电子信息工程概论课件第二章

第二章 传感器技术2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 概 述 传感器的数学模型 传感器的基本特性 常用传感器原理与应用 传感器的应用展望

2.1 概述

本节主要内容： 2.1.1 传感器的基本概念 2.1.2 传感器的作用 2.1.3 传感器的分类

2.1.1 传感器的基本概念

何谓传感器 (Transducer sensor)?生 物体的感官就是天然的传 感器。如人的“五官”, 眼、耳、鼻、舌、皮肤分 别具有视、听、嗅、味、 触觉。右图是人与机器设 备获取外界信息方式的比 较。

人获取外界信 息途径

机械设备获取外 界信息方式

视觉 嗅觉 听觉 味觉

光传感器 湿度传感器 气体传感器 声音传感器 味传感器

触觉

温度传感器 压力传感器

2.1.1 传感器的基本概念在工程科学与技术领域里，可以认为：传感器是人 体“五官”的工程模拟物。国家标准把它定义为：能感 受规定的被测量量(包括物理量、化学量、生物量等)并 按照一定的规律转换成可用信号的器件或装臵，通常由 敏感元件(Sensing Element)、转换元件(Transduction Element)和信号调节转换电路等部件组成

被测非电量

敏感元件

有用非电量

转换元件

有用电参量

信号调节转 可用电量 换电路

辅助电路

2.1.1 传感器的基本概念 传感器狭义地定义为：能把外界非电信息转 换成电信号输出的器件或装臵。 可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更 便于快速、高效地处理与传输的可用信号时,传感 器的概念将随之发展成为能把外界信息或能量转 换成光信号或能量输出的器件或装臵。 传感器技术是一门涉及测量技术、功能材料、 微电子技术、精密与微细加工技术、信息处理技 术和计算机技术等相互结合形成的密集型综合技 术。

2.1.2 传感器的作用 人与机器的功能对 应关系，作为模拟 人体感官的“电五 官”,传感器是系 统对外界猎取信息 的“窗口”。

人体系统

(刺激) 感官 人脑 肢体

外 界 对 象

(信息) 传感器 电脑 执行器

机器系统

2.1.2 传感器的作用

“阿波罗”登月器

美国“阿波罗”登月飞 行器，其上面安装的各种传 感器达就多达3200个 。现 代的飞机、汽车、甚至家用 电器也是如此。一辆现代化 的汽车，其所用的传感器种 类达数十种 。

2.1.2 传感器的作用丢盖传感器 瓶盖位置传感器

罐体到位传感器

传感器在工业检测中的应用

2.1.2 传感器的作用

全新领域

健康医疗

国防

安全应用

时尚生活

传感器 传感器网络 网络

交通运输

工业应用 节能应用 工业生产 智能家居

传感器网络在生活中应用

2.1.3 传感器的分类

一种被测量，可以用不同的传感器来测量；而 同一原理的传感器，通常又可分别测量多种被 测

量。分类的方法可谓五花八门。 如：根据物理和化学等学科的原理、规律和效应 进行分类； 根据输入物理量的性质进行分类； 根据制造传感器所使用的材料进行分类； 根据能量观点分类或按用途、学科、功能和输 出信号的性质等进行分类等。

2.1.3 传感器的分类分类法 按基本效应 分 按传感机理 分 按能量关系 分 型式 物理型、化学型、生物型等 结构型(机械式、感应式、电参量式等) 物性型(压电、热电、光电、生物、化学等) 能量转换型(自源型) 能量控制型(外源型) 按作用原理 分 按功能性质 分 按功能材料 分 按输入量分 按输出量分 应变式、电容式、压电式、热电式等 力敏、热敏、磁敏、光敏、气敏等 固态(半导体、半导瓷、电介质)、光纤、膜、超导等 位移、压力、温度、流量、气体等 模拟式、数字式 说明 分别以转换中的物理效应、化学效应等命 名 以敏感元件结构参数变化实现信号转换 以敏感元件物性效应实现信号转换 传感器输出量能量直接由被测能量转换而 得 传感器输出量能量由外源供给，但受被测 输入量控制 以传感器对信号转换的作用原理命名 以被测量的敏感性质命名 以敏感功能材料的名称或类别命名 以被测量命名(即按用途分类法) 输出量为模拟信号或数字信号

2.2 传感器的数学模型

本节主要内容： 2.2.1 静态模型 2.2.2 动态模型

2.2.1 静态模型

静态模型是指在输入信号不随时间变化的情况下， 描述传感器的输出与输入量的一种函数关系。如果不 考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的输入量x与输出量 y之间的关系通常可用一个如下的多项式表示： y=a0+a1x+a2x2+…+anxn 式中： a0——输入量 x为零时的输出量； a1 , a2,…, an—— 非线性项系数。各项系数决定了特性曲线的具 体形式。

2.2.2 动态模型 传感器的动态模型是指输入量随时间变 化时传感器的响应特性 , 它描述了输出和输 入信号的一种数学关系。由于传感器的惯性 和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的 输出往往来不及达到平衡状态，处于动态过 渡过程之中，所以传感器的输出量也是时间 的函数。动态模型通常采用微分方程和传递 函数描述。

2.2.2 动态模型1.微分方程 大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟系统的 一般方法是采用微分方程。在实际的模型建立过程中， 一般采用线性常系数微分方程来描述输出量y和输入量x 的关系。其通式如下：an d yn

bm

dt n d mx dt m

a n 1

d n 1 y

bm 1

dt n 1 d m 1 x dt m 1

a1

dy a0 y dt dx b0 x dt

b1

这里an,an-1…a0和bm,bm-1…b0 为传感器的结构参数。

除b0≠0外，一般取b1,b2…bm为零。

2.2.2 动态模型2.传递函数 如果y(t)在t≤0时， y(t) =0,则y(t) 的拉氏变换 可定义为Y s y t e st dt0

式中s=σ+jω,σ>0。对微分方程两边取拉氏变换，则 得 Y s an s n an 1s n 1 a0 X s bm s m bm 1s m 1 b0