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1、第3章 传感器技术,1.1 传感器的定义及分类 1.2 传感器的作用与地位 1.3 传感器技术的发展动向 1.4 传感器的特性 1.5 传感器应用 1.6 传感器的设计需求,1.1 传感器的定义及分类,一般的仪器、仪表要求输入的信号必须为电信号 ，计算机及各种电子设备只能处理电信号 ，而表征物质特性或其运动形式的参数 中有很多都是非电量，如大家在自然界经常接触到的温度、压力、距离、流量、重量、速度、加速度、浓度、酸碱度、湿度、光 、磁场等 。上述的非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再运用电子设备和仪器测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。 社会进步到今天，我们周围使用着各种各样的传感

2、器，如电冰箱、微波炉、空调机有温度传感器；电视机有红外传感器；汽车有速度、压力、湿度、流量、氧气等多种传感器。,传感器的定义 能够把特定的被测量信息（如物理量化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号的器件或装置，称为传感器。 所谓“可用信号”，是指便于传输、便于处理的信号。就目前而言，电信号最为满足便于传输、便于处理的要求。因此，也可以把传感器狭义地定义为：能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置。 目前只要谈到传感器，指的几乎都是以电为输出的传感器。 传感器是生物体感官的工程模拟物；反过来，生物体的感官则可以看作是天然的传感器。,传感器的分类 现已发展起来的传感器用途纷繁、原理各

3、异、形式多样，就其分类方法也有多种，其中有两种分类法最为常用: 一是按外界输入信号变换至电信号过程中所利用的效应来分类。 如利用物理效应进行变换的为物理传感器；利用化学反应进行变换的为化学传感器；利用生物效应进行变换的为生物传感器等;,传感器的分类 二是按输入量分类。 被测量的类型主要有： 机械量，如位移、力、速度、加速度等； 热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差）、液位等； 物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等； 状态参量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。 比如，输入信号是用来表征压力大小的，就称为压力传感器。这种分类法可将传感器分为位移（线位移和角位移）、速度、角速度、力、力矩、压力、

4、流速、液面、温度、湿度、光、热、电压、电流、气体成分、浓度和粘度传感器等。,离子感烟器,明火探测器,温度传感器,光电传感器,湿度传感器,机油压力传感器,超声波传感器,风速传感器,全自动血压机,电子测温计,电子秤,1.2 传感器的作用与地位,今天，信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。现代信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理。 传感技术与信息技术的关系：信息-采集-传感技术；信息-处理-计算机技术；信息-传输-通讯技术。传感器位于信息采集系统之首、检测与控制之前，是感知、获取与检测的最前端。 传感器广泛应用于各个学科领域: 在基础学科和尖端技术的研究中； 在工业与国防领域；

5、在生物工程、医疗卫生、环境保护等。 可以肯定地说，未来的社会将是充满传感器的世界。,1.3 传感器技术的发展动向,传感器技术的主要发展动向： 一是传感器本身的基础研究，即研究新的传感器材料和工艺，发现新现象； 二是跟微处理器组合在一起的传感器系统的研究，即研究如何将检测功能与信号处理技术相结合，向传感器的智能化、集成化发展。 发现新现象 开发新材料 采用微细加工技术 传感器的智能化 仿生传感器,发现新现象 传感器的工作机理是基于各种效应、反应和物理现象的。重新认识如压电效应、热释电现象、磁阻效应等已发现的物理现象以及各种化学反应和生物效应，并充分利用这些现象与效应设计制造各种用途的传感器，是传

6、感器技术领域的重要工作。同时还要开展基础研究，以求发现新的物理现象、化学反应和生物效应。各种新现象、反应和效应的发现可极大地扩大传感器的检测极限和应用领域。 用约瑟夫逊效应制成高灵敏度磁强计，灵敏度达10高斯，可测量人体心脏跳动和人脑内部的磁场变化，作出“心磁图”和“脑磁图”。在物理研究和地质探矿等方面也得到应用。,开发新材料 随着物理学和材料科学的发展，人们已经在很大程度上能够根据对材料功能的要求来设计材料，并通过对生产过程的控制，制造出各种所需材料。目前最为成熟、先进的材料技术是以硅加工为主的半导体制造技术。 例如，人们利用该项技术设计制造的多功能精密陶瓷气敏传感器有很高的工作温度，弥补了

7、硅（或锗）半导体传感器温度上限低的缺点，可用于汽车发动机空燃比控制系统，大大地扩展了传统陶瓷传感器的使用范围。有机材料、光导纤维等材料在传感器上的应用，也已成为传感器材料领域的重大突破，引起国内外学者的极大关注。,采用微细加工技术 将硅集成电路技术加以移植并发展，形成了传感器的微细加工技术。这种技术能将电路尺寸加工到光波长数量级，并能形成低成本超小型传感器的批量生产。 微细加工技术除全面继承氧化、光刻、扩散、淀积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术、各向异性腐蚀、固相键合工艺和机械切断技术。利用这些技术对硅材料进行三维形状的加工，能制造出各式各样的新型传感器。例如，利用光刻、扩散工艺已制造

8、出压阻式传感器，利用薄膜工艺已制造出快速响应的气敏、湿敏传感器等。日本横河公司综合利用微细加工技术，在硅片上构成孔、沟、棱锥、半球等各种形状的微型机械元件，并制作出了全硅谐振式压力传感器。,传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。,仿生传感器 传感器相当于人的五官，且在许多方面超过人体，但在检测多维复合量方面，传感器的水平则远不如人体。尤其是那些与人体生物酶反应相当的嗅觉、味觉等化学传感器，还远未达到人体感觉器官那样高的选择性。实际上，人体感觉器官由非常复杂的细胞

9、组成并与人脑联接紧密，配合协调。工程传感器要完全替代人的五官，则须具备相应复杂细密的结构和相应高度的智能化，这一点目前看来还是不可能的事。但是，研究人体感觉器官，开发能够模仿人体嗅觉、味觉、触觉等感觉的仿生传感器，使其功能尽量向人自身的功能逼近，已成为传感器发展的重要课题。,1.3 传感器的特性 传感器所测量的物理量基本上有两种形式：一种是稳态（静态或准静态）的形式，这种形式的信号不随时间变化（或变化很缓慢）；另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种形式的信号是随时间而变化的。 由于输入物理量形式不同，传感器所表现出来的输出输入特性也不同，因此存在静态特性和动态特性。不同传感器有着不同的内部

10、参数，它们的静态特性和动态特性也表现出不同的特点，对测量结果的影响也就各不相同。 一个高精度传感器，必须同时具有良好的静态特性和动态特性，这样它才能完成对信号的（或能量）无失真的转换。,传感器的特性 静态特性： 指被测量的值处于稳定状态时的输出和输入关系。 衡量静态特性的重要指标是：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 动态特性： 输出对随时间变化的输入量的响应特性。,静态特性 （1）灵敏度 传感器的灵敏度K是指达到稳定状态时，输出增量与输入增量的比值,如位移传感器，当位移量Dx为lmm，输出量Dy为0.2mV时 ， 灵敏度kn为0.2mV/mm。,静态特性 （2）线性度 线性度是传感器输出量与输

11、入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度，又称非线性误差。 如果理想的输出（y）输入（x）关系是一条直线，即y = a0 x，那么称这种关系为线性输出输入特性。 传感器的输出输入特性是非线性的，在实际使用非线性特性传感器时，在一定条件下，可以用实际特性曲线的切线或割线等直线来近似地代表实际特性曲线的一段，这种方法称为传感器的非线性特性的线性化。所采用的直线称为拟合直线。 非线性误差是以拟合直线作基准直线计算出来的，基准线不同，计算出来的线性度也不相同。因此，在提到线性度或非线性误差时，必须说明其依据了怎样的基本直线。,静态特性 （3）迟滞 迟滞表示传感器在输入值增长的过程中（正行程）和减少的过

12、程中（反行程），同一输入量输入时，输出值的差别，如图所示，它是传感器的一个性能指标。该指标反映了传感器的机械部件和结构材料等存在的问题，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、螺钉松动、元件磨损（或碎裂）以及材料的内部摩擦等。,静态特性 （4）重复性 传感器的输入量按同一方向作多次变化时，我们发现，各次检测所得的输出输入特性曲线往往不重复，如图所示。产生不重复的原因和产生迟滞的原因相同,主要是由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动、部件内摩擦、积尘、电路元件老化、工作点漂移等原因产生的。,长江工程职业技术学院自动化教研室,动态特性,传感器的动态特性是指传感器在测量快速变化的输入信号情况下，输出对输入的

13、响应特性。 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录的过程不受时间限制。但是在工程实践中，检测的是大量随时间变化的动态信号，这就要求传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小，而且还能显示被测量随时间变化的规律，即正确的再现被测量波形。 传感器测量动态信号的能力用动态特性来表示。,利用烟雾对光的散射来工作的火灾报警器，如图是天花板上装的火灾报警器，平时，发光二极管LED发出的光被挡板挡住，光电三极管收不到光，呈现高电阻状态；当有烟雾进入罩内后，对光线向各个方向散射，使部分光线照射到光电三极管上，其阻值变小，与传感器连接的电路检测到这种变化，就会发出警报,光传感器的应用火灾报警器,温度

14、传感器的应用电熨斗,电熨斗中的温度传感器对温度的控制： 1）达到设定温度后将不再升温；2）使用中温度降低后自动升温到设定温度；3）根据衣物不同设定不同的温度。 电熨斗中的传感器：双金属片温度传感器 上层金属片的热膨胀系数大于下层的金属片。,常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触电分离，从而切断电源，停止加热，温度降低后，双金属片又恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。 向上调节调温旋钮,弹性铜片上移，双金属片受热时易使触点分离，降低了电烫斗的工作温度。,温度传感器的应用电熨斗,

15、力电传感器:主要是利用敏感元件和变阻器把力学信号（位移、速度、加速度等）转化为电学信号（电压、电流等）的仪器。力电传感器广泛地应用于社会生产、现代科技中，如安装在导弹、飞机、潜艇和宇宙飞船上的惯性导航系统及ABS防抱死制动系统等。,力传感器的应用电子秤,应变片发生形变时其电阻随之发生变化，在恒定电流下，应变片是把形变（几何量）转换为电压（电学量）的元件。,弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲,上表面拉伸，下表面压缩, 上表面应变片的电阻变大，下表面应变片的电阻变小。F越大， 弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保

16、持恒定，那末上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大，输出的电压差值也就越大。,力传感器的应用电子秤,军事监测中的传感器：VigilNet,VigilNet是由美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的无线传感系统，该系统由XSM，Mica2和Mica2Dot节点构成，其规模最大达200个节点；节点通过电池供电，铺设在道路旁边，用于检测与收集移动目标的情况。,应用特点 节点自主成网、多跳传输 节点通过电池供电，通过软件节能机制延长网络的生命周期 节点智能感知、协同工作，向上提供预警的功能,智能楼宇中的传感器： LoCal,每年美国用电报告显示至少有3

17、0%的电量是浪费的。这些电能浪费在何处？其中哪些是可以节省的？ 由美国加州大学伯克利分校大学发起的LoCal项目试图通过在智能楼宇中部署无线传感器网络来解决这些问题。,应用特点 传感器能实现空间和时间上的细粒度感知，可实时跟踪到单个电器 传感器能实现“多功能”的感知，能推测用户的行为 传感器能够互联互通，通过大量连续的数据则有助于分析得出更多有用的信息,医疗监控中的传感器： Mercury,传感器的另一个重要应用是医疗监控 ，哈佛大学研究组改进了传统传感器，使得其外形更小，适合穿戴在身上,应用特点 传感器的设计十分人性化 传感器具有高精度的感知能力，医用的数据需要较高的采样精度供医生分析诊断

18、传感器能连续长期地采集数据 传感器使用无线通信方式，其数据传输是机会性的,1.6 传感器的设计需求,低成本与微型化 低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使部署更加容易 节点的软件设计也需要满足微型化的需求 。例如TelosB节点的内存大小只有4KB，程序存储的空间只有10KB。因此，节点程序的设计必须节约计算资源，避免超出节点的硬件能力,1.6 传感器的设计需求,低功耗 在硬件设计上采用低功耗芯片 例如TelosB节点使用的微处理器，在正常工作状态下功率为3mW，而一般的计算机的功率为200到300W 软件节能策略来实现节能 软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低功

19、耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态,1.6 传感器的设计需求,灵活性与扩展性 传感器节点被用于各种不同的应用中，因此节点硬件和软件的设计必须具有灵活性和扩展性 节点的硬件设计需满足一定的标准接口，例如节点和传感板的接口统一有利于给节点安装上不同功能的传感器 软件的设计必须是可剪裁的，能够根据不同应用的需求，安装不同功能的软件模块,1.6 传感器的设计需求,鲁棒性 鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障 对于普通的计算机，一旦系统崩溃了，人们可以采用重启的方法恢复系统，而传感器节点则不行 ，就整个网络而言，可以适当增加冗余性，增加整体系统的鲁棒性,查阅资料，简述超声波传感器的基本原理。,Thank you!,