傳感器技術(shù)課件2024-01-31目錄傳感器技術(shù)概述傳感器工作原理及特性常見類型傳感器介紹及應(yīng)用傳感器信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換技術(shù)傳感器測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償技術(shù)傳感器接口電路與通信協(xié)議傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)傳感器技術(shù)概述01傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。定義作用傳感器定義與作用傳感器按其工作原理可分為物理型、化學(xué)型和生物型三大類。其中物理型傳感器是利用物理效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的，如壓力傳感器、溫度傳感器等；化學(xué)型傳感器則是利用化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量的，如氣體傳感器、濕度傳感器等；生物型傳感器則是利用生物體或生物物質(zhì)的特性進(jìn)行測(cè)量的，如生物傳感器、酶?jìng)鞲衅鞯取７诸悅鞲衅骶哂形⑿突?、?shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，傳感器的性能不斷提高，種類也不斷增多，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。特點(diǎn)傳感器分類與特點(diǎn)發(fā)展歷程傳感器技術(shù)經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)型、物性型、智能型等發(fā)展階段。隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，傳感器的性能得到了極大的提高，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。趨勢(shì)未來傳感器技術(shù)將朝著微型化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器將在智能家居、智能交通、智能醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。傳感器技術(shù)發(fā)展歷程及趨勢(shì)傳感器工作原理及特性0201傳感器定義能將感受到的被測(cè)量信息轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的器件或裝置。02工作原理分類物理型（基于物理效應(yīng)）和化學(xué)型（基于化學(xué)反應(yīng)）。03信號(hào)轉(zhuǎn)換過程被測(cè)量→敏感元件→轉(zhuǎn)換元件→電信號(hào)→輸出。傳感器基本工作原理靜態(tài)特性指標(biāo)靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性、穩(wěn)定性等。靈敏度傳感器輸出變化量與輸入變化量的比值，表示傳感器對(duì)被測(cè)量的響應(yīng)能力。線性度傳感器輸出與輸入之間線性關(guān)系的程度，用非線性誤差表示。遲滯傳感器在正反行程中輸出輸入曲線不重合的程度，用遲滯誤差表示。傳感器靜態(tài)特性分析動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)頻率響應(yīng)傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，用幅頻特性和相頻特性表示。階躍響應(yīng)傳感器對(duì)階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，用超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間等參數(shù)表示。頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)等。時(shí)間常數(shù)表征傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快慢的參數(shù)，越小表示響應(yīng)速度越快。傳感器動(dòng)態(tài)特性分析常見類型傳感器介紹及應(yīng)用03電阻式傳感器利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度、壓力、位移等外界因素變化而變化的特性，將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量進(jìn)行測(cè)量。廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、液位測(cè)量、位移測(cè)量等領(lǐng)域，如汽車油壓傳感器、溫度傳感器等。原理應(yīng)用場(chǎng)景電阻式傳感器原理及應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)用場(chǎng)景適用于測(cè)量位移、壓力、厚度、振動(dòng)等非電學(xué)量，如觸摸屏、電子秤等。原理電容式傳感器利用電容器極板間距離或介電常數(shù)的變化引起電容值的變化，從而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電容量進(jìn)行測(cè)量。電容式傳感器原理及應(yīng)用場(chǎng)景壓電式傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)壓電材料受到外力作用時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。主要用于測(cè)量動(dòng)態(tài)力、加速度、壓力和振動(dòng)等參數(shù)，如地震檢波器、汽車碰撞傳感器等。壓電式傳感器原理及應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)用場(chǎng)景原理原理光電式傳感器利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)被測(cè)物體遮擋或反射光源時(shí)，會(huì)引起光電器件輸出電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量。應(yīng)用場(chǎng)景廣泛應(yīng)用于光電開關(guān)、光電計(jì)數(shù)器、光電測(cè)速等領(lǐng)域，如自動(dòng)門控制、鼠標(biāo)滾輪檢測(cè)等。光電式傳感器原理及應(yīng)用場(chǎng)景傳感器信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換技術(shù)04信號(hào)放大針對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)，采用放大器進(jìn)行放大處理，提高信號(hào)幅度。濾波處理為消除噪聲和干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提高信噪比。線性化處理針對(duì)傳感器輸出的非線性信號(hào)，采用線性化電路進(jìn)行校正，使輸出信號(hào)與輸入量呈線性關(guān)系。隔離與保護(hù)為確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，采用隔離電路和保護(hù)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)逐次逼近法通過逐次逼近的方式將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，具有轉(zhuǎn)換精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。雙積分法利用積分器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行兩次積分，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔，再通過計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)字化。電壓頻率轉(zhuǎn)換法將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率與之成正比的脈沖信號(hào)，再進(jìn)行計(jì)數(shù)和數(shù)字化處理。直接ADC轉(zhuǎn)換采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）直接將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，具有轉(zhuǎn)換速度快、集成度高的特點(diǎn)。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)方法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成和功能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，包括放大、濾波、線性化等處理。傳感器用于感知和檢測(cè)外部信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)采集接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的連接和通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)處理與分析軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲(chǔ)和分析，提供可視化界面和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。傳感器測(cè)量誤差分析與補(bǔ)償技術(shù)05傳感器自身誤差包括傳感器原理誤差、制造誤差和使用誤差等。測(cè)量方法引起的誤差如測(cè)量電路、信號(hào)處理等環(huán)節(jié)引入的誤差。環(huán)境因素引起的誤差如溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素變化導(dǎo)致的傳感器誤差。人為因素引起的誤差如操作不當(dāng)、讀數(shù)誤差等。測(cè)量誤差來源及分類誤差傳遞規(guī)律01誤差會(huì)按照一定的規(guī)律在測(cè)量系統(tǒng)中傳遞，影響最終測(cè)量結(jié)果。02誤差合成方法根據(jù)誤差傳遞規(guī)律，將各環(huán)節(jié)誤差合成為總誤差，評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的精度。03權(quán)重因子分析分析各環(huán)節(jié)誤差對(duì)總誤差的貢獻(xiàn)程度，確定權(quán)重因子。誤差傳遞規(guī)律和合成方法硬件補(bǔ)償策略通過改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)等硬件手段來減小誤差。軟件補(bǔ)償策略通過算法處理、數(shù)據(jù)修正等軟件手段來補(bǔ)償誤差。復(fù)合補(bǔ)償策略綜合運(yùn)用硬件和軟件補(bǔ)償手段，提高測(cè)量精度。實(shí)例分析結(jié)合具體傳感器類型和測(cè)量場(chǎng)景，分析誤差來源和補(bǔ)償效果，提供實(shí)際應(yīng)用的參考。誤差補(bǔ)償策略和實(shí)例分析傳感器接口電路與通信協(xié)議06穩(wěn)定性原則確保接口電路穩(wěn)定可靠，能夠適應(yīng)各種工作環(huán)境和條件。兼容性原則接口電路應(yīng)具有良好的兼容性，能夠與不同型號(hào)、規(guī)格的傳感器進(jìn)行匹配。實(shí)時(shí)性原則接口電路應(yīng)能夠快速、準(zhǔn)確地傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)，保證實(shí)時(shí)性要求。安全性原則在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮電路的安全性，采取必要的保護(hù)措施，防止電路短路、過流等故障對(duì)設(shè)備和人員造成危害。傳感器接口電路設(shè)計(jì)原則一種常用的串行通信協(xié)議，傳輸距離較短，速率較低，但簡(jiǎn)單易用，適用于短距離通信。RS-232協(xié)議RS-485協(xié)議I2C協(xié)議SPI協(xié)議在RS-232基礎(chǔ)上增加了多點(diǎn)通信能力，傳輸距離和速率也有所提高，但需要額外的硬件支持。一種雙向同步串行總線，具有簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)，適用于連接多個(gè)設(shè)備。一種高速、全雙工的串行通信協(xié)議，適用于需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。常見通信協(xié)議及其特點(diǎn)比較調(diào)試方法采用逐步排查法，先檢查電源和信號(hào)線是否連接正確，再逐步檢查各個(gè)元器件和電路模塊是否正常工作。故障排除方法根據(jù)故障現(xiàn)象和電路原理進(jìn)行分析，確定故障點(diǎn)并進(jìn)行修復(fù)。常見故障包括電源故障、信號(hào)傳輸故障、元器件損壞等。在修復(fù)過程中，應(yīng)注意保持電路板的整潔和干燥，避免短路和虛焊等問題。接口電路調(diào)試和故障排除方法傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)07通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)基本定義物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其中感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心。包括傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。030201物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)簡(jiǎn)介01020304數(shù)據(jù)采集傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)采集。智能控制傳感器與控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能控制和管理。安全保障傳感器在安全防護(hù)、入侵檢測(cè)等方面發(fā)揮重要作用。節(jié)能減排傳感器在能源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面助力節(jié)能減排。傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中作用和價(jià)值微型化智能化標(biāo)準(zhǔn)化低功耗物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)傳感器新要求01020304傳感器需要更小的體積，以便集成到各種設(shè)備中。傳感器需要具備一定的數(shù)據(jù)處理和決策能力。傳感器接口和數(shù)據(jù)格式需要符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。傳感器需要更長(zhǎng)的使用壽命，尤其