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1、Chapter1 General Characteristic of Sensor,Wang Huifeng e-mail:,1.1 Overview of sensorFunction of sensorConception of sensorCompositions of sensor Classification of sensor1.2 General Characteristic of SensorStatic characteristic Dynamic characteristic,Chapter1 General Characteristic of Sensor,1.1.1 F
2、unction of sensor,教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、,涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空,传感器在汽车中的应用日新月异,传感器在汽车中的应用日新月异,汽车传感器：车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工 作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动 防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可
3、靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,传感器在日常生活中的应用与日俱增,家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器自动感应灯：亮度检测-光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,传感器在日常生活中的应用与日俱增,办公商务扫描仪：文档扫描-线阵CCD红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管医疗卫生数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器电子血压计：血压检测-压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器,
4、传感器在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器-OICW夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。,传感器在国防领域的应用,美国国家导弹防御计划-NMD1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方,传感器在航天领域举足轻重,火箭测控：检测火箭状况、姿态、轨迹 飞行器测控：检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵检测参数：加速度、温度、压
5、力、振动、流量、应变、声学。神州飞船：185台（套）仪器装置“阿波罗10”：火箭部分：2077个传感器飞船部分：1218个传感器,“物化法官”,检查产品质量监测环境污染查服违禁药物识别指纹假钞侦破刑事案件,1.1.2 传感器的概念,传感器(sensor or transducer)传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转化成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。用函数表示为：y=f(x)广义地讲：传感器是信息转换的装置，获取信息的工具。,传感器定义的理解,是测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是生物理；它的输出量是物理量，这
6、种量一定要便于传输、转换、处理及显示。它可以是气、光、电量等，但主要是电量。输入输出间一定有对应关系，而且有一定的精度。,利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术，是检测原理、材料科学工艺加工等三个要素的最佳结合。,传感器技术,传感器的发展趋势,“三新”新材料的开发应用新工艺技术的应用新效应的发现,变送器（transmitter),将非电量的信息转换成具有标准信号的装置凡能输出标准信号的传感器就称为变送器。标准信号：15V 420mA 20100kpa,几个容易混淆的概念,敏感元件、传感器、变送器之间的关系图,传感器的命名,国标GB 7666规定，传感器的全称应由“主题词四级修饰语”组成，即
7、：主题词传感器。一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。二级修饰语转换原理，一般可后续以“式”字。三级修饰语特征描述，一般可后续以“型”字。四级修饰语主要技术指标。,注意的问题,（1）使用场合不同，修饰语的排序亦不同。在有关传感器的统计报表图书检索及计算机文字处理等场合，采用正序排列 例：“传感器、位移、应变计式、100mm”在技术文件、产品说明书、学术论文，教材、书刊等的陈述句中，采用反序排列 例：“100mm应变计式位移传感器”,注意的问题,（2）在实际运用中，可根据产品具体情省略任何一级修饰语。但国标规定，传感器作为商品出售时，第一级修饰语不得省略。“我厂购进了150只各种测量范围的电位
8、器式线位移传感器”(此例省略了第三、第四级修饰语)。,传感器产品代号的编制格式,1.1.3 传感器的组成,传感器一般有敏感元件、转换元件及转换电路组成，有时还要加辅助电源。,在完成非电量到电量的转换时，并非所有的非电量都能利用现有的手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换成电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件，又称预变换器。如各类弹性元件常被称为敏感元件，并统称为弹性敏感元件。,敏感元件,转换元件,将感受到的非电量直接转换为电量的器件。压电晶体热电偶敏感元件的输出是它的输入，它把输入转换成电路参数，送给转换电路。,并非所有的传感器都包括敏感元件
9、和转换元件；如热敏电阻、光电器件等有些传感器敏感元件与转换元件合二为一。如固态压阻式压力传感器,敏感元件与转换元件,转换电路（测量电路）,将转换元件输出的电量转换成便于记录、显示、控制和处理的电信号的电路。测量电路的类型视转换元件的分类而定，常用的转换电路有:电桥、放大器、变阻器、振荡器等。,气体压力传感器示意图,1.1.4 传感器的分类,按照不同的分类标准有不同的分类结果工作机理：结构型、物性型、复合型；能量转换：能量控制、能量转换；测量原理：变电阻、变磁阻、变电容、变电势、变电荷输出信号：数字式、模拟式、开关式；输入量：温度、压力、位移、速度、加速度、湿度、声压、噪声、浓度、PH值等。,工
10、作机理,结构型：主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测信号。物性型：利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。复合型：将中间转换环节与物性型敏感元件复合而成的传感器。,1.2 传感器的一般特性,传感器的特性是指输入与输出之间的关系1.2.1 静态特性 当输入量是常量(稳定状态的信号或变化及其缓慢的信号)时，输入与输出间的关系。1.2.2 动态特性 当输入量随时间变化时，输入与输出间的关系(动态量指周期信号、瞬变信号或随机信号),1.2.1 传感器的静态特性,静态标准
11、条件1.没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）；2.环境温度一般为205；3.相对湿度不大于85；4.大气压力为1013277800Pa(760 60mmHg);,1.2.1 传感器的静态特性,对传感器的一般要求由于各种传感器的原理、结构、使用环境、条件、目的的不同，其技术指标也不可能完全相同，但是有些基本要求却是共同的。,(1)可靠性(2)精度(3)抗干扰能力(4)通用性(5)低成本(6)低能耗,传感器输入输出作用图,1.2.1 传感器的静态特性,传感器的描述方法,传感器作为感受被测量信息的器件，希望它按照能按照一定的规律输出有用信号。因此需要研究描述传感器的方法，来表示其输出
12、输入关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。最有效的描述方法是传感器的数学模型。,数学模型,传感器可用来检测不随时间变化的静态量和随时间变化的动态量。应该用带随机变量的非线性微分方程作为数学模型。但这样在数学研究很困难。常把传感器的静态特性和动态特性分开来考虑。根据输入信号的性质，传感器有静态模型和动态模型两种。,方程式,Y=a0+a1X+a2X2+anXn各项系数不同，决定特性曲线的具体形式。,(1)理想线性：Y=a1X,(2)具有X奇次阶项的非线性方程：Y=a1X+a3X3+a5X5+,(3)具有X偶次阶项的非线性方程:Y=a1X+a2X2+a4X4+,(4)具有X奇、偶次阶项
13、的非线性方程：Y=a1X+a2X2+a3X3+a4X4+a5X5+,线性化,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，采用硬件和软件的补偿进行线性化处理。在非线性误差不太大的情况下，采用直线拟合的方法线性化。,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（Full Scale)输出值的百分比称为线性度。,1.线性度（非线性误差）,拟合曲线,线性度与拟合直线为基准；拟合直线不同，线性度不同,选择拟合直线的主要出发点：获得最小的非线性误差；计算简便，使用方便。,常用的拟合方法,(1)理论拟合(2)过零旋转拟合(3)端点连线拟合(4)端点连线平移拟合(5)最
14、小二乘拟合,(1)理论拟合(2)过零旋转拟合(3)端点连线拟合(4)端点连线平移拟合,最小二乘法拟合,设拟合直线方程为：y=kx+b,最小二乘法设拟合直线的原理使：最小：,若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：,即,求出k和b的表达式,2.灵敏度,传感器的灵敏度是指到达稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比,非线性传感器的灵敏度用dy/dx表示，其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率。,3.精度（精确度）,精度的指标：精密度 正确度 精确度,精密度 它说明测量结果的分散性(随即误差）,正确度 说明测量结果偏离真值大小的程度(系统误差),精确
15、度 它含有精密度和正确度之和的意思，即测量的综合优良程度。,你会打靶吗？,精度的表示,工程中，为了表示测量结果的可靠程度，引入精确度等级概念，用A表示。,它是以一系列标准百分数值(0.001,0.005,0.02,0.05,1.5,2.5,4.0),以测量误差的相对值表示：,4.迟滞,迟滞是指在相同工作条件下全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。,5.重复性,重复性是指同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。数值上用各测量值正、反行程标准偏差的两倍或三倍与满量程的百分比。,迟滞和重复性的差异,迟滞反映传感器
16、机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺丝松动。元件腐蚀或碎裂及积尘等。重复性反映测量结果偶然误差的大小，而不表示与真值之间的差别。有时重复性很好，但可能远离真值。,1.2.2 传感器的动态特性,传感器对随时间变化的输入量的响应特性；设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和恰当的参数；使用传感器时要根据其动态特性和使用条件确定合适的使用方法，同时对给定条件下的传感器动态误差做出估计。动态特性取决于传感器本身，另一方面也与被测参量的变化形式有关。,1.2.2 传感器的动态特性,常用的规律性输入信号,正弦输入 阶跃信号 线性输入,动态特性的一般数学模型,为了便于分析和处理
17、传感器的动态特性，必须建立数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法来研究传感器的动态响应。对于线性系统动态响应研究，最广泛使用的数学模型是普通线性常系数微分方程。只要对微分方程求解，就可以得到动态性能指标。,高阶常系数线性微分方程,用算子D表示为：a0,a1an和b0,b1bm均为常数。,高阶常系数线性微分方程,高阶常系数线性微分方程,利用拉氏变换，得到方程：a0,a1an和b0,b1bm均为常数,零阶传感器的数学模型,零阶传感器的系数只有a0,b0；K为静态灵敏度,一阶传感器的数学模型,一阶传感器的微分方程系数除a1,a0,b0 外，其它均为零，因此方程：,用算子D表示,K为静态灵敏度系数 为
18、时间常数,二阶传感器的数学模型,二阶传感器的微分方程系数除a2,a1,a0,b0 外，其它均为零，因此方程:,用算子D表示:,K为静态灵敏度系数；0=无阻尼系数固有频率；为阻尼比。,传递函数,在分析、设计和应用传感器时，传递函数的概念非常有用。它的另一个作用是在方框图中作表示系统动态特性的图示符号。传递函数是输出信号与输入信号之比。这种形式的传递函数对瞬变输入特别有用。,开环检测系统框图,开环检测系统框图,闭环检测系统框图,传感器的动态响应及动态性能指标,频域指标：通频带、工作频带、相位误差等,时域指标：一阶传感器：时间常数 二阶传感器：上升时间、稳定时间、超调量等,一阶传感器的阶跃响应,由图
19、看出，随着时间的推移，y越来越接近1。在一阶延迟系统中，是决定响应速度的重要参数。t=时，0.37 t=3时，0.05 t=5时，0.007,二阶传感器的阶跃响应,t,y,1,0.9,0.5,0.1,tr,tp,检测系统动态性能指标,(1)时间常数：输出值上升到稳态值y()的63所需的时间。(2)上升时间tr：输出值从稳态值y()的10%上升到90%所需的时间。(3)响应时间ts：输出值达到稳态值的y()的95%“或98%所需的时间。(4)超调量：通常用过渡过程中超过稳态值的最大值A(过冲)与稳态值之比的百分数表示。,传感器的概念定义 组成 分类 静态特性线性度 灵敏度 精确度 重复性 迟滞等动态特性时间常数 阻尼比,本章小结,The End,
