传感器技术-项目化教学-1

传感器技术及应用电路

项目化教学课程地位和作用

课程简介一、传感器技术概述传感器技术简介

“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。

传感器技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。

在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。传感器技术简介一、传感器技术概述一、传感器技术概述传感器技术简介

传感器——感觉，感知；传送（Sensor、Transducer）人体系统：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：机器系统中，传感器是各种机械和电子设备的感觉器官。感知光、色、温度、压力、声音、湿度、气味及辐射等。传感器技术简介一、传感器技术概述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人机系统的机能对应关系“机电五官”传感器有些性能超过人的感官：（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

例如：温度传感器：-196℃~1800℃

压力传感器：0.01~10000kPa

精度：0.1%~0.01%

可靠度：8~9级一、传感器技术概述传感器技术简介传感器技术简介二、传感器技术的作用和地位

现代信息技术的三大支柱之一

传感器技术（信息采集）通信技术（信息传输）计算机技术（信息处理）

在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。

现代测量与自动控制的首要环节传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官”。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。传感器技术简介二、传感器技术的作用和地位

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。

日本：传感器技术列为计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器等六大核心技术之一。在21世纪技术预测中将传感器列为首位。

美国：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。

欧洲：传感器技术作为优先发展的重点技术。

中国：在国家重点科技项目中，传感器也列在重要位置。传感器技术简介二、传感器技术的作用和地位

传感器技术的应用遍及各个领域传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等极其广泛的领域。毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。传感器技术简介二、传感器技术的作用和地位4D彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑（美联社图片）传感器技术简介三、传感器技术的应用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需要量传感器技术的应用领域传感器技术简介三、传感器技术的应用

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。造纸木材烘干烟草加工芯片生产化工纺织传感器技术简介三、传感器技术的应用

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。传感器技术简介三、传感器技术的应用

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。隧道凿岩机器人汽车焊装生产线传感器技术简介三、传感器技术的应用

传感器在机器人上的应用

智能机器人：判断能力。视觉传感器、触觉传感器。用于水下探测的机器人用于家庭服务的机器人传感器技术简介三、传感器技术的应用

传感器在机器人上的应用

智能机器人：埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘。

法老咒语：“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”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”机器人

5×1×1，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。传感器技术简介三、传感器技术的应用

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。传感器技术简介三、传感器技术的应用

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传感器技术简介三、传感器技术的应用

传感器在军事技术领域的应用“……改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为重视诸如传感器这类东西的作用。”“信息时代的军事革命”——美国参联会副主席欧文斯上将特种武器观察、侦察、探测传感器技术简介三、传感器技术的应用

传感器在医疗及人体医学上的应用医用传感器：人体内部温度、血液、呼吸流量、肿瘤、心音、腔内压力、心脑电波。

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：陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器。周围环境、内部设备监控、本身状态。传感器技术简介三、传感器技术的应用

传感器技术的应用遍及各个领域传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等极其广泛的领域。毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。所谓传感器是来自“感觉”一词

传感器技术属现代高新技术（电五官）

根据GB7665-87，【传感器】（Transducer／Sensor）的定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使用1、传感器定义§1-1

传感器的作用与功能什么是传感器？ppp压力→膜盒位移→杠杆位移→电刷位移→电位器电压如何获取信息？输入输出实现测量的过程：利用输入输出的关系，由输出电压解算出输入(被测量)什么是传感器？ppp如何获取信息？敏感元件（Sensingelement）直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。转换元件（Transductionelement）能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。2、传感器的组成§1-1

传感器的作用与功能图1.1传感器组成方块图表1.2传感器的分类

30

传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。2传感器的一般特性31

2.1传感器的静态特性传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。通常，要求传感器在静态情况下的输出—输入关系保持线性。实际上，其输出量和输入量之间的关系（不考虑迟滞及蠕变效应）可由下列方程式确定。

（2-1-1）

2传感器的一般特性32

式中—输出量；

—输入量；

—零位输出；

—传感器的灵敏度，常用K表示；

—非线性项待定常数。由(2-1-1)式可见，如果，表示静态特性通过原点。此时静态特性是由线性项（）和非线性项叠加而成，一般可分为以下4种典型情况。

2传感器的一般特性33(1)理想线性〔图1-1(a)〕(2-1-2)(2)具有X奇次阶项的非线性〔图1-1(b)〕(2-1-3)(3)具有X偶次阶项的非线性〔图1-1(c)〕(2-1-4)(4)具有X奇、偶次阶项的非线性〔图1-1(d)〕

(2-1-5)

图2-1-1传感器的4种典型静态特征2传感器的一般特性34

传感器的静态特性是在静态标准条件下测定的。在标准工作状态下，利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，即可得到输出—输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被测量值(正行程和反行程)对应输出平均值的连线，即为传感器的静态校准曲线。传感器静态特性的主要指标有以下几点。2传感器的一般特性35图2-1-2传感器的线性度

(1)线性度(非线性误差)

在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(F·S)输出值的百分比称为线性度(见图2-1-6)。用代表线性度，则

(2-1-6)

式中—校准曲线与拟合直线间的最大偏差；

—传感器满量程输出，。2传感器的一般特性36

由此可知，非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而，基准直线不同，所得线性度也不同，见图2-1-3。图2-1-3 基准直线的不同拟合方法2传感器的一般特性37

应当指出，对同一传感器，在相同条件下进行校准试验时得出的非线性误差不会完全一样。因而不能笼统地说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。目前国内外关于拟合直线的计算方法不尽相同，下面仅介绍两种常用的拟合基准直线方法。2传感器的一般特性381)端基法把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成的直线作为传感器特性的拟合直线(见图2-1-4)。其方程式为

(2-1-7)

式中Y—输出量；

X—输入量；

a0—Y轴上截距；

K—直线a0b0的斜率。图2-1-4端基线性度拟合直线2传感器的一般特性39

由此得到端基法拟合直线方程，按(2-1-6)式可算出端基线性度。这种拟合方法简单直观，但是未考虑所有校准点数据的分布，拟合精度较低，一般用在特性曲线非线性度较小的情况。2传感器的一般特性402)最小二乘法用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度最高。其计算方法如下。令拟合直线方程为Y=a0+KX。假定实际校准点有n个，在n个校准数据中，任一个校准数据Yi与拟合直线上对应的理想值a0+KXi间线差为

(2-1-8)2传感器的一般特性41

最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使为最小值，亦即