模块一认识传感器

传感器技术机电系徐艳、王倢婷课程内容模块一认识传感器模块二力的测量模块三速度与位置的测量模块五液位的测量模块六温度的测量模块四位移的测量模块七化学物质的测量

模块一认识传感器

传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。11/23/2022311/23/20224

模块一认识传感器

课题一传感器的认识课题二传感器的技术指标11/23/20225[任务导入]

在现代化的大都市中，高楼大厦鳞次栉比，大厦里看似舒适的环境，却因空调系统的通风管道清洁不便致使室内空气污浊，影响人们的身体健康。在狭小的空间里，要完成清扫工作是件不容易的事。

瑞典某公司设计的通风管道清洗机器人专门用于清洁及维护大厦中央空调系统的通风管道。

课题一传感器的认识11/23/2022611/23/20227

管道清洗机器人是由坦克状的车、各种传感器、显示器、录像机、控制箱及操控杆组成。

工作人员可以根据机器人感受到的外部信息用操控杆控制机器人前进、倒退、转弯，清扫通风管道。

机器人之所以能感受到外界环境的各种信息，正是因为在机器人的各部位安装了相应的传感器来感觉环境信息。那么什么是传感器？它能够起什么作用？本课题任务就是认识传感器，了解传感器在人们生活以及自动化生产中的作用。11/23/20228◆知识点¤了解传感器的作用与分类¤学习传感器的组成和适用场所◆技能点¤掌握传感器的组成与使用11/23/20229[相关知识]一、传感器的认识

力传感器流量传感器视觉传感器

位移传感器压力传感器1011传感器——感觉，感知（Sensor、Transducer）人类有五大感觉器官，即眼、耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感觉器官感知外界信息。机器系统中，传感器是各种机械和电子设备的感觉器官。能感知光、色、温度、压力、声音、湿度、气味及辐射等。12人机系统的机能对应关系外界信息感官人脑肢体人体系统传感器计算机执行器机器系统Sensor、Transducer“机电五官”13性能凌驾于人的感官之上：（1）测量人体无法感知的量（3）测量范围宽、精确高、可靠性好（2）恶劣环境下工作

温度传感器：-196℃~1800℃

压力传感器：0.01psi~10000psi

精度：0.1%~0.01%

可靠度：8~9级11/23/202214

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的非电量信息，如温度、压力、流量、位移等，并将检测到的信息，按一定规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出，用以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录或控制等要求。

传感器是自动化系统和机器人技术中的关键部件，它是实现自动检测的首要环节，为自动控制提供控制依据。传感器在机械电子、测量、控制、计量等领域应用广泛。二、传感器的定义及组成

电量一般是指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；

非电量则是指除电量之外的一些参数，如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等等。在众多的实际测量中，大多数是对非电量的测量。11/23/202215

11/23/202216国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”

广义地说，传感器就是一种能把物理量或化学量转换成便于测量、便于利用的电信号的器件，可以用下图所示的框图简单表示。11/23/202217

传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路组成。敏感元件直接与被测量接触，转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量（如压力转化成位移、流量转化成速度）；传感元件再将这一非电量转换成电参量（如电阻、电容、电感）。

传感元件输出的信号幅度很小，而且混杂有干扰信号和噪声，转换电路能够起到滤波、线性化、放大作用，转化成易于测量、处理的电信号，如电压、电流、频率等。11/23/202218应该指出，不是所有传感器都有敏感和传感元件之分，有些传感器的敏感元件可以直接将非电量转化成电参量的变化。

比如铂电阻式温度传感器：当所测温度变化时，其敏感元件的电阻值变化，经测量电路直接转化成电压信号或电流信号。

也不是所有传感器都包含测量电路，有些传感器因测量环境恶劣，测量电路不能正常工作或误差较大，这样的传感器和测量转换电路是分开的。比如温度传感器，电子元器件的工作温度最高为125℃，当所测温度较高时，温度传感器不能包含测量电路。

三、传感器的分类

目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：

１.按传感器的物理量分类，可分为温度、压力、流量、速度、位移、力等传感器。

２.按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、霍尔、光电、热电偶等传感器。

３.传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“１”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。11/23/202219

四、传感器的作用

在检测和自动控制系统中，传感器的作用相当于人的五官，常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉

气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉

压敏、温敏、流体传感器——触觉自动化程度越高，系统对传感器的依赖性越大，传感器对系统功能的决定性作用越明显。11/23/202220

21信息处理电信电话科技测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111551101034736598161277834313147111707693612621242014需要量传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用。主要应用22化工产品自动生产过程1、自动检测与自动控制系统石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业设备推动力液体或气体检测压力或压强进料自动称重按比例混合反应容器内液体成品半成品在生产线上传输自动控制传输速度自动控制容器液位测定容器中的压力体积自动称重分装计数自动检测与自动控制系统在电力、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。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测262、汽车与传感器传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、汽车“黑匣子”环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置273、传感器在机器人上的应用单能机器人：生产用的自动机械式（加工、组装、检验）

检测臂的位置和角度传感器红旗轿车焊装生产线隧道凿岩机器人4、传感器在机器人上的应用机械手、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。密歇根大学的机械手装配模型机器人服务员AGV自动送货车香港理工AGV模型32智能机器人：判断能力视觉传感器、触觉传感器足球机器人迎宾机器人335、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366、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、家庭影院家庭自动化蓝图：37

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。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”，5×1×1，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。7、传感器与航空及航天飞行器：控制在预定轨道上陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器航天8、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。40传感器与环境保护环境监测仪器41温湿度、露点探头、CO2探头、大气压力传感器湿度传感器湿度传感器烟尘浊度测量9、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、微波船舶：超声波传感器微波红外接收传感器红外线分布差异矿藏埋藏地区地面44地位及发展状况

传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”，如果没有传感器对原始信息进行精确、可靠的捕获和转换，一切测量和控制都是不可能实现的。1、现代测量与自动控制的首要环节2、衡量国家综合实力的重要标志

传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产水平高低的重要依据。453、现代信息产业的三大支柱

通讯技术、计算机技术、传感器技术既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。464、各国政府高度重视

日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪技术预测中将传感器列为首位。

美国白宫将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。

西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术。

我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。发展方向新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究2、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命1、努力实现传感器的新特性检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、互换性好3、提高集成化和功能化程度信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构传感器功能和信息处理功能一体化484、微型化微机电系统MEMS（Microelectro-mechanicalSystem）微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、悬臂梁、光学镜片——执行机构——借助集成电路的制造技术来制造机械装置495、新型功能材料的开发各种新型传感器孕育在新材料之中半导体材料和新工艺的发展：半导体传感器压电半导体材料发展：压电集成传感器高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器11/23/202250课题二传感器的技术指标[任务导入]

要实时监测一个高温箱的温度：测量温度大约为50～80℃，检测结果的精度要达到1度。

现有三种带数字显示表的温度传感器，它们的量程分别是0～500℃、0～300℃、0～100℃，精度等级分别是0.2级、0.5级和1.0级，为了满足需要，你应该怎样选择呢？判别传感器好坏的标准是什么？

本课题任务就是通过学习传感器的各项技术指标的含义，了解传感器的判别标准。11/23/202251◆知识点¤了解传感器的判别标准¤学习传感器各项技术指标的含义◆技能点¤掌握传感器的误差计算与一般选用11/23/202252[相关知识]一、测量误差与仪表等级在实际测量过程中，由于测量仪器的精度限制，测量原理和方法不完善，或测量者感官能力的限制，测量的结果不可能绝对精确，总会产生误差。

误差是测量值与真实值之差。分为绝对误差和相对误差。11/23/202253

1．绝对误差△绝对误差反映测量值偏离真值的大小：△＝Ax-A0

式中Ax：测量值；A0：理论真值。绝对误差△和测量值Ax具有相同的单位。用绝对误差无法比较不同测量结果的可靠程度。

2．相对误差γ

人们用测量值的绝对误差与测量值之比来评价，称它为相对误差，并可化成百分比，也叫百分误差。相对误差γ由下式计算：式中Ax：测量值；A0：理论真值绝对误差是有单位的，和被测量具有相同的量纲。用绝对误差无法比较不同的量程、不同测量结果的误差，多数场合评价仪表精度都用相对误差。

例如：用天平测得两个物体的重量分别是100.0克和1.0克，两次测量的绝对误差都是0.1克，从绝对误差来看，对两次测量的评价是相同的，但是前者的相对误差为0．1%，后者则为10%，后者的相对误差是前者的一百倍。所以，只有用相对误差才能够表达仪表测量结果的可靠程度，即误差。3．仪表的准确度S在正常的使用条件下，仪表测量结果的准确程度叫仪表的准确度。

式中Δm：最大绝对误差；Am：仪表的满量程准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。我国模拟量工业仪表等级分为七个等级：仪表等级0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0，基本误差±0.1％±0.2％、±0.5％、±1.0％、±1.5％、±2.5％、±5.0％仪表准确度习惯上称为精度，准确度等级习惯上称为精度等级。应该指出，误差与错误不能相提并论：误差不可能避免，而错误则可以避免。二、传感器的技术指标

1．传感器的静态技术指标传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化时，传感器的输入与输出之间所对应的关系。表征传感器静态特征的技术指标主要有：线性度、迟滞、重复性、灵敏度和分辨力等。（1）传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出—输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

例如，某温度传感器，在温度变化1℃时，输出电压变化为20mV，则其灵敏度应表示为20mV/℃。由多个环节组成的检测系统其灵敏度等于各环节的灵敏度之积。（2）传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量最小变化的能力。也就是说，如果输入量小于分辨力时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力是不相同的。在选用传感器时应特别关注该项指标，特别是在要求测量精度较高的时候，传感器的精度虽然较高，但如果分辨力低，仍不能满足测量要求。

（3）传感器的线性度δL

人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系，而且最好呈线性关系，便于仪表显示。但一般情况下，受外界环境的各种影响，传感器输入输出不会完全符合线性关系。线性度（非线性误差）就表示传感器的输入—输出特性近似于一条直线的程度，计算公式如下：

式中ΔLmax—实际测量曲线与理论直线（拟和直线）间的最大差值；

Ymax-Ymin—传感器最大输出范围,也就是理论满程量。

1—拟合直线2—实际特性曲线理论直线（拟合直线）的获得方法有多种。如将传感器特性曲线的零点和满量程点相连所成的直线作为的理论直线；或用最小二乘法拟合直线作为理论直线。

（4）传感器的迟滞δH

传感器正行程（输入量增大）和反行程（输入量减小）的输入-输出特性曲线不能完全重合。迟滞是指传感器在相同工作条件下全测量范围校准时，正、反行程校准曲线间的最大差值，在数值上用此最大差值对满量程输出的百分比来表示，计算公式如下：式中ΔHmax—正、反行程校准曲线间的最大差值。迟滞会引起传感器的分辨力变差，或造成测量盲区。

1—正向特性2—反向特性（5）重复性δR

重复性是指传感器在相同的工作条件下，输入按同一方向作全测量范围连续变动多次时（一般为3次），特性曲线的不一致性。在数值上用各校准点上正、反行程的平均值与测量数据的最大差值对满量程输出的百分比值来表示，计算公式如下：

式中ΔRmax—正、反行程校准点测量平均值与测量数据间的最大差值。传感器的静态测量精度包含线性度、迟滞、重复性。（6）零点漂移

传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点飘移，用百分比表示：

其中，Δy0为最大零点偏差（或相应偏差）。

（7）稳定性：传感器的稳定性一般是指长期稳定性

时间稳定性包括：温度稳定性零点漂移灵敏度漂移

稳定性是指传感检测系统在长时间工作的状态下，由于外界各种干扰对系统产生的影响，使得输出量发生与输入无关的变化，有时称为长时间工作稳定性。产生的原因：

温度、压力、湿度、电源电压等环境参数的缓慢变化，或者系统本身性能的不稳定。预防措施：A、在恒温、恒压、恒湿、恒定电压的条件下工作；B、采用预热，预先放置一段时间等措施，使系统温度接近室温，趋于稳定，减小漂移。2．传感器的动态指标

动态特性，是指传感器在输入随时间变化时，它的输出的特性。主要考虑两项指标：动态响应时间和频率响应范围。传感器的响应动态信号时总有一定的延迟，即动态响应时间。在测量时总希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应范围是指传感器能够保持输出信号不失真的频率范围。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽。传感器的频率响应范围主要受传感器结构特性的影响，固有频率低的传感器，其频率响应也较低。在校验传感器的动态特性时，常用一些标准输入信号的响应来表示，如阶跃信号、正弦信号，即可求得动态响应时间和频率响应范围。三、传感器的一般选择原则

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在组成测量系统时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。如何选择合适的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件具体分