物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論（第3章傳感與檢測技術(shù)）西安交通大學(xué)

2傳感器作用在人們的生產(chǎn)和生活中，我們經(jīng)常要和各種物理量和化學(xué)量打交道，例如經(jīng)常要檢測長度、重量、壓力、流量、溫度、化學(xué)成分等。在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)人員往往依靠儀器、儀表來完成檢測任務(wù)。這些檢測儀表都包含有或者本身就是敏感元件，能很敏銳地反映待測參數(shù)的大小。在為數(shù)眾多的敏感元件中，我們把那些能將非電量形式的參量轉(zhuǎn)換成電參量的元件叫作傳感器。傳感器的通用原理傳感器輸出電量有很多種形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號的部分。由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路進行放大、運算調(diào)制等。隨著IC發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件通常會集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。傳感器的通用原理輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。物理、化學(xué)、生物信息傳感器的通用原理由于從物理變量獲得的信號通常是模擬形式的，所以傳統(tǒng)的傳感器包括兩種類型的處理技術(shù)，即模擬信號處理技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)。傳感器的輸出信號往往很微弱，或波形不適當(dāng)，或信號形式不適合，不能直接用于工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和控制。信號調(diào)理電路：對傳感器的輸出信號施行一定預(yù)處理的裝置，使信號適于顯示或控制。主要技術(shù)：電子技術(shù)——運算放大器傳感器的通用原理直流電源測量系統(tǒng)信號調(diào)理電路現(xiàn)場物理量傳感器可用信號顯示裝置信號發(fā)生器示波器控制裝置萬用表圖：典型測量系統(tǒng)的組成

7傳感器的特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出/輸入關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。傳感器的動態(tài)特性往往可以從時域和頻域兩個方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。

傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出/輸入關(guān)系衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。定義：傳感器特性：指輸入x（被測量）與輸出y之間的關(guān)系靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時的關(guān)系動態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時的關(guān)系通常，要求傳感器在靜態(tài)情況下的輸入與輸出保持線性關(guān)系，實際上，很難滿足理想的線性關(guān)系，一般用多項式表示：

只有當(dāng)二階以上的項為0時，才滿足理想的線性關(guān)系

測量范圍和量程傳感器所能測量到的最小被測量（輸入）xmin與最大被測量（輸入）xmax之間的范圍稱為傳感器的測量范圍（measuringrange）,表示為YFS或（xmin，xmax）。傳感器測量范圍的上限值與下限值之差xmax－xmin稱為量程（span）。例如一溫度傳感器的測量范圍是-30～+120℃,那么該傳感器的量程為150℃

線性度輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度稱為線性度。一般用非線性誤差表示可用下式表示：輸出量Y輸入量X靈敏度傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。常用來表示：對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖所示，即：YXM點0N點遲滯傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯差值：正反行程的差值。遲滯誤差：傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值⊿Hmax與滿量程輸出值之比式中△Hmax—正反行程間輸出的最大差值0yx⊿HmaxyFS遲滯特性重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差

14傳感器的發(fā)展趨勢當(dāng)前傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢主要是微型化、智能化、多樣化，主要形式有微型傳感器、智能傳感器、納米傳感器等

15傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域傳感器在軍事、交通、化學(xué)、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、遙感、宇航等不同領(lǐng)域的需求與日俱增，其應(yīng)用的領(lǐng)域已滲入到國民經(jīng)濟的各個部門以及人們的日常文化生活之中。例如要使機器人和人的功能更為接近，以便從事更高級的工作，要求機器人具有判斷能力，這就要給機器人安裝物體檢測傳感器，特別是視覺傳感器和觸覺傳感器，使機器人通過視覺對物體進行識別和檢測，通過觸覺對物體產(chǎn)生壓覺、力覺、滑動和重量的感覺。這類機器人被稱為智能機器人，它不僅可以從事特殊的作業(yè)，而且一般的生產(chǎn)、事務(wù)和家務(wù)，全部可由智能機器人去處理。

16傳感器的分類傳感器一般是根據(jù)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等特性、規(guī)律和效應(yīng)設(shè)計而成的，同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量，而同一原理的傳感器又可測量多種物理量因此傳感器有許多種分類方法。

17傳感器的分類根據(jù)被測對象進行劃分，常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器。按照原理分類:電學(xué)式傳感器：電學(xué)式傳感器是非電量電測技術(shù)中應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的，主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。

18傳感器技術(shù)原理傳感器技術(shù)是一門知識密集型技術(shù)，涉及多種學(xué)科，其技術(shù)原理各種各樣。根據(jù)傳感器工作原理我們可以分為：應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等。電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。它的原理是將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，通過電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。所謂的電阻應(yīng)變就是當(dāng)由金屬絲、箔、薄膜制成的電阻應(yīng)變片在外界應(yīng)力作用下其電阻值會發(fā)生變化。當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形會引起敏感元件的電阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量值的大小反映了被測物理量的大小。應(yīng)變電阻器可用來測量位移、加速度、力、力矩、等物理量。電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)的，金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，如圖所示。金屬絲在未受力情況下，其原始電阻為：

電阻應(yīng)變式傳感器

我們稱KS為金屬絲的靈敏系數(shù)。靈敏系數(shù)受兩個方面影響：一是受力后材料幾何尺寸的變化，即；另一個是受力后材料電阻率發(fā)生的改變，即。大量實驗證明，在金屬拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即KS為常數(shù)。應(yīng)變式傳感器應(yīng)用種類電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實現(xiàn)非電量電測的一種裝置。利用電感式傳感器，能對位移、壓力、振動、應(yīng)變、流量等參數(shù)進行測量。它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強及測量精度高等一系列優(yōu)點，因此在機電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。它的主要缺點是響應(yīng)較慢，不宜于快速動態(tài)測量。電感式傳感器種類很多，根據(jù)感知原理可分為自感式、互感式和電渦流式等。自感式傳感器電渦流式傳感器電感式傳感器自感傳感器的基本工作原理演示?氣隙變小，電感變大，電流變小線圈自感線圈匝數(shù)磁路總磁阻電感式傳感器式中：Li——各段導(dǎo)磁體的長度；μi——各段導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率；Si——鐵芯材料的截面積；δ——氣隙的厚度；μ0——空氣的導(dǎo)磁率；S——空氣隙的截面積；對于變隙式傳感器,因為氣隙δ很小,所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損,則磁路總磁阻：R空氣氣隙>>R導(dǎo)磁體忽略導(dǎo)磁體磁阻δ電感式傳感器自感傳感器分為三種類型：a）δ－變間隙式b）S－變面積式c）螺管式磁路磁阻隨著銜鐵插入深度不同而變化電感式傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理,塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時,導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流,此電流叫電渦流,以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。電渦流效應(yīng)與被測金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。通過電路可將被測金屬參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。電渦流傳感器根據(jù)這一原理實現(xiàn)對金屬物體的位移、振動等參數(shù)的測量。Z:高頻渦流傳感器線圈阻抗ρ:電導(dǎo)率μ:導(dǎo)磁率r：線圈半徑等幾何尺寸I:線圈電流f:頻率x:距離電容式傳感器電容式傳感器以各種類型的電容器作為敏感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再由轉(zhuǎn)換電路(測量電路)轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達到檢測的目的常見的電容傳感器的應(yīng)用有電容式位移傳感器、電容式指紋傳感器等電容器電容器被測物理量電容變化量電參量U、I、f電容式傳感器電容式傳感器不僅能測量荷重、位移、振動、角度、加速度等機械量，還能測量壓力、液面、料面、成分含量等熱工量。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)特性好等一系列優(yōu)點，在機電控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位。

由物理學(xué)可知，當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時，由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，其電容量為：由公式可知，在三個參量中，改變其中任意一個量，均可使電容量C改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)(如位移、壓力、液位等)的變化引起三個參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量的改變實現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。電容式傳感器工作原理電容量C的變化決定于參數(shù)S、d

和ε，因而有三種基本類型的電容傳感器。εd

S

ε：介質(zhì)介電常數(shù)

εr—極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)

ε0—真空的介電常數(shù)

=8.85×10-12F/mS

：極板面積

d

：極板間距離電容式傳感器變極板間距離（d）型極板1固定不動的極板2沿間隙方向平行位移εδS1定極板2動極板ε：極板間介質(zhì)介電常數(shù)ε0：真空介電常數(shù)εr

：極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)δ

：極板間距離S

：極板面積電容式傳感器電容變化分析：變面積電容傳感器：常用的有角位移型和線位移型兩種，與變間隙型相比，適用于較大角位移及直線位移的測量

323.4常見傳感器介紹溫度傳感器是一種能夠?qū)囟茸兓D(zhuǎn)換為電信號的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性進行測溫的，如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動勢、磁導(dǎo)率變化以及熱膨脹的變化等，然后再通過測量電路來達到檢測溫度的目的。

33溫度傳感器

34濕敏傳感器濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號的器件。濕度檢測較之其他物理量的檢測顯得困難，這首先是因為空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多；另外，液態(tài)水會使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g并加速老化

，從而喪失其原有的性質(zhì)；

35光電式傳感器光電式傳感器就是將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的一種器件，簡稱光電器件。要將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，必須經(jīng)過兩個步驟：一是先將非電量的變化轉(zhuǎn)化成光量的變化；二是通過光電器件的作用，將光量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化，這樣就實現(xiàn)了將非電量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化

36光電式傳感器

37光纖傳感器光纖傳感器有兩種類型，一種是傳光型光纖傳感器，光纖在傳感器中起光的傳輸作用，又稱為光纖式光電傳感器。另一種是功能性光纖傳感器，光在光纖內(nèi)部傳輸過程中，受到外界物理因素（如溫度、壓力、電場、磁場等）的影響，會引起光纖中光的強度、相位、波長或偏振態(tài)等的變化，只要測出這些參量隨外界物理因素的變化關(guān)系，就可以用它作為傳感器來測量一些物理量的變化。

38CCD圖像傳感器圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，用于攝取平面光學(xué)圖像并使其轉(zhuǎn)換為電子圖像信號的器件。三線傳感器CCD：在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當(dāng)捕捉彩色圖片時,完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相CCD傳感器機，以產(chǎn)生高的分辨率和光譜色階。CCD是由許多個光敏像元按一定規(guī)律排列組成的。每個像元就是一個MOS電容器(大多為光敏二極管)，它是在P型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000A～15CCD傳感器00A的SiO2,再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上1個偏置電壓，就構(gòu)成1個MOS電容器。當(dāng)有1束光線投射到MOS電容器上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入P型Si襯底，襯底中處于價帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶。光子進入襯底時產(chǎn)生的電子躍遷形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動，這就是信號電荷。這些信號電荷儲存在由電極形成的“勢阱”中。

39CCD

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41氣敏傳感器氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度或成分的傳感器，它對于環(huán)境保護和安全監(jiān)督方面起著極重要的作用。一般對氣敏傳感器有下列要求：能夠檢測報警氣體的允許濃度和其他標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的氣體濃度，能長期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)所產(chǎn)生的影響小等。

42壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常