《電子信息工程概論（第2版）：第二章 傳感器技術(shù)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電子信息工程概論（第2版）：第二章 傳感器技術(shù)（40頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、2.1 概 述2.2 傳感器的數(shù)學(xué)模型2.3 傳感器的基本特性2.4 常用傳感器原理與應(yīng)用2.5 傳感器的應(yīng)用展望第二章第二章 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)2.1 概述本節(jié)主要內(nèi)容：2.1.1 傳感器的基本概念2.1.2 傳感器的作用2.1.3 傳感器的分類2.1.1 傳感器的基本概念 何謂傳感器（Transducer sensor）?生物體的感官就是天然的傳感器。如人的“五官”，眼、耳、鼻、舌、皮膚分別具有視、聽、嗅、味、觸覺。右圖是人與機(jī)器設(shè)備獲取外界信息方式的比較。 在工程科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域里，可以認(rèn)為：傳感器是人體“五官”的工程模擬物。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)把它定義為：能感受規(guī)定的被測(cè)量量(包括物理量、化學(xué)量、

2、生物量等)并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件(Sensing Element)、轉(zhuǎn)換元件(Transduction Element)和信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路等部件組成2.1.1 傳感器的基本概念2.1.1 傳感器的基本概念 傳感器狹義地定義為：能把外界非電信傳感器狹義地定義為：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置。 傳感器技術(shù)是一門涉及測(cè)量技術(shù)、功能材傳感器技術(shù)是一門涉及測(cè)量技術(shù)、功能材料、微電子技術(shù)、精密與微細(xì)加工技術(shù)、信息料、微電子技術(shù)、精密與微細(xì)加工技術(shù)、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相互結(jié)合形成的密集處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相互結(jié)合形

3、成的密集型綜合技術(shù)。型綜合技術(shù)。2.1.2 傳感器的作用 人與機(jī)器人與機(jī)器的 功 能 對(duì)的 功 能 對(duì)應(yīng) 關(guān) 系 ，應(yīng) 關(guān) 系 ，作 為 模 擬作 為 模 擬人 體 感 官人 體 感 官的的 “ 電 五電 五官官 ” ， 傳， 傳感 器 是 系感 器 是 系統(tǒng) 對(duì) 外 界統(tǒng) 對(duì) 外 界獵 取 信 息獵 取 信 息的的“窗窗口口”。2.1.2 傳感器的作用“阿波羅阿波羅”登月器登月器 美國(guó)美國(guó)“阿波羅阿波羅”登月飛登月飛行器，其上面安裝的各種行器，其上面安裝的各種傳感器達(dá)就多達(dá)傳感器達(dá)就多達(dá)32003200個(gè)個(gè) ?，F(xiàn)代的飛機(jī)、汽車、甚至現(xiàn)代的飛機(jī)、汽車、甚至家用電器也是如此。一輛家用電器也是如此

4、。一輛現(xiàn)代化的汽車，其所用的現(xiàn)代化的汽車，其所用的傳感器種類達(dá)數(shù)十種傳感器種類達(dá)數(shù)十種 。2.1.2 傳感器的作用傳感器在工業(yè)檢測(cè)中的應(yīng)用傳感器在工業(yè)檢測(cè)中的應(yīng)用2.1.2 傳感器的作用傳感器網(wǎng)絡(luò)在生活中應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)在生活中應(yīng)用2.1.3 傳感器的分類分類法分類法型式型式說明說明按基本效應(yīng)按基本效應(yīng)分分物理型、化學(xué)型、生物型等物理型、化學(xué)型、生物型等分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名名 按傳感機(jī)理按傳感機(jī)理分分結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型( (機(jī)械式、感應(yīng)式、電參量式等機(jī)械式、感應(yīng)式、電參量式等) )以敏感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換以敏感元件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換

5、物性型（壓電、熱電、光電、生物、化學(xué)等）物性型（壓電、熱電、光電、生物、化學(xué)等）以敏感元件物性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換以敏感元件物性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換按能量關(guān)系按能量關(guān)系分分能量轉(zhuǎn)換型（自源型）能量轉(zhuǎn)換型（自源型）傳感器輸出量能量直接由被測(cè)能量轉(zhuǎn)換而傳感器輸出量能量直接由被測(cè)能量轉(zhuǎn)換而得得能量控制型（外源型）能量控制型（外源型）傳感器輸出量能量由外源供給，但受被測(cè)傳感器輸出量能量由外源供給，但受被測(cè)輸入量控制輸入量控制按作用原理按作用原理分分應(yīng)變式、電容式、壓電式、熱電式等應(yīng)變式、電容式、壓電式、熱電式等以傳感器對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用原理命名以傳感器對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用原理命名按功能性質(zhì)按功能性質(zhì)分分力敏、熱敏、

6、磁敏、光敏、氣敏等力敏、熱敏、磁敏、光敏、氣敏等以被測(cè)量的敏感性質(zhì)命名以被測(cè)量的敏感性質(zhì)命名按功能材料按功能材料分分固態(tài)（半導(dǎo)體、半導(dǎo)瓷、電介質(zhì)）、光纖、膜、超導(dǎo)等固態(tài)（半導(dǎo)體、半導(dǎo)瓷、電介質(zhì)）、光纖、膜、超導(dǎo)等以敏感功能材料的名稱或類別命名以敏感功能材料的名稱或類別命名按輸入量分按輸入量分位移、壓力、溫度、流量、氣體等位移、壓力、溫度、流量、氣體等以被測(cè)量命名（即按用途分類法）以被測(cè)量命名（即按用途分類法）按輸出量分按輸出量分模擬式、數(shù)字式模擬式、數(shù)字式輸出量為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)輸出量為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)2.2 傳感器的數(shù)學(xué)模型本節(jié)主要內(nèi)容：2.2.1 靜態(tài)模型2.2.2 動(dòng)態(tài)模型2.2.1

7、 靜態(tài)模型 靜態(tài)模型是指在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的情況下，靜態(tài)模型是指在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的情況下，描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關(guān)系描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯特性，傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系通?？捎靡粋€(gè)如下的多項(xiàng)式表示：y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中：a0輸入量x為零時(shí)的輸出量；a1，a2，an 非線性項(xiàng)系數(shù)。各項(xiàng)系數(shù)決定了特性曲線的具體形式。2.2.2 動(dòng)態(tài)模型 傳感器的動(dòng)態(tài)模型是指輸入量隨時(shí)間變傳感器的動(dòng)態(tài)模型是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性, , 它描述了輸出和輸入信號(hào)的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。由于傳感器的

8、慣性和滯后，當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出往往來不及達(dá)到平衡狀態(tài)，處于動(dòng)態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是時(shí)間的函數(shù)。動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。2.2.2 動(dòng)態(tài)模型1.微分方程 大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實(shí)際的模型建立過程中，一般采用線性常系數(shù)微分方程來描述輸出量y和輸入量x的關(guān)系。其通式如下：xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111 這里這里a an n,a,an-1n-1aa0 0和和b bm m,b,bm-1m-1bb0 0 為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為傳感

9、器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。除除b b0 00 0外，一般取外，一般取b b1 1,b,b2 2bbm m為零。為零。2.2.2 動(dòng)態(tài)模型2.傳遞函數(shù) 如果y(t)在t0時(shí)， y(t) =0，則y(t) 的拉氏變換可定義為 0dtetysYst式中式中s=+j，0。對(duì)微分方程兩邊取拉氏變換，則。對(duì)微分方程兩邊取拉氏變換，則得得 011011bsbsbsXasasasYmmmmnnnn 2.2.2 動(dòng)態(tài)模型 定義輸出y(t)的拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，則 011011asasabsbsbsXsYsHnnnnmmmm 對(duì)對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是進(jìn)行

10、拉氏變換的初始條件是t0時(shí)，時(shí)， y(t)=0。對(duì)于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性對(duì)于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。 顯然顯然H(s)與輸入量與輸入量x(t)無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而關(guān)。因而H(s)可以簡(jiǎn)單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入可以簡(jiǎn)單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關(guān)系。的關(guān)系。2.3.1 靜態(tài)特性1.線性度 輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度。又稱非線性誤差?？捎孟率奖硎? 00100maxFSyEDmax輸出量與輸入量實(shí)際曲線與擬合直線之

11、輸出量與輸入量實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差間的最大偏差yfs輸出滿量程值輸出滿量程值2.3.1 靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)模型有三種有用的特殊形式2.3.1 靜態(tài)特性 （2）僅有偶次非線性項(xiàng) 44220 xaxaxay（3）僅有奇次非線性項(xiàng)僅有奇次非線性項(xiàng)（1）理想理想的線性的線性特性特性 1xay 55331 xaxaxay2.3.1 靜態(tài)特性2.靈敏度 靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義是輸出量增量y與引起輸出量增量y的相應(yīng)輸入量增量x之比。用S表示靈敏度，如下式所示。xyS它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，很顯然，很

12、顯然， 靈敏度靈敏度S S值越大，值越大， 表示傳感器越靈敏。表示傳感器越靈敏。2.3.1 靜態(tài)特性 對(duì)線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，非線性傳感器靈敏度是一個(gè)變量，只能表示傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。oxyyxyxyxyx(a)(b)o靈敏度特性圖靈敏度特性圖2.3.1 靜態(tài)特性3.重復(fù)性 輸入量按同一方向作全程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。 %100maxFSRyR2.3.1 靜態(tài)特性4.遲滯（回差滯還）現(xiàn)象 表明傳感器在正向行程和反向行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)x，在x連續(xù)增大的行程中，對(duì)應(yīng)某一輸出量yi，與在x連續(xù)減小的行程中，對(duì)

13、應(yīng)某一輸出量yd之間的差值叫滯環(huán)誤差，即所謂的遲滯現(xiàn)象。在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大滯環(huán)誤差用m表示，它與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率： %100maxFSHyH2.3.1 靜態(tài)特性遲滯特性圖遲滯特性圖2.3.1 靜態(tài)特性5.分辨率與閾值 傳感器在規(guī)定的范圍所能檢測(cè)輸入量的最小變化量。閾值是使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨力。6.穩(wěn)定性 在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔， 傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。2.3.1 靜態(tài)特性7.漂移 在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移 。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為

14、時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。2.3.1 靜態(tài)特性8.靜態(tài)誤差（精度） 靜態(tài)誤差是傳感器在其全量程內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論輸出值的偏離程度。求靜態(tài)誤差是把全部校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差看成是隨機(jī)分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，取2或3值即為傳感器的靜態(tài)誤差?；蛴孟鄬?duì)誤差表示： %10032FSy）（也可以由非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差這幾個(gè)也可以由非線性誤差、遲滯誤差、重復(fù)性誤差這幾個(gè)單項(xiàng)誤差綜合而得，即單項(xiàng)誤差綜合而得，即 222 RHL2.3.2 動(dòng)態(tài)特性 例：用一只熱電偶測(cè)量某一容器的液體溫度

15、T，若環(huán)境溫度為T0，把置于環(huán)境溫度之中的熱電偶立即放入容器中（若TT0)。 在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出與輸入間的差異即為動(dòng)態(tài)誤差。2.4 常用傳感器原理與應(yīng)用本節(jié)主要內(nèi)容：本節(jié)主要內(nèi)容：2.4.1 力傳感器力傳感器2.4.2 磁電式傳感器磁電式傳感器2.4.3 溫度傳感器溫度傳感器2.4.4 光傳感器光傳感器2.4.5 紅外線傳感器紅外線傳感器2.4.6 生物傳感器生物傳感器2.4.1 力傳感器力傳感器壓力傳感器圖壓力傳感器圖2.4.1 力傳感器力傳感器2.4.2 磁電式傳感器動(dòng)圈式話筒的內(nèi)部構(gòu)造圖動(dòng)圈式話筒的內(nèi)部構(gòu)造圖 在印刷紙幣時(shí)使用了在印刷紙幣時(shí)使用了能感覺磁性的特殊磁性能感覺磁性的

16、特殊磁性油墨，在驗(yàn)鈔機(jī)的磁場(chǎng)油墨，在驗(yàn)鈔機(jī)的磁場(chǎng)中，放置磁阻元件，那中，放置磁阻元件，那么隨紙幣的移動(dòng)磁阻元么隨紙幣的移動(dòng)磁阻元件的阻值依次發(fā)生變化，件的阻值依次發(fā)生變化，因而檢測(cè)這個(gè)變化波形因而檢測(cè)這個(gè)變化波形就能測(cè)定紙幣的真?zhèn)巍＞湍軠y(cè)定紙幣的真?zhèn)?。紙幣的自?dòng)讀取也基于紙幣的自動(dòng)讀取也基于這個(gè)原理。這個(gè)原理。 2.4.2 磁電式傳感器磁電式傳感器智能驗(yàn)鈔機(jī)智能驗(yàn)鈔機(jī)2.4.3 溫度傳感器溫度傳感器 電飯鍋是現(xiàn)代社會(huì)生電飯鍋是現(xiàn)代社會(huì)生活中一種必備的廚具，其活中一種必備的廚具，其工作原理也比較簡(jiǎn)單，就工作原理也比較簡(jiǎn)單，就是當(dāng)飯熟后，水分被大米是當(dāng)飯熟后，水分被大米吸收，鍋底溫度就會(huì)升高，吸收

17、，鍋底溫度就會(huì)升高，當(dāng)溫度升至當(dāng)溫度升至“居里點(diǎn)居里點(diǎn)103”103”時(shí)，感溫磁體失去鐵磁性，時(shí)，感溫磁體失去鐵磁性，在彈簧作用下，永磁體被在彈簧作用下，永磁體被彈開，觸點(diǎn)分離，切斷電彈開，觸點(diǎn)分離，切斷電源，從而停止加熱。源，從而停止加熱。電飯鍋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖電飯鍋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.4.4 光傳感器2.4.4 光傳感器 光傳感器主要有三種類型：即用光照射引光傳感器主要有三種類型：即用光照射引起阻值變化的光導(dǎo)電體的光導(dǎo)電效應(yīng)式傳感器起阻值變化的光導(dǎo)電體的光導(dǎo)電效應(yīng)式傳感器2.4.5 紅外線傳感器 人的眼睛能看到的可見光按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短排列，依次為紅、橙、人的眼睛能看到的可見光按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短排列，依次為紅

18、、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長(zhǎng)范圍為黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長(zhǎng)范圍為0.620.620.76m0.76m；紫；紫光的波長(zhǎng)范圍為光的波長(zhǎng)范圍為0.380.380.46m0.46m。比紫光光波長(zhǎng)更短的光叫紫外線，。比紫光光波長(zhǎng)更短的光叫紫外線，比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光叫紅外線。紅外線傳感器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光叫紅外線。紅外線傳感器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，并且穿透性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸測(cè)量，測(cè)，并且穿透性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸測(cè)量，2.4.6 生物傳感器 生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合, ,對(duì)特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物對(duì)特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置?；钚晕镔|(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。2.5 傳感器的應(yīng)用展望傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及需求量柱形圖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及需求量柱形圖1、發(fā)現(xiàn)新效應(yīng)，開發(fā)新材料、新功能2、傳感器的多功能集成化和微型化3、傳感器的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化4、研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器傳感器的發(fā)展趨勢(shì)