知识，学习基本测量电路和主要的物理效应应变效应、磁感效应、压电效应、热电效应、光电效应、霍尔效应、磁阻效应和光栅莫尔条纹放大原理，了解传感器基本原理、结构、特性等有关理论，掌握如何利用传感器的原理和特性来应用传感器的方法以及针对被测物理量设计测量电路的

3、能力。学时安排：总学时数32,课内讲授16学时, 实验16学时本课程的考核要求课程考核：平时成绩 20%；包括平时作业，到课情况等考核项目实验成绩 20%分；期末考试成绩 60%。第1章 绪论1.1 传感器与现代测量系统1.2 传感器的定义与组成1.3 传感器的分类1.4 传感器的基本特性1.5 传感器的应用与发展第1章 绪论1.1 传感器与现代测量系统第1章 绪论1.1 传感器与现代测量系统 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

4、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。第1章 绪论1.1 传感器与现代测量系统自动检测技术系统原理框图第1章 绪论1.1 传感器与现代测量系统第1章 绪论1.2 传感器的定义与组成传感器定义： 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。第1章 绪论1.2 传感器的定义与组成传感器的组成： 敏感元件辅助电路传感元件 被测非电量 有用非电量有 用电 量信号调节转换电路电 量第1章 绪论1.2 传感器的定义与组成传感器的组成： 敏感元件辅助电路传感元件 被测非电量 有用非电量有 用电 量信号调节转换

5、电路电 量敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。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。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。第1章 绪论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电阻应变热电偶压电电容电感1.3 传感器的分类第1章 绪论2 按被测量分类：根据输入物理量的性质进行分类温度位移压力速度频率1.3 传感器的分类第1章 绪论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。4. 按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器

6、分为有源传感器和无源传感器两大类。1.3 传感器的分类第1章 绪论1.4 传感器的基本特性 从系统角度看，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。 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：第1章 绪论1.4.1 传感器的静态模型传感器的静态模型有三种有用的特殊 形式：（1

7、） 理想的线性特性（2） 仅有偶次非线性项（3） 仅有奇次非线性项第1章 绪论（1） （2） （3）三种形式所呈现的非线性程度 三种特殊形式的特性曲线 第1章 绪论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的最大偏差yFS输出满量程值第1章 绪论2.灵敏度：在稳态下输出增量与输入增量的比值： 对线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率：非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。 第1章 绪论3.重复性： 输入量按同一方向作全程多次测试时，所得特性曲线不一致的

8、程度。 重复性yx0Rmax2Rmax1第1章 绪论4.迟滞（回差滞环）现象：表明传感器在正向行程和反向行程期间，输出-输入特性曲线不重合的程度。H0 x yyFS xFS 迟滞特性第1章 绪论对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应某一输出量yi，与在x连续减小的行程中，对应某一输出量yd之间的差值叫滞环误差，即所谓的迟滞现象。在整个测量范围内产生的最大滞环误差用m表示，它与满量程输出值的比值称最大滞环率：第1章 绪论5分辨率与阈值 ：传感器在规定的范围所能检测输入量的最小变化量。阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。6稳定性：在室温条件下，

9、经过相当长的时间间隔， 传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。第1章 绪论7漂移：在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。 温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。第1章 绪论也可以由非线性误差、迟滞误差、重复性误差这几个单项误差综合而得，即8静态误差（精度） 静态误差是传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。 求静态误差是把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差看成是随机分布，求出其标准偏差，取2或3值即为传感器的

10、静态误差。或用相对误差表示：第1章 绪论 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。第1章 绪论1.4.2 传感器的动态模型 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。第1章 绪论1. 微分方程如果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，则得第1章 绪论定义输出y(t)的拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变

11、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。第1章 绪论33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。第1章 绪论若传感器由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。第1章 绪论若传感器由p个环节并联而成第1章 绪论 1） 零阶系统

12、在方程式（2-8）中的系数除了a0、b0之外，其它的系数均为零，则微分方程就变成简单的代数方程， 即 a0y(t)=b0 x(t) 通常将该代数方程写成 y(t)=kx(t) 式中，k=b0/a0为传感器的静态灵敏度或放大系数。第1章 绪论 零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其输出在时间上也无任何滞后， 所以零阶系统又称为比例系统。 在工程应用中，电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器及利用静态式压力传感器测量液位均可看作零阶系统。 第1章 绪论 2） 一阶系统 若在方程式（2-8）中的系数除了a0、a1与b0之外，其它的系数均为零，则

13、微分方程为 上式通常改写成为 第1章 绪论 式中：传感器的时间常数，=a1/a0； k传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0。 时间常数具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小， 静态灵敏度则说明其静态特性。用方程式（2-10）描述其动态特性的传感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。 如前面提到的不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器等均可看作为一阶系统。 第1章 绪论二阶系统的微分方程通常改写为 式中：k传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0； 传感器的阻尼系数， n传感器的固有频率， 第1章 绪论 根据二阶微分方程特征方程根的性质不同， 二阶系统又可分为： 二阶惯

14、性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根， 它相当于两个一阶系统串联。 二阶振荡系统：其特点是特征方程的根为一对带负实部的共轭复根。 带有套管的热电偶、 电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路等均可看作为二阶系统。 第1章 绪论传感器的动态响应特性 传感器的动态特性不仅与传感器的“固有因素”有关，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，同一个传感器在不同形式的输入信号作用下， 输出量的变化是不同的， 通常选用几种典型的输入信号作为标准输入信号， 研究传感器的响应特性。 1） 瞬态响应特性 传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析， 这种

15、分析方法称为时域分析法。传感器在进行时域分析时，用得比较多的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号，传感器的输出瞬态响应分别称为阶跃响应和脉冲响应。 第1章 绪论 (1) 一阶传感器的单位阶跃响应 一阶传感器的微分方程为 设传感器的静态灵敏度k=1， 写出它的传递函数为 对初始状态为零的传感器，若输入一个单位阶跃信号，即 t0 t0 第1章 绪论输入信号x(t)的拉氏变换为 一阶传感器的单位阶跃响应拉氏变换式为 对式(2-13)进行拉氏反变换， 可得一阶传感器的单位阶跃响应信号为 第1章 绪论 相应的响应曲线如图2-8所示。由图可见，传感器存在惯性， 它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指

16、数规律上升， 最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但通常认为t=（34）时，如当t=4时其输出就可达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。所以， 一阶传感器的时间常数越小，响应越快，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，即动态误差小。因此，值是一阶传感器重要的性能参数。 第1章 绪论一阶传感器单位阶跃响应 第1章 绪论(2） 二阶传感器的单位阶跃响应 设传感器的静态灵敏度k=1，其二阶传感器的传递函数为 传感器输出的拉氏变换为 第1章 绪论二阶传感器单位阶跃响应 第1章 绪论 上图二阶传感器的单位阶跃响应曲线，二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有角

17、频率n。 =0时，特征根为一对虚根，阶跃响应是一个等幅振荡过程， 这种等幅振荡状态又称为无阻尼状态；1时， 特征根为两个不同的负实根， 阶跃响应是一个不振荡的衰减过程， 这种状态又称为过阻尼状态；=1 时，特征根为两个相同的负实根，阶跃响应也是一个不振荡的衰减过程，但是它是一个由不振荡衰减到振荡衰减的临界过程，故又称为临界阻尼状态；01时， 特征根为一对共轭复根，阶跃响应是一个衰减振荡过程，在这一过程中值不同，衰减快慢也不同，这种衰减振荡状态又称为欠阻尼状态。 第1章 绪论 阻尼比直接影响超调量和振荡次数，为了获得满意的瞬态响应特性，实际使用中常按稍欠阻尼调整，对于二阶传感器取=0.60.7之

18、间，则最大超调量不超过10%，趋于稳态的调整时间也最短，约为（34）/()。固有频率n由传感器的结构参数决定，固有频率n也即等幅振荡的频率，n越高，传感器的响应也越快。 第1章 绪论(3） 传感器的时域动态性能指标 时域动态性能指标叙述如下： 时间常数：一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间,称为时间常数。 延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。 上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。 峰值时间tp： 二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。 超调量： 二阶传感器输出超过稳态值的最大值。 衰减比d：衰减振荡的二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第

19、二个峰值之比。 第1章 绪论一阶传感器的时域动态性能指标 第1章 绪论二阶传感器的时域动态性能指标 第1章 绪论 2） 频率响应特性 传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。一个传感器输入端有正弦信号作用时，其输出响应仍然是同频率的正弦信号， 只是与输入端正弦信号的幅值和相位不同。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值比和两者相位差的变化。 (1） 一阶传感器的频率响应 将一阶传感器传递函数式（2-12）中的s用j代替后，即可得如下的频率特性表达式： 第1章 绪论幅频特性: 相频特性： 第1章 绪论 从式（2-18）、（2-19）和图2-12可看

20、出，时间常数越小， 频率响应特性越好。当1时， A（）1，（）0， 表明传感器输出与输入成线性关系，且相位差也很小， 输出y(t)比较真实地反映了输入x(t)的变化规律。因此减小可改善传感器的频率特性。除了用时间常数表示一阶传感器的动态特性外， 在频率响应中也用截止频率来描述传感器的动态特性。所谓截止频率，是指幅值比下降到零频率幅值比的 倍时所对应的频率，截止频率反映传感器的响应速度，截止频率越高，传感器的响应越快。 对一阶传感器, 其截止频率为1/。第1章 绪论一阶传感器频率响应特性 (a) 幅频特性； (b) 相频特性 第1章 绪论 (2） 二阶传感器的频率响应 由二阶传感器的传递函数式（

21、2-15）可写出二阶传感器的频率特性表达式， 即 其幅频特性、 相频特性分别为 第1章 绪论 相位角负值表示相位滞后。由式（2-21）及式（2-22）可画出二阶传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线，如图2-13所示。 第1章 绪论二阶传感器频率响应特性曲线(a) 幅频特性； (b) 相频特性 第1章 绪论 从式（2-21）、（2-22）和图2-13可见，传感器的频率响应特性好坏主要取决于传感器的固有频率n和阻尼比。 当时，A（）1，（）很小， 此时，传感器的输出y(t)再现了输入x(t)的波形，通常固有频率n至少应为被测信号频率的（35）倍， 即n（35）。 为了减小动态误差和扩大频率响应范围，

22、一般是提高传感器固有频率n， 而固有频率n与传感器运动部件质量m和弹性敏感元件的刚度k有关， 即n =（k/m）1/2。 增大刚度k和减小质量m都可提高固有频率，但刚度k增加，会使传感器灵敏度降低。 所以在实际中，应综合各种因素来确定传感器的各个特征参数。 第1章 绪论 (3） 频率响应特性指标 频率响应特性指标叙述如下： 通频带0.707： 传感器在对数幅频特性曲线上幅值衰减3 dB时所对应的频率范围，如图2-14所示。 工作频带0.95（或0.90）：当传感器的幅值误差为5%（或10%）时其增益保持在一定值内的频率范围。 时间常数： 用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽。

23、固有频率n： 二阶传感器的固有频率n表征其动态特性。 相位误差：在工作频带范围内，传感器的实际输出与所希望的无失真输出间的相位差值，即为相位误差。 跟随角0.707: 当=0.707时，对应于相频特性上的相角， 即为跟随角。 第1章 绪论传感器的频域动态性能指标第1章 绪论1. 动态误差在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为动态误差。 1.4.2 动态特性 热电偶测温过程测试曲线动态误差TtTT0tt0例：用一只热电偶测量某一容器的液体温度T，若环境温度为T0，把置于环境温度之中的热电偶立即放入容器中（若TT0)。第1章 绪论第1章 绪论1.5 传感器的应用与发展信息处理电信电话科技测

24、试设备控制交通控制输电系统机床机器人家用电器照相机汽车飞机船舶气象海洋环境污染医疗防火光能利用热能利用土木建筑农林机械能利用货币金融食品11155110103473659816127783431 3147111707693612621242014需要量第1章 绪论1.5 传感器的应用与发展液位传感器光电传感器位置传感器食用油的自动化生产线第1章 绪论1.5 传感器的应用与发展（a） 雷达波探测器 （b） 视频探测器 （c） 音频探测器 （d） 红外热成像生命探测仪 生命探测设备 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、

25、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

26、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温湿度传感器温度传感器鼠标: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

27、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。”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

28、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。 小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者”，511，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。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

29、分析传感器热/光电量6、传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上速度、加速度、飞行距离测量周围环境、内部设备监控、本身状态陀螺仪、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。 NOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 烟尘浊度测量8、传感器与遥感技术飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微