《农业物联网应用技术》课件-2.1 农业物联网感知技术 - 认识传感器

农业物联网应用技术任务一

认识传感器PART01任务一

认识传感器知识目标1.掌握传感器的组成部分。2.了解不同传感器的作用。3.知道传感器的分类方式。技能目标1.能区分不同的传感器。2.能指出常见传感器的应用。素质目标培养学生科学精神，增强科技自信自立。一箭22星成功发射！长征八号遥二运载火箭创我国一箭多星最高纪录2022年2月27日，由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院（以下简称“火箭院”）抓总研制的长征八号遥二运载火箭（以下简称“长八遥二火箭”）在海南文昌航天发射场点火起飞，将搭载的22颗卫星分别顺利送入预定轨道，发射任务取得圆满成功，创造了我国一箭多星发射的最高纪录。长八火箭项目办胡辉彪介绍，这次使用新构型要做到“一举多得”。一是这次任务可以检验新构型的正确性、协调性和匹配性，对开拓中型主力火箭市场具有重要意义。二是长八遥二火箭虽然一箭22星，但载荷总计只有不到2吨，“光杆”新构型的能力在3吨级，完全能够满足载荷要求。三是这次任务时间紧张，减少两个助推器，可以缓解生产、总装和测试的压力，缩短研制周期，降低研制成本。四是可以为长八火箭积累成功子样，推动型号走向成熟，为后续进入航天发射主战场打好基础，巩固长征八号在商业航天领域的主动权。“未来，人类进入太空的需求越来越大，空间的基础设施建设需求越来越大，因此改变发射场流程、缩短火箭研制周期迫在眉睫。”长八火箭总指挥肖耘说。据悉，现在长八火箭总装最快是23天，但总装后从天津厂房运到发射场，还需要进行火工品安装、单元测试等工作，周期长。如果在发射场旁就近建设总装测试厂房，把发射场测试和出厂测试合二为一，火箭总装、测试后直接就到塔架上准备发射，能够节省一系列测试、检查、转运的步骤，极大压缩火箭在发射场的周期，适应未来市场对长八火箭快速发射的需求。经过长八火箭团队的努力，目前，海南总装测试厂房已经开始施工建设，发射工位也正在论证过程中。届时，7天就能实现一次长八火箭发射，一年就可发射50发，为全面实现“三高”发展、推动航天强国建设发挥重要作用。思考：航空火箭升天的过程中哪些传感器发挥了作用?一、传感器的定义和组成二、传感器的作用三、传感器的分类四、传感器的选择原则五、传感器的应用六、传感器的校准概述人类五官的延长，联结现实世界与电子世界的纽带→“电五官”人类获取外界信息借助感觉器官逻辑电路获取外界信息借助传感器传感器是利用一定的物性法则、定理、定律、效应等把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。一、传感器的定义和组成一、传感器的定义和组成一、传感器的定义和组成传感器的组成敏感元件是传感器的重要组成部分，能敏锐地感受某种物理、化学、生物的信息并并输出为物理量信号。如热敏（见热敏电阻器）、光敏、（电）压（压）力敏、磁敏、气敏、湿敏元件。敏感元件来感知外界的信息，可以达到或超过人类感觉器官的功能。敏感元件是传感器的核心元件。

要求：灵敏度、稳定性和可靠性高。非电信号电信号一、传感器的定义和组成转换元件：将敏感元件感受或响应的物理信号转换为适于传输或测量的电信号一、传感器的定义和组成转换电路：对输出信号进行放大、滤波、运算调制等。一、传感器的定义和组成现代信息产业的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术二、传感器的作用传感器是人类感官的延伸光传感器声压传感器温度、压力传感器气敏传感器视觉听觉触觉嗅觉借助于传感器人们可以去探索那些无法用感官直接测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，从人体（CT)到自然界(海水深度、海底探测）都离不开传感器。二、传感器的作用传感器的作用：监视和控制生产过程中的各个参数获取大量人类感官无法直接获取的信息农业生产军事国防航天航空海洋探测环境保护医疗卫生……二、传感器的作用在现代工业生产的作用：自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到合格的标准、最好的质量。因此可以说，没有众多优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。二、传感器的作用在基础学科的作用：对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。二、传感器的作用（一）按被测物理量分类（基本、派生）三、传感器的分类基本被测量派生被测量位移(角位移、线位移)旋转角、偏转角、角振动、长度、厚度、磨损速度(线速度、角速度速度、流量、转速、角振动加速度(线加速度、角加速度)(角)振动、冲击、质量、转动惯量力/压力、时间/频率重量、应力、力矩、周期、统计分布温度热容、气体速度、涡流湿度水汽含量、露点为了更好地认识、选择、设计和应用传感器最直观的分类方式是按被测的物理量来分。比如，测量位移的传感器可以衍生出测量长度、厚度、磨损等参数；测量速度的传感器可以用于测量流量、转速等。（二）按传感器的工作原理分类电阻式、电容式、电感式、光栅式、超声波、激光、红外、光纤...电阻式|利用电阻值随物理量变化的特性电容式|利用电容量随介质变化的特性电感式|利用电感量随磁路变化的特性光栅式|利用光栅衍射与莫尔条纹原理超声波|利用超声波的反射与传播特性机械式|机械量转换为另一种易于测量或处理的机械量红外|利用红外辐射的热效应或光电效应光纤|利用光在光纤中的传输与调制特性电阻式传感器基本定义利用敏感元件将被测量（如位移、力、温度等）转换为电阻变化的一种传感器。工作原理基于物理量与电阻特性的对应关系，将被测物理量的变化直接转换成电阻值的变化。主要分类（按工作原理）变阻器式改变电阻丝长度

如电位器电阻应变式基于应变效应

如应变片热敏式电阻随温度变化

如热敏电阻光敏式电阻随光照变化

如光敏电阻气敏式电阻随气体浓度

如气敏电阻电阻式传感器变阻器式传感器电阻式传感器-变阻器式金属应变片电阻式传感器-应变式电阻传感器导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。金属、半导体应变片受力-按照比例关系-应变片电阻变化变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化（变极距型、变面积型、变介质型）电容式电容式液位传感器（液位计/料位计）典型应用变换原理:电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式典型应用：金属物体检测、振动与位移测量等。定义一类传感器的统称，指只含有机械的转换方式，不涉及电信号或光信号的转换。工作原理通常将一种机械量（如位移、力、压力、加速度等）转换为另一种易于测量或处理的机械量。核心元件常常以弹性体作为传感器的敏感元件，利用其物理形变来感知外界的变化。机械式红外式红外理疗利用红外线的热效应，广泛应用于工业加热、食品烘干以及医疗理疗等领域，具有高效、安全的特点。红外遥感技术通过接收物体辐射的红外线，穿透云雾进行远距离探测，常用于地质资源勘探、生态环境监测及军事侦察。红外遥控利用发射特定频率的红外线信号，实现对电视、空调等家电设备的便捷无线控制，是消费电子领域的基础技术。半导体式工作原理利用半导体材料对光、热、力、磁、湿、气体等物理量的敏感性，实现非电量到电信号的直接转变。核心特性优点：结构简单、体积小、重量轻、功耗低、响应快、易于集成。缺点：对温度变化敏感，输出信号非线性较强。主要类型热敏电阻器(PTC/NTC)光敏电阻器气敏电阻传感器半导体传感器是现代传感器的主流，凭借其优异的性能，广泛应用于消费电子、工业控制、环境监测等领域。热敏电阻器，按照温度系数分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC）正温度系数热敏电阻在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）是温度越高，电阻值越低。过流保护、电机过热保护、恒温加热。光敏电阻器，电阻值随入射光（一般指可见光）强弱而变化的敏感元件。通常入射光增强时，电阻值下降。光敏电阻器用于光强控制、光－电自动控制、光-电开关、光-电计数、光－电安全保护和烟雾报警器等方面。（相机）气敏电阻传感器气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。（三）按敏感元件与被测对象之间的能量关系三、传感器的分类能量变换型直接由被测对象输入能量使其工作，无需外部供电。将物理量直接转化为电量输出。示例：热电偶温度计、压电式加速计能量控制型从外部供给能量，并由被测量控制外部能量的变化。被测量的变化转化为电信号的调制。示例：电阻应变式传感器、电感式传感器（四）按信号变换特征分类三、传感器的分类结构型传感器依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，通常涉及几何尺寸或机械结构的改变。典型示例：电容式、电感式传感器（通过改变极板间距/面积或磁路气隙来改变电容量/电感量）。物性型传感器依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，核心在于材料特性。典型示例：水银温度计（利用水银热胀冷缩的物理特性）、光敏电阻（利用半导体光电导效应）。（五）按被测量分类分类三、传感器的分类物理量传感器力学量：压力、力、速度、加速度、流量、位移等热学量：温度、热流等光学量：可见光、红外光、图像等磁学量：磁场强度、磁通等电学量：电流、电压等声学量：声压、噪声、超声波等化学量传感器主要检测对象：•离子浓度•气体成分(O2,CO2,有害气体等)•环境湿度•酸碱度(pH值)•化学成分分析生理量传感器生物量：血压、脉搏、体温、心电、脑电、呼吸频率等人体体征参数。生化量：酶式传感器、免疫传感器、微生物型传感器等，用于检测体液成分。常用传感器详解(一)温度传感器(二)湿度传感器(三)气敏传感器(四)应变片式传感器(五)霍尔传感器(六)超声波传感器温度传感器热电偶(Thermocouple)原理：两种不同金属导体接触，产生温差电动势。优点：测温范围宽(0℃–1600℃)，适应强腐蚀等恶劣环境，无需供电。缺点：灵敏度相对较低，精度一般。热电阻(ThermalResistance)原理：利用金属或半导体的电阻值随温度变化的特性。优点：灵敏度高，测量精度高，响应速度快。缺点：测温范围较窄(0℃–150℃)，需要外部供电。热电偶实物图热电阻实物图湿度传感器湿度传感器原理：感受气体中水蒸气含量，转换为电阻或电容变化。湿度量程：感湿范围，全湿度范围用相对湿度RH表示(0-100%)应用：气象站、智能家居、工业生产等。气敏传感器气敏传感器(MQ-5)原理：利用气敏材料（如二氧化锡）与气体反应，导致电阻变化。应用：燃气泄漏检测、空气质量监测等。应变片式传感器应变片式传感器原理：基于应变效应，金属或半导体材料受力发生机械变形时，其电阻值会相应发生变化。应用：广泛用于电子秤、工业压力测量、桥梁与建筑结构的应力监测等领域。霍尔传感器霍尔传感器原理：基于霍尔效应，当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在垂直于电流和磁场的方向上形成电势差。应用：常用于无刷电机控制、转速测量、接近开关、位置检测及汽车点火系统等。超声波传感器测距原理通过发射和接收超声波，测量声波在介质中往返的时间差，结合声速计算出与障碍物的距离。计算公式距离=(声速×时间差)/2常用模块(HC-SR04)成本低廉、使用简便，广泛应用于机器人避障、倒车雷达等领域。HC-SR04模块实物超声波测距原理示意声音传感器噪声传感器话筒利用话筒将声音产生的空气波动和压力转换为波动电平信号，是最常见的声音输入设备。位移传感器（线性传感器）用于测量实物尺寸和机械位移，广泛应用于自动化生产线和精密测量中光敏电阻晚上自动开启路灯电阻值随入射光强弱变化，可用于光照检测。光敏传感器不同地区（如城市密集区、城市稀疏区、郊区、农村和平原等）以及环境因素（如温度、湿度、降水、电磁干扰等）都会对传感器的性能产生影响。例如，高温环境可能导致传感器性能下降，而潮湿环境则可能引发短路或腐蚀问题。在现代科技快速发展的背景下，如何合理地选用传感器？四、传感器的选择1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型开展具体测量工作时，首先要明确采用何种工作原理的传感器，这需要综合分析多方面因素后才能确定。即使是测量同一物理量，也存在多种原理的传感器可供选择。要判断哪类传感器更合适，需结合被测量的特点与传感器使用条件，重点考虑以下问题：量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法，有线或是非接触测量;传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受,还是自行研制。四、传感器的选择原则2.灵敏度的选择在传感器的线性工作范围内，通常希望灵敏度越高越好。因为高灵敏度能让被测量变化对应的输出信号幅值更大，更便于后续信号处理与分析。但需注意，灵敏度越高，与被测量无关的外界噪声也更容易被混入并被放大系统放大，进而影响测量精度。因此，要求传感器本身应具备较高的信噪比，尽可能减少外界干扰信号的引入。四、传感器的选择原则3.频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，理想情况下延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过大的误差。四、传感器的选择原则4.线性范围传感器的线性范围是指输出信号与输入信号成正比例关系的区间理论上，在此区间内传感器的灵敏度保持恒定。线性范围越宽，量程就越大，同时也能更好地保证测量精度。在确定传感器类型后，首先要验证其量程是否满足实际测量需求。四、传感器的选择原则5.稳定性传感器的稳定性是指其在长期使用后，性能仍能保持基本不变的能力。影响传感器长期稳定性的因素，除自身结构设计外，主要是使用环境。因此，传感器必须具备较强的环境适应能力，才能维持良好的稳定性四、传感器的选择原则5.稳定性在选型前，应充分调研使用环境，根据环境条件选择合适的传感器，或采取防护措施以降低环境干扰。传感器的稳定性有定量指标，超过使用期后，需重新标定以确认性能是否发生变化；对于长期使用且不便更换或标定的场景，应选用稳定性要求更严苛的传感器。四、传感器的选择原则6.精度精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高，这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。四、传感器的选择原则总结选择传感器主要考虑在哪测，测什么？灵敏度：不是越高越好，谨防噪声响应特性：不失真或延时越短越好线性范围：线性范围宽，量程大稳定性：长期使用后输出特性不变精确度：输出与被测量的对应程度四、传感器的选择机器人的“电五官”引言：传感器在机器人中的重要性，决定其智能程度。关键传感器类型：触觉传感器：感知接触和力度。视觉传感器：识别环境与对象。力觉传感器：精确测量受力情况。超声波传感器：测距与避障。听觉传感器：捕捉声音信息。五、传感器的应用五、传感器的应用航空领域关键作用：实时采集航天设备位置、速度、航向，监测太阳辐射。实时监测姿态、速度、高度，确保飞行安全。附加功能：监测疲劳裂纹、燃料状态、空气含氧量、温湿度。作用：实例：神舟十六号载人飞船上的传感器应用，监测航天员与舱外环境。五、传感器的应用军事领域应用：地面传感器，预警、目标搜索和监视任务。主要类型：振动、声音、磁、红外、压力、扰动传感器。特点：结构简单、便于携带、易于埋伏和伪装。水利监测传感器网络实时监测水位、水流速度等。实时动态测量与调控，避免数据缺失和误差。提升水文、气象监测效率与准确性。汽车上的传感器传感器数量：现代汽车至少需要90多只传感器。五、传感器的应用日常生活医疗保健：监测生理参数，辅助诊断。农业：智能灌溉、环境监测。家居生活：智能家居系统，温湿度控制、安防等。传感器属于检测系统中的关键部件，它们对工作环境的变化很敏感，若传感器灵敏度出现问题，则检测结果会出现误差，严重时可能引起监测不及时而引发重大事故，故传感器校准显得至关重要。误差=测量值-真值误差分类：系统误差随机误差（偶然误差）粗大误差（粗差）六、传感器的校准系统误差在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。一般是分析过程中某些固定原因引起的误差，具有重复性、单向性、可测性。即在相同的条件下，重复测定时会重复出现，使测定结果系统性偏高或偏低，其数值大小也

有一定的规律。例如，测定的结果虽然精密度不错，但由于系统误差的存在，测定数据的平均值显著偏离其真值。如果能找出产生误差的原因，并设法测定其大小，那么系统误差可以通过校正的方法予以减少或者消除。系统误差是定量分析中误差的主要来源。六、传感器的校准随机误差（偶然误差）指测量结果与同一待测量的大量重复测量的平均结果之差。其产生的原因是分析过程中存在种种不稳定随机因素，如室温、相对湿度和气

压等环境条件的不稳定，分析人员操作的微小差异以及仪器的不稳定等。随机误差的特点是大小和方向都不固定，也无法测量或校正。随机误差的性质是随着测量次数的增加，正负误差可以相互抵偿，误差的平均值将逐渐趋向于零。六、传感器的校准粗大误差（粗差）在简称粗差，指明显超出规定条件下预期的误差。

一般地，给定一个显著性的水平，按一定条件分布确定一个临界值，凡是超出临界值范围的值，就是粗大误差，又称作粗误差或寄生误差。六、传感器的校准传感器校准是指在明确传感器输入和输出关系的基础上，使用标准仪器标定传感器。传感器的标定方法是以一种标准设备所产生的标准值(如一个已知的标准力、压力、扭矩、位移等)作为度量的尺子，输入到待标定的传感器中，得到传感器的输出量