传感器应用技术 课件 项目1 传感器认知与测量系统搭建

《传感器应用技术》课程Sensordefinitionandfunction传感器定义与作用Sensorsapplicationtechnology1.1

传感器认知1.2

传感器定义1.3

传感器作用1.4传感器应用课程内容CourseContents1.1

传感器认知1.2传感器定义1.3传感器作用1.4传感器应用课程内容CourseContents1.1

传感器认知气敏传感器温湿度传感器力敏传感器超声波传感器热电偶1.1传感器认知1.2传感器定义1.3传感器作用1.4传感器应用课程内容CourseContents1.2

传感器定义一.定义

在国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。①传感器是检测器件或测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、

光、电量，主要是电量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。*传感器又称为变换器、换能器、探测器、检知器等1.2

传感器定义

传感器的狭义定义：将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。传感器来自外界的信号电信号1.1传感器认知1.2传感器定义1.3

传感器作用1.4传感器应用课程内容CourseContents91.3传感器作用用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。传感器是获取自然领域中信息主要途径与手段1.1传感器认知1.2传感器定义1.3传感器作用1.4

传感器应用课程内容CourseContents1.4

传感器应用1.1

传感器应用电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Sensorcompositionandclassification传感器组成与分类Sensorsapplicationtechnology1.1

传感器组成1.2

传感器分类1.3

传感器特点课程内容CourseContents1.1

传感器组成1.2传感器分类1.3传感器特点课程内容CourseContents1.1

传感器组成被测量敏感元件转换元件测量电路电量辅助电源敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

如：应变式压力传感器的敏感元件是弹性膜片，其作用是将压力转

换成膜片的变形。转换元件：将敏感元件的输出转换成电路参量。如：应变式压力传感器的转换元件

是应变片，其作用是将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。测量电路：将其进一步变换成可直接利用的电信号。*不是所有传感器都由这几部分组成，最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，例如热电偶。1.1传感器组成1.2

传感器分类1.3传感器特点课程内容CourseContents1.2

传感器分类传感器种类众多，分类方法各异：按照工作基理分类物理型化学型生物型按照构成原理分类结构型物性型复合型按照能量转换分类能量控制型能量转换型模拟信号型数字信号型按照输出信号分类按照能源供给分类有源传感器无源传感器单向型双向型按照转换过成分类按照使用用途分类温度传感器压力传感器位移传感器振动传感器。。。。。1.2

传感器分类★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维

式、红外式、摄像式等；★气电式传感器：电位器式、应变式；★热电式传感器：热电偶、热电阻；★波式传感器：超声波式、微波式等；★射线式传感器：热辐射式、γ射线式；★半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。按照物理原理分类：1.1传感器组成1.2传感器分类1.3传感器特点课程内容CourseContents结构型传感器是利用传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如：电容式传感器是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。物性型传感器是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。1.3传感器特点能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。

例如:热电偶温度计,磁电式加速度计。能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。

例如:电阻应变片。1.3传感器特点电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程CharacteristicofSensor传感器的特性Sensorsapplicationtechnology1.1

传感器特性分类1.2

传感器静态特性1.3

传感器动态特性课程内容CourseContents1.1

传感器特性说明1.2传感器静态特性1.3传感器动态特性课程内容CourseContents1.1

传感器特性说明传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入间的关系称为静态特性；当输入量随时间较快地变化时，输出与输入间的关系称为动态特性。

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不能实现。1.1传感器性能指标1.2传感器静态特性1.3传感器动态特性课程内容CourseContents1.2

传感器静态特性传感器的静态特性

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，其静态特性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。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。

理想情况下，y=a0+a1x

静态特性曲线可实际测试获得。为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。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。1.2

传感器静态特性测量范围与量程（1）测量范围(measuringrange)传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。（2）量程(span)传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。1.2

传感器静态特性线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。1.2

传感器静态特性灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比，用S表示。传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入变化量Δx之比即为其静态灵敏度，其表达式为S=Δy/Δx1.2

传感器静态特性迟滞0yx⊿HmaxyFS迟滞特性传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。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。1.2

传感器静态特性重复性yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。1.2

传感器静态特性分辨力与阈值当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。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。

稳定性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。静态误差指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。1.2

传感器静态特性精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)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。准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。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。同样，准确度高不一定精密度高。1.2

传感器静态特性精确度（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。精确度也称为精度，是指精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。1.1传感器性能指标1.2传感器静态特性1.3传感器动态特性课程内容CourseContents1.3传感器动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。标准输入有三种：正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程DevelopmenttrendofSensor传感器发展趋势Sensorsapplicationtechnology1.1

传感器发展历史1.2

传感器发展过程1.3

传感器发展方向1.4传感器重点领域课程内容CourseContents1.1

传感器发展历史1.2传感器发展过程1.3传感器发展方向1.4传感器重点领域课程内容CourseContents1.1

传感器发展历史17世纪初伽利略发明温度计，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。1843年法国科学家路辛·维蒂，发明并制造了无液膜盒气压计，它用弹簧平衡代替液体来测量大气压力，弹簧在测量仪表中受压力作用而伸长。1.1

传感器发展历史我国从20世纪60年代开始传感器应用技术的研究工作。20世纪80年代日本将传感器技术列为优先发展的十大技术之首。美国学术界认为20世纪80年代已进入到传感器的时代。“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。近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人。1.1传感器发展历史1.2

传感器发展过程1.3传感器发展方向1.4传感器重点领域课程内容CourseContents1.2

传感器发展过程发展过程结构型传感器(结构参量变化)物性型传感器(材料性质变化)智能型传感器(微计算机技术)1.1传感器发展历史1.2传感器发展过程1.3

传感器发展方向1.4传感器重点领域课程内容CourseContents501.3传感器发展方向开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。开发新型传感器开发新材料

新工艺的采用集成化、多功能化微型化、低功耗、智能化511.3传感器发展方向物联网技术物联网是指“物物相连的互联网”，它是将各种信息传感器设备、如射频识别装置RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等按照约定的协议与互联网结合起来，形成一个巨大的网络，进行信息交换和通信，以实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理，实现对物品和工程的智能化感知、识别和管理。1.1传感器发展历史1.2传感器发展过程1.3传感器发展方向1.4传感器重点领域课程内容CourseContents1.4

传感器重点领域无人驾驶可穿戴式应用医护与健康监测工业控制电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Sensorapplicationcase传感器应用案例Sensorsapplicationtechnology1.1

智能穿戴传感器1.2

机器人传感器1.3

汽车传感器1.4工业传感器课程内容CourseContents1.1

智能穿戴传感器1.2机器人传感器1.3汽车传感器1.4工业传感器课程内容CourseContents1.1

智能穿戴传感器生物型传感器：主要用于医疗电子设备血糖传感器、血压传感器、心电传感器、体温传感器、脑电波传感器、肌电传感器等运动型传感器：主要用于智能手环等陀螺仪、加速度计、压力传感器和磁力计等环境传感器：主要用于环境参数监测温湿度传感器、紫外线传感器、颗粒物传感器、气体传感器、pH传感器、气压传感器等1.1智能穿戴传感器1.2机器人传感器1.3汽车传感器1.4工业传感器课程内容CourseContents1.2

机器人传感器机器人内部传感器：主要是用于检测机器人自身的工作状态速度传感器——调整机器人前进速度角度传感器——调整机器人行走角度机器人外部传感器：主要用于监测机器人外部工作环境及工作状况视觉传感器——视觉一般包括图像获取、图像处理和图像理解力觉传感器——分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器触觉传感器——包括接触觉、压觉、滑觉等三种1.1智能穿戴传感器1.2机器人传感器1.3汽车传感器1.4工业传感器课程内容CourseContents621.3汽车传感器汽车发动机控制系统：温度传感器、压力传感器、冷却水传感器、燃油温度传感器、机油温度传感器转速传感器、车速传感器、氧传感器、流量传感器等底盘控制系统：变速器控制传感器、动力转向系统传感器、防报制动系统传感器、悬架系统控制传感器等智能化辅助驾驶和无人驾驶汽车系统：摄像头、毫米波雷达、激光雷达以及红外传感器等较为重要的传感器1.1智能穿戴传感器1.2机器人传感器1.3汽车传感器1.4工业传感器课程内容CourseContents1.4

工业传感器

温度传感器：热电偶、热电阻、红外测温仪等压力传感器：压力传感器、电容传感器、应变传感器等流量传感器：电容传感器、流量孔板等液位传感器：电容传感器、超声传感器等速度传感器：光电传感器、霍尔传感器等电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Principleofautodetection&controlsystem自动检测与控制系统原理Sensorsapplicationtechnology1.1

自动检测系统1.2

开环控制系统1.3

闭环控制系统课程内容CourseContents1.1

自动检测系统1.2开环控制系统1.3闭环控制系统课程内容CourseContents1.1

自动检测系统自动检测系统作用：1）将被测参数直接测量并显示出来2）用作自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况做出相应的控制决策，实施自动控制自动检测系统组成：传感器信号调理电路微处理器存储器接口电路1.1自动检测系统1.2

开环控制系统1.3闭环控制系统课程内容CourseContents1.2

开环控制系统开环控制系统特点：开环控制系统的输出量不对系统的控制产生任何的影响，输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间是单向的传输。开环控制系统组成：开环控制系统应用：机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。例如，在自动门控制系统中，其输入量为人体感应红外信号，控制器为控制电路，执行器为电动机，被控对象为自动门，输出量为门的开与关。1.2

开环控制系统开环控制系统各部分功能：

输入量——控制系统的给定量；

输出量——控制系统所要控制的量；传感器——用于检测被控的参数，将被控参量转换为电量的变化；

信号处理电路——又称变送器，作用是将检测元件送来的反映被测参量变化的电信号进行放大处理，变换为标准的电信号输出到控制单元。

控制器——将信号处理电路输出的控制信号进行功率放大，并对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件；

执行器——直接对控制对象实施控制的装置或元件，通常是指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，其功能是驱动电气或机械设备动作，以调节被控参量的变化。

被控对象——控制装置所要控制的装置或生产过程。1.1自动检测系统1.2开环控制系统1.3闭环控制系统课程内容CourseContents741.3闭环控制系统闭环控制系统组成：闭环控制系统特点：闭环控制系统闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能闭环控制系统又称为反馈控制系统751.3闭环控制系统闭环控制系统应用：锅炉汽包水位控制系统电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Measurementmethodsandeffectivenumbers测量方法与有效数字Sensorsapplicationtechnology1.1

测量与测量结果1.2

测量方法1.3

有效数字课程内容CourseContents1.1

测量与测量结果1.2测量方法1.3有效数字课程内容CourseContents1.1

测量与测量结果测量测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。测量结果测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。数值的大小可以用数字表示，也可以是曲线或者图形。无论表现形式如何，在测量结果中必须注明单位。注意：没有测量单位，测量结果是没有意义的。1.1测量与测量结果1.2

测量方法1.3有效数字课程内容CourseContents1.2

测量方法测量方法分类测量方法分为直接测量和间接测量两大类。直接测量：能直接得到被测量的数值的测量方法。1）直接比较测量法将被测量直接与已知其值的同类量进行比较，从而求得被测量。所使用的测量工具一般是直读指示式仪表，且已预先用标准量具进行了分度和校准。（如用电压表测电压，游标卡尺测长度）

2）微差测量法将被测量和与其量值只有微小差别的已知量进行比较，测出这两个量值之间的差值。

3）零位测量法通过调整一个或几个已知数值的量使之与被测量达到平衡，从而确定被测量的测量方法。1.2

测量方法间接测量先对一个或几个与被测量有确定函数关系的量进行直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格求得被测量。比如测物体的密度、测量电路中的电流等。

一般来说，间接测量法需要测量的量较多，因此测量和计算的工作量较大，引起误差的因素也较多。通常在采用直接测量很不方便，或误差较大，或缺乏直接测量仪器时，才使用间接测量。1.1测量与测量结果1.2测量方法1.3

有效数字课程内容CourseContents1.3有效数字数字分类：完全准确数字、有效数字。如1/3，π等

位数有限，如0.333，3.14159等

有效数字的构成(读取)：准确部分+一位非准确部分(误差所在位)。

(I)物体长度L估读为4.27cm或4.28cm(II)右端恰好与15cm刻度线对齐,准确数字为“15.0”，再加上估读数“0”，

则物体长度L的有效数字应记为15.00cm

估计值，一般为最小分度值的1/10的整数倍。1.3有效数字有效数字位数的特点：a.位数与仪器最小分度值有关，与被测量的大小也有关；如用最小分度值0.01mm的千分尺测量的长度读数为8.344mm，用最小分度值为0.1mm的游标卡尺来测量，其读数为8.34mm。b.位数与小数点的位置（单位）无关；如重力加速度9.80m／s2，0.00980km／s2或980cm／s2都是三位有效数字c.位数粗略反映测量的误差位数越多，测量的相对误差就越小,

如8.344mm，8.34mm的相对误差。1.3有效数字有效位数的修约：原则：五下舍，五上入，整五凑偶。拟舍的第一位数字为5，其后无数字或皆为0

保留末位为奇数,加1，保留末位为偶数,不变

如保留四位有效数字:3.14159—>2.71729—>4.51050—>3.21550—>6.37850l—>7.691499—>3.1422.7174.5103.2166.3797.691电子信息工程技术专业教学资源库THANKYOU课程组:梁长垠、宋荣、苏全、韩君、张胜宇、贾方亮、梁召峰、晏凯《传感器应用技术》课程Errorclassificationandprocessingmethod误差分类与处理方法Sensorsapplicationtechnology1.1

误差概念1.2误差分类1.3误差处理课程内容CourseContents1.1

误差概念1.2误差分类1.3误差处理课程内容CourseContents1.1

误差概念误差概念真值：任何一个量的绝对准确值。约定真值：与真值的差可以忽略而可以代替真值的值。误差：用测量仪表对被测量进行测量时，测量的结果与被测量的约定

真值之间的差。1.1误差概念1.2误差分类1.3误差处理课程内容CourseContents1.2

误差分类通常，误差分类方法有两种，即按照表示方法分类绝对误差相对误差引用误差按照误差性质分类随机误差系统误差粗大误差1.1误差概念1.2误差分类1.3