1、什么是传感器
- 在现代生活中，有各种各样的传感器
- 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
- 照相机中的光传感器
- 汽车中燃料计和速度计等等。
- 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。
1.1 人体系统是如何感知外界信息的？
• 计算机相当于人的大脑，执行机构相当于人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。
• 传感器是人体感官的延长，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了重要作用。
1.2 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。
- 国家标准（GB7665—1987）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。
- 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输出信号输出；
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
1.3 传感器技术的作用
- 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。
- 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。
1.3.1 举例:智能建筑
通过传感器测量温湿度、空气压力、液体压差、流量、液位等进行检测。
1.4 传感器的组成
传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：
- 敏感元件感受被测量
- 转换元件将被测量转换成
电参量（电阻、电容 、电容、电感 、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
1.4.1 压力传感器示例
2、传感器的特性
- 传感器的特性就是对
输入输出关系的描述，理想的特性 ，理想的特性是在任何情况下输入与输出都是一一对应的- 传感器的特性分静态特性和动态特性。
2.1 传感器的静态特性
【静态特性】：输入不随时间变化时（在稳态信号作用下），传感器输出与输入之间的关系
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
变换函数（静态特性的一般数学模型 （静态特性的一般数学模型）
变换函数反映传感器输入与输出间的关系 y=f(x)
其中x为输入量，y为输出量。几种典型的变换函数如下表
通常，要求传感器在静态情况下的输入与输出保持线性关系，实际上，如上表所示 ，很难满足理想的线性关系，一般用多项式表示
只有当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系
2.1.1 灵敏度
2.1.2 精度
- 传感器的精度是指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度表示重复某个读数的能力，其误差愈小，则精度愈高。
- 定义为：
传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出值的百分比
其中，ΔA为测量范围内允许的最大绝对误差。
在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法，引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0…精度等级越小精度越高
2.1.3 线性度
- 在规定条件下，传感器实际曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。
- 线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合度的参数。
传感器的非线性误差是以一条理想直线作基准的,基准不同时得出的线性度不同,所以不能笼统地提出线性度,必须说明所依据的基准直线
几种直线拟合方法
- a、理论线性度(理论拟合) 以0%起点,满量程100%作终点
- b、基于理论拟合的过零旋转拟合
- c、端基线性度(端点连线拟合) 实际曲线的起点与终点的直线
- d、独立线性度(端点平移) 以端基线平行作直线恰好包围所有标定点,与两条直线等距作拟合线
- e、最小二乘法线性度 拟合的直线精度最高,也是最常用的方法
2.1.4 最小检测量和分辨率
- 传感器能确切反映被测量的最低极限量Δx，小于这个量的区域 ，小于这个量的区域称为
死区。对于数字传感器，常用分辨率来表示。 - 最小检测量的影响因素：
- （1）输入的变动量Δx在传感器内部
被吸收
- 如：带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺母间、齿轮和齿条间存在间隙，当输入变量Δx小于这一间隙时，便被传感器内部吸收。
- （2）传感器输入、输出端均存在噪声干扰，Δx过小时，被外界噪声
所淹没
2.1.5 迟滞性
- 对于同一大小的输入信号x，在x
连续增大的行程中，对应于某一输出量为yi；在x连续减小的过程中，对应于输出量为yd；yi和yd二者不相等，这种现象称为迟滞现象。
对迟滞性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为滞环误差
- 如果传感器存在迟滞性，则输入与输出就不能保持一一的对应关系，因此应尽量使之变小。
- 产生迟滞误差的原因：主要是由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。如弹性元件的滞后，铁磁体、铁电体在磁场、电场作用下也有这种现象
2.1.6 重复性
- 重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线的一致性。
- 按相同输入条件多次测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小。
- 传感器重复性误差与迟滞现象相同，主要由传感器机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生。
2.1.7 零点漂移
- 传感器无输入（或某一输入值不变)时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值)，即为零点飘移，用百分比表示:
- 其中，Δy0为最大零点偏差（或相应偏差)。
2.1.8 温度漂移
- 温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1°C时，输出最大偏差与满量程的百分比表示:
- 其中，4max为输出最大偏差，AT为温度变化范围。
2.2 传感器的动态特性
- 传感器的动态特性是指当
输入量变化时，传感器的输出量对输入量的响应特性。 - 工程实践中，需要检测大量随时间变化的动态信号，这就要求传感器不仅能精确的测量信号的幅值大小，还能显示被测量
随时间变化的规律，即正确再现被测量波形。 - 动态特性与静态特性的区别:在动态特性中，输出量与输入量的关系不是定值，而是
时间的函数，并随输入信号的频率而改变。 - 频率特性:在动态测量中，当被测量做周期变化时，传感器的输出量也产生周期性的变化，其频率与前者相同，但幅值和相位随频率的变化而变化，这种关系称为频率特性。
- 幅频特性:输出信号的幅值随频率变化而改变的特性称为幅频特性。
- 相频特性:输出信号的相位随频率变化而改变的特性称为相频特性。
- 截止频率:当保持输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍时所对应的频率称为截止频率。
3、传感器的分类
常用物理传感器 与化学传感器
3.1物理传感器
- 物理传感器的原理是利用力、热、声、光、电、磁、射线等物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电参数变化。
- 变化的电参数可以是电阻、电容或者电感，再由基本电路将其转化成信号的变化，如电压、电流或者频率。
3.1.1 力传感器
- 力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的传感器。力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感器有电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感器等
- 用金属应变丝作为敏感元件的压力传感器原理示意图
3.1.2 热传感器
3.1.3 声传感器
3.1.4 光传感器
- 图像传感器
- 光纤传感器
3.1.5 磁传感器
- 磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用
- 磁传感器将磁信号转化成为电信号输出
- 磁电式传感器目前已经被高性能磁敏感材料的新型磁传感器所替代
3.1.6 射线传感器
- 射线传感器是将射线强度转换为可输出的电信号的传感器
- 射线传感器可以分为:X射线传感器、y射线传感器、β射线传感器、辐射剂量传感器
- 射线传感器已经在环境保护、医疗卫生、科学研究与安全保护领域广泛使用
3.2 化学传感器
3.3 生物传感器
- 由生物敏感元件和信号传导器组成
- 生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、踪、枚酸或有机物分子
- 不同的生物元件对于光强度、热量、声强度、压力有不同的感应特性
3.4 不同用途的传感器
4、三类温度传感器
4.1 传统的温度传感器 Pt100
是一种以铂(Pt)作成的电阻式温度传感器
Pt100特性指标：
4.2 集成模拟温度传感器AD590
- 是AD公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。
- 输出电流与K氏温度成正比
AD590特性指标
4.3 集成数字温度传感器 DS18B20
是美国Dallas半导体公司的世界上第一片支持“一线总线”接口的数字化温度传感器DS1820的改进型号。
DS18B20特性指标：
5、传感器的接口
5.1 单总线接口
- 单总线（一线总线，1-Wire )通信协议是美国的达拉斯半导体公司(Dallas Semiconductor)提出的总线技术。
- 该技术采用
单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉,便于总线扩展和维护等优点。 - 单总线适用于
单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机通常是微控制器，从机通常是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。 - 每个1-wire设备都带用唯一的、由工厂设置的64位的网络地址。前8位是1-wire家族码，其后48位为唯一的序列码，最后8位是前56位的CRC校验。
- 当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作;当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。
- 单总线的数据传输速率一般为16.3Kbit/s，最大可达142Kbit/s。主设备I/O口可直接驱动200m范围内的从设备，经过扩展后可达1km范围。
单总线接口传感器
- DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器，具有可靠性高，信号传输距离远，超低能耗等特点。
- 应用范围
- 暖通空调测试及检测设备
- 汽车数据记录器
- 消费品自动控制气象站
- 家电湿度调节器
- 医疗除湿器
- DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性
5.2 I^2C接口
5.3 SPI总线接口
- SPI (Serial Peripheral Interface）总线是Motorola公司推出的一种同步串行外设接口技术。SPI接口主要应用于CPU和各种外围器件之间进行通讯。
- SPI总线的特点主要表现在以下几个方面:
- 高效的、全双工、同步的通信总线;
- 简单易用:只需要占用四根线，节约管脚，为PCB布局节省了空间;
- 可同时发出、接收串行数据;
- 可当作主机或从机工作，频率可编程;
- 具有写冲突保护、总线竞争保护等功能。
- SPI总线可以同时发送和接收串行数据。它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯，
这四条线是:串行时钟线（SCK)、主机输入/从机输出数据线(MISo)、主机输出/从机输入数据线（MOSI)、低电平有效从机选择线。
SPI总线接口传感器
TC77是Microchip公司生产的一款13位串行接口输出的集
成数字温度传感器，其温度数据由热传感单元转换得来 ，其温度数据由热传感单元转换得来。
- 应用范围
- 硬盘及其他PC设备的热保护
- 笔记本计算机的PC卡、
- 低成本的恒温控制、
- 工业控制、办公设备、
- 蜂窝电话、取代热敏电阻等。
5.4 RS系列接口
- RS-232C标准是美国EIA（电子工业联合会）与Bell等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0~20Kbit/s范围内的通信。它最初是为远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)与数据通信设备DCE(Data Communication Equipment)_而制订的。
- 它在两个方面作了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。RS-232C将-5V-15V规定为“1”，+5~+15V规定为“0”
- 鉴于RS-232C存在通信距离短（15米)、速率低(20kbps）、抗干扰性差等不足，EIA于1977年公布了新的RS-449作为RS-232C的替代标准。RS-449使用差分信号进行数据传输，使用双绞线作为通信线路，通信距离可达1200m,速率可达90kbps.
- RS-423/422是RS-449标准的子集，规定了电气方面的要求。
- RS-485是RS-422A的变形。RS-422A为全双工工作方式，RS-485为半双工工作方式。
RS系列接口传感器
- RS-232、RS-485接口的数字压力传感器包括:水压传感器、液压传感器、风压传感器、气压传感器、压力变送器、真空传感器、管道传感器、负压传感器、差压传感器、差压变送器、液位传感器、液位变送器等。
- 可广泛应用于设备、水利、化工、医疗、电力、空调、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制等。
5.5 IEEE1451接口
智能传感器发展非常迅速，不同类型的智能传感器陆续推出。美国国家标准技术研究所NIST和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会联合组织制定了IEEE1451传感器与执行器的智能变换器接口标准的系列标准。
- IEEE1451系列标准把数据获取、分布式传感与控制提升到了一个更高的层面，并为建立开放式系统铺平了道路。它通过一系列技术手段把传感器节点设计与网络实现分隔开来，这其中包括传感器自识别、自配置、远程自标定、长期自身文档维护、简化传感器升级维护以及增加系统与数据的可靠性等。
- 为了尽可能使智能功能接近实际测量和控制点，IEEE1451将功能划分成网络适配处理器模块(Network CapableApplication Processor，NCAP)和智能变换器接口模块(SmartTransducer Interface Module, STIM )两个模块。
- IEEE1451传感器代表了下一代传感器技术的发展方向。网络化智能传感器接口标准IEEE 1451的提出将有助于解决由于目前市场上多种现场网络并存的现象。
- 随着1451系列标准的陆续制定、颁布和执行，基于IEEE1451的网络化智能传感器技术已经不再停留在论证阶段或实验室阶段，越来越多成本低廉具备网络化功能的智能传感器/执行器涌向市场，正在并且将要更广泛地影响着人类生活。
- 网络化智能传感器将对工业测控、智能建筑、远程医疗、环境及水文监测、农业信息化、航空航天及国防军事等领域带来革命性影响，其广阔的应用前景将产生巨大的社会效益、经济效益和环境效益。
7、传感器的应用
电力、冶金、石化、化工等流程工业
在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。
石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测
汽车与传感器
在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测
图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。
现代汽车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30～100种传感器。
智能家电/智能家居
自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院等。
AGV
AGV ( Automated Guided Vehicle）即“自动导引运输车”，是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。
生物医学
- 对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。
- 国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。
航空航天/遥感
飞行器:控制在预定轨道上;陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器
环境保护
练习与思考
- 传感器由哪三部分组成?
- 构成现代信息技术的三大支柱是什么?
- 传感器的静态特性有哪些?说明各特性的含义。
- 传感器按检测范畴分为哪几类?
- 传感器按输出信号分为哪几类?
- 简述物理传感器的原理。
- 常见的传感器接口有哪些?
