《传感器技术与应用》课件-项目1：传感器基础

传感器技术与应用1.1传感器的定义与作用1.什么是传感器在我们现代生活中，使用着各种各样的传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器;抽油烟机中的煤气泄漏传感器;电视机和影碟机中的红外遥控器;照相机中的光传感器;汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器不仅给我们的生活带来许多便利和帮助，也为人类的社会文明提供更多更科学的物质条件。电视机遥控器空调、电冰箱麦克风电子秤视频手机数码相机1.什么是传感器感知外界信息→大脑→肢体人体系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理后传递给肢体。1.什么是传感器如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器又是人体感官的延长，有人又称传感器为“电五官”，作为替代补充人的感觉器官功能，传感器为我们人类客观的、定量的认识世界起到重要作用。传感器外界信息感官大脑肌体计算机执行机构1.什么是传感器对于各种各样的被测量，有着各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例:超声波检测零件

超声波传感器

检测车身位置超声波测距1.什么是传感器2.传感器的定义广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。

广义传感器国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/Transducer）定义是：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和装置。输入匹配转换放大⊗输入匹配信号检出器件信号处理器件2.传感器的定义定义表明传感器有以下含义：它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系；按使用的场合不同传感器又称为:

变换器、变送器、换能器、探测器检测装置传感器输入输出电信号被测量3.传感器的作用世界已经进入信息时代构成现代信息技术的三大支柱是：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）；它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。我们在利用信息的过程中首先要获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。4.传感器技术的作用和地位传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起的作用大的多,这几乎是无可争议的事实。今天传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，除用于工业、农业、商业外，更广泛用于交通、医疗诊断、军事科研、航空航天、自动化生产、环境监测、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。目前，传感器技术已经成为构建现代信息系统的重要组成部分。不同应用领域中传感器的作用现代工业生产，尤其是自动化生产过程中，每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳状态。传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。基础学科研究，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应、超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究都需要借助高性能的传感器。所以传感器的发展，往往是一些极端技术研究和边缘学科开发的先驱。4.传感器技术的作用和地位可以毫不夸张地说：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、甚至文物保护等等极其广泛的领域。未来世界是个充满传感器的世界，还会有：4.传感器技术的作用和地位4.传感器技术的作用和地位智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、GPS卫星定位）智能化设备……越来越多。由此可见，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，世界各国十分重视这一领域的发展。问题与思考什么是传感器？按照国标定义，传感器应该如何说明含义？请列举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用，如果没有传感器，会出现哪种状况？请预习传感器的组成与分类。传感器技术与应用1.2传感器的发展组成与分类1.传感器现状和国内外发展趋势20世纪70年代以来主要以电量为输出的传感器得到飞速发展，几十年来传感技术的发展分为两个方面：传感器发展趋势传感器的历史远比近代科学来得古老：如‘天平’古代埃及就开始使用；16世纪前后已经实现利用液体热膨胀进行温度测量；瓦特发明的离心调速器就是将旋转速度变为位移的传感器。1.寻找新原理、新材料、新工艺。2.为改善传感器性能采用多种技术途径：差动技术；平均技术；补偿修正技术；隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。目前传感器总的发展趋势是：（1）发现、利用新的效应（磁光、压阻）；（2）开发新材料（光纤、PVC、稀土）；（3）提高传感器性能和检测范围；（4）微型化与微功耗（微米、微安、毫克）；（5）集成化与多功能化；（6）传感器智能化（自校、自诊断、自补偿、存储、数字输出）；（7）传感器的数字化和网络化。1.传感器现状和国内外发展趋势传感器的数字化和网络化结构

现场数据就近登陆，通过Internet网与用户之间异地交换数据远程控制等。模拟传感器放大电路A/D转换线性化处理微处理器标准接口脉冲输出控制门显示计算机InternetICP/IPRS232、422、485、USB1.传感器现状和国内外发展趋势传感器的数字化和网络化物联网（TheInternetofThings)物联网的概念是在1999年提出的。物联网就是“物物相连的互联网”。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、激光扫描器等装置按约定的协议与互联网结合起来，形成一个巨大的网络,进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；

第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。1.传感器现状和国内外发展趋势RS232、422、485、USB传感器的数字化和网络化1.传感器现状和国内外发展趋势传感器的数字化和网络化1、要有相应信息的接收器——传感器；2、要有数据发送；3、要有数据传输通路——有线、无线；4、要有CPU；5、要有操作系统；6、要有一定的存储功能；7、要有专门的应用程序；8、遵循物联网的通信协议；9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：1.传感器现状和国内外发展趋势敏感元件感受被测量;转换元件将响应的被测量转换成电参量（电阻、电容、电感）;基本电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理。传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：敏感元件转换元件基本电路电量输出被测量2.传感器的组成1）

按传感器检测的范畴分类传感器分类方法较多,大体有以下几种：２）按传感器的输出信号分类

3.传感器的分类

物理量传感器1

化学量传感器2

生物量传感器3

模拟传感器1

数字传感器2３）按传感器的结构分类４）按传感器的功能分类3.传感器的分类

结构型传感器1

物性型传感器2

复合型传感器3

单功能传感器1

多功能传感器2

智能传感器3５）按传感器的转换原理分类6）按传感器的能源分类3.传感器的分类

结构型传感器1

物性型传感器2

复合型传感器3

物性型传感器2

复合型传感器3

有源传感器1

无源传感器2国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：

物理量、化学量、生物类传感器三大门类；含12个小类：

力学量、热学量、光学量、磁学量、电学量、声学量、

射线、气体、离子、温度传感器以及生化量、生理量传感器。

各小类按两个层次又分若干品种3.传感器的分类问题与思考思考传感器如何分类？按照传感器检测的范畴可分为哪几种？传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。什么是物联网？它与现代传感器有什么关系？请预习传感器的基本特性。传感器技术与应用1.2传感器的特性TRANSDUCER课

程

内

容CourseContents1.1传感器特性分类1.2传感器静态特性1.3传感器动态特性用于各种衡器1.2传感器的特性1.1传感器特性说明器当输入量为常量，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。传感器特性主要是指输出与输入之间的关系：用于各种衡器1.1传感器特性说明器

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。1.2传感器的特性用于各种衡器1.2传感器静态特性

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+…+anxn1.2传感器的特性用于各种衡器1.2传感器静态特性各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。

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。理想情况下，y=a0+a1x1.2传感器的特性用于各种衡器1.2传感器静态特性

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。（1）测量范围(measuringrange)

传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。（2）量程(span)测量范围与量程1.2传感器的特性用于各种衡器1.2传感器静态特性

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。线性度1.2传感器的特性用于各种衡器1.2传感器静态特性

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/Δx灵敏度1.2传感器的特性用于各种衡器1.2传感器静态特性

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1.2传感器的特性用于各种衡器1.2传感器静态特性

迟

滞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。0yx⊿HmaxyFS迟滞特性1.2传感器的特性用于各种衡器1.2传感器静态特性重复性yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。

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1.2传感器的特性1.2传感器静态特性

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。分辨力与阈值1.2传感器的特性1.2传感器静态特性

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。稳定性静态误差

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传感器的特性1.2传感器静态特性精确度精密度精确度(精度)准确度与精确度有关指标：1.2传感器的特性1.2传感器静态特性精密度：

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。1.2传感器的特性1.2传感器静态特性准确度：

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传感器的特性1.2传感器静态特性

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。

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。1.2传感器的特性1.3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。1.2传感器的特性标准输入有三种：1.3传感器动态特性正弦变化的输入1阶跃变化的输入2

线性输入31.2传感器的特性传感器技术与应用

1.3传感器应用案例TRANSDUCER课

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容CourseContents1.智能穿戴传感器2.机器人传感器3.汽车传感器4.工业传感器用于各种衡器1.3传感器应用案例1.智能穿戴传感器

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；01生物型传感器：主要用于医疗电子设备；生物型传感器：主要用于医疗电子设备；

陀螺仪、加速度计、压力传感器和磁力计等；02运动型传感器：主要用