教学课件：《传感器及RFID技术应用》.ppt

1、 地位：专业必修课，专业5门核心课程核心课程之一，学时80（理论40学时+实训40学时），考试科目。考试科目。主要培养传感器及RFID的选型和应用能力；先修课程为电路分析与应用、电子技术分析与实践、电工电子技能训练等课程，后续课程为单片机应用技术、嵌入式系统基础及应用、毕业设计和顶岗实习等课程。1、课程性质传感器及RFID应用2-1 知识目标（1）会描述传感器技术的发展；会检测技术的基础知识；（2）会熟练分析典型传感器的组成和基本工作原理；（3）会RFID的基础知识；形成对传感器及RFID应用的基本认识。2-2 技能目标（1）会熟练选择典型被测量的测量方法和传感器；（2）会构建常用传感器测试电

2、路；能对常用基于传感器的控制系统进行简单维护维修。（3）会使用RFID器件；会使用测量工具测试传感器和RFID器件；2-3素质目标 培养学生具有一定的创新思维能力；培养学生谦虚好学的学习态度；培养学生认真细致的工作态度；培养学生严谨的工作作风和良好的职业习惯。2、课程目标传感器及RFID应用项目一 认识传感器（6学时）项目二 力和压力测量（4学时）项目三 温度测量（6学时）项目四 气体和湿度测量（4学时）项目五 位移检测（4学时）项目六 转速、流量检测（4学时）项目七 位置检测（2学时）项目八 RFID技术应用（6学时）项目九 传感器综合应用（2学时）复习（2学时）合计：理论40学时3、课程内

3、容传感器及RFID应用1）本课程关键点：了解原理-掌握选择传感器的方法-学会应用传感器。2）学习资料网站：学会搜索、下载、阅读传感器/RFID技术资料。传感器精品课程网站：http:/222.177.117.242:8029/中国传感器网：http:/www.8339.org/RFID世界网：http:/ 传感器及RFID应用项目一 认识传感器传感器的作用及应用1传感器的概念、分类与发展2传感器技术基础3了解传感器的概念、用途、分类及应用。学习传感器的特性与指标。能够描述什么是传感器。知道传感器选型的基本原则。项目目标能够列举出3种以上在手机、汽车上应用的传感器。人们为了从外界获得信息，必须借

4、助于感觉器官。人的“五官”眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能，人的大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理，从而调节人的行为活动。人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时需要对某一事物的存在与否作定性了解，有时需要进行大量的测量实验以确定对象的确切数据量值，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，需要借助于某种仪器设备来完成，这种仪器设备就是传感器。传感器是人类“五官”的延伸，是信息采集系统的首要部件。一、传感器的作用及应用一）传感器作用 表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。电量：一般是指物理学中的电学量

5、，例如电压、电流、电阻、电容及电感等。非电量：是指除电量之外的一些参数，例如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等等。人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。非电量需要转化成与其有一定关系的电量，再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。传感器是获取自然或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。采用传感器技术的非电量电测方法，就是目前应用最广泛的测量技术。一、传感器

6、的作用及应用一）传感器作用 随着科学技术的发展，传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息产业的三大支柱产业，分别充当信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，他们构成了一个完整的自动检测系统。在利用信息的过程中，首先要解决的问题就是获取可靠、准确信息，所以传感器精度的高低直接影响计算机控制系统的精度，没有性能优良的传感器，就没有现代控制技术的发展。一、传感器的作用及应用一）传感器作用一、传感器的作用及应用二）传感器应用 在石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业中，传感器在各自的工位上担负着相当于人们感觉器官的作用，它们每时每刻地按需要完成对各种信息的检测，再把大量测得的信息传输给计算机进行

7、处理，用以进行生产过程、产品质量、工艺管理与安全方面的控制。汽车生产零件传送钢铁工业一、传感器的作用及应用一）传感器作用 在石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业中，传感器在各自的工位上担负着相当于人们感觉器官的作用，它们每时每刻地按需要完成对各种信息的检测，再把大量测得的信息传输给计算机进行处理，用以进行生产过程、产品质量、工艺管理与安全方面的控制。石化生产机械加工零件传送钢铁工业一、传感器的作用及应用二）传感器应用 传感器在汽车上的应用已不只局限于对行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度以及燃料剩余量等有关参数的测量，汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气

8、循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等新设施上都应用了传感器。随着汽车电子技术、汽车安全技术和车联网技术的发展，传感器在汽车领域的应用将会更为广泛。一、传感器的作用及应用二）传感器应用 传感器已在现代家用电器中得到普遍应用，譬如，在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、彩色电视机、录像机、录音机、收音机、电唱机及家庭影院等方面都得到了广泛应用。随着物联网技术的发展，增加监控用的红外报警、气体检测报警，将各种家电联网，形成了智能家居系统。一、传感器的作用及应用二）传感器应用 在机器人

9、开发过程中，如何让机器人“看”、“听”、“行”、“取”甚至具有一定的智能分析能力，都离不开各种传感器的应用。在全国、省市级的电子竞赛项目中，可以看到机器人足球赛，避障、循迹、灭火、生活机器人，这些机器人也采用了众多传感器。“勇气号”火星探测车家庭服务机器人灭火机器人一、传感器的作用及应用二）传感器应用 应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高准确度的诊断，如图1-6所示。除此以外，病人的监护、管理也采用了基于RFID的跟踪技术。大型医疗设备医疗监控电子血压计一、传感器的作用及应用二）传感器应用 为保护环境，防震减灾

10、，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。如图1-7（a）（b）（c）所示为三种利用传感器制作的环境监测仪器，如图1-7（d）所示为音视频生命探测仪，在地震后的抢救生命中被广泛应用。（a）PM2.5检测仪（d）生命探测仪（b）噪声声级计（c）核辐射检测仪一、传感器的作用及应用二）传感器应用 为了解飞机或火箭的飞行轨迹，并把它们控制在预定的轨道上运行，就要使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量，如图1-8（a）。要了解飞行器飞行的方向，就必须掌握它的飞行姿态，飞行姿态可以使用红外水平线传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器及地磁传感器等进行测量。如图1-8所示为中国航天的两大标志

11、性技术成果嫦娥一号（b）和神舟八号（c）。（b）嫦娥一号（c）神舟八号飞船对接（a）飞机驾驶舱一、传感器的作用及应用二）传感器应用 所谓遥感技术，简单地说就是从飞机、人造卫星、宇宙飞船及船舶上对远距离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。如图1-9（a）所示为哈勃望远镜拍摄的照片。如图1-9（b）所示为四川芦山地震灾区卫星地图。如图1-9（c）所示为珠峰卫星遥感地图。（b）四川芦山灾区遥感图（c）珠峰遥感图（a）哈勃望远镜人马座照片一、传感器的作用及应用二）传感器应用 随着手越来越多的采用传感器技术，其智能程度越来越高，请思考一下，我们的手机上使用了哪些传感器？在此举出3种：、

12、。二、传感器概念、分类、发展传感器传感器任务 传感器技术 一）传感器基本概念定义：能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调理电路3部分组成。简单描述：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。感知与测量。人造感官：工程传感器。东汉末年张衡发明候风地动仪 涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合技术，因此传感器技术涉及多学科交叉研究。传感器传感器敏感元件敏感元件构成传感器的核心，是指能直接感测或响应被测量的部件。转换元件转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现

13、。调理电路调理电路是把传感元件输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。二、传感器概念、分类、发展二）传感器构成与分类二、传感器概念、分类、发展二）传感器构成与分类分分 类类 法法型型 式式说说 明明按基本效应物理,化学,生物型分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理结构型以其转换元件结构参数特性变化实现信号转换物性型以其转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系能量转换型传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型传感器输出量能量由外源供给,但受被测输入量控制按作用原理应变式,电容式,压电式,热电式等以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量分位移,压

14、力,温度,流体,气体等以被测量命名（即按用途分类法）按输出量分模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号二、传感器概念、分类、发展三）传感器发展趋势MEMS微电子机械技术、纳米技术新效应新材料新要求微型化微功耗集成化多功能化智能化数字化网络化（有线、无线）三、传感器技术基础一）传感器特性与指标三、传感器技术基础一）传感器特性与指标1.传感器的静态特性传感器的静态特性1）静态特性描述）静态特性描述 静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出输入关系，研究静态特性主要考虑其非线性、滞后、重复、灵敏度、分辨力等方面。传感器的输出/输入关系或多或少地存在非线性问题，在不考虑迟滞、蠕变、

15、不稳定性等因素的情况下，其静特性可用下列多项式代数方程表示：nn332210 xaxaxaxaay式中y为输出量；x为输入量；a0为零点输出；a1为理论灵敏度；a2,a3an为非线性项系各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。静态特性曲线可实际测试获得，在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的方法来线性化。显然，选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差，并考虑使用与计算方便。理论直线法端点直线法最佳直线法三、传感器技术基础一）传感器特性与指标2）静态特性参数）静态特性参数（Linearity）线性度又称非线性度，是表征传感器输出输入校准曲

16、线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差。灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比，线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，即，非线性传感器的灵敏度不是常数，应以 表示。3.回差（滞后）(Hysteresis)回差是反映传感器在正（输人量增大）反（输入量减小）行程过程中输出输入曲线的不重合程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值Hmax计算，并以相对值表示。%100yLe.S.FmaxH输出平均值与拟合直线间的最大偏差理论满量程输出值xyKdxdy线性传感器：非线性传感器：%100yHe.S.FmaxH4.重复性(Repeat

17、ability)回差是反映传感器在正（输人量增大）反（输入量减小）重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。%100yaeS.F.maxR三、传感器技术基础一）传感器特性与指标2）静态特性参数）静态特性参数5.分辨率(Resolution)分辨率是传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。有时用该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨力。7.稳定性（Stability）又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过规定的时间间隔后，传感器的输

18、出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。8.漂移（Drift)漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。9.静态误差（Precision）静态误差又称精度，是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。它表示采用该传感器进行静态测量时所得数值的不确定度。静态误差的计算是将非线性、回差、重复性误差按

19、几何法综合.2R2H2Lseeee%10032ye.S.FS静态误差的计算相对误差表示静态误差6.阀值（Threshold）阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给出噪声电平。三、传感器技术基础一）传感器特性与指标10.精确度与精确度（精度）有关的指标是精密度和准确度。精确度是精密度和准确度两者的总和，精确度表高示精密度和准确度都高。在最简单的情况下，可以取二者的代数和。精确度常用测量误差的相对值表示。关于三者的关系如图1

20、-17所示，精密度高不一定准确度高（a），准确度高不一定精密度高（b），理想的情况是测量结果的精确度高（c）。（a）准确度低而精密度高 （b）准确度高而精密度低 （c）精确度高图1-17 传感器的精确度（1）精密度：说明测量传感器输出值的发散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随机误差大小的标志，精密度高意味着随机误差小。（2）准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如，某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大

21、小的标志，准确度高意味着系统误差小。例：某温度传感器测量范围为01000，据工艺要求，测量误差不允许超过7，应如何选择其精度才能满足要求?仪表允许的最大引用误差应为：去掉“”与“”号，数值介于0.5、1.0级之间，若选择1.0级，其允许误差为1.0，超过工艺允许的最大误差。仪表允许的最大引用误差应为选择0.5级精度才能满足要求。三、传感器技术基础一）传感器特性与指标2.传感器的动态特性传感器的动态特性动态特性是反映传感器随时间变化的输入量的响应特性。用传感器测试动态量时，希望它的输出量随时间变化的关系与输入量随时间变化的关系尽可能一致，以实现传感器对快速变化输入量的快速、准确、稳定可靠的检测。

22、但实际情况往往实现不了，因此需要研究它的动态特性，也就是分析其动态误差。它包括两部分：1）输出量达到稳定状态以后与理想输出量之间的差别；2）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差、由于实际测试时输入量是千变万化的，且往往事先并不知道，故工程上通常采用输入“标准”信号函数的方法进行分析，并据此确立若干评定动态特性的指标。常用的“标准”信号函数是正弦函数与阶跃函数，下面将分析传感器对正弦输入的响应（频率响应）和阶跃输入的响应（阶跃响应）特性及性能指标。在不考虑各种静态误差的条件下，可以用常系数线性微分方程描述单输入x、单输出y传感器动态特性，以下为其动态数学模型：x

23、dtdxxxydtdyyybbdtabdtabaadtdadtda011m1m1mmmm011n1m1nnmn设x(t)、y(t)的初始条件为零，对上式两边逐项进行拉氏变换，可得传递函数：aasasabbsbsb011n1nnn011m1mmmsssXsYsH传递函数是拉氏变换算子S的有理分式，所有系数都是实数，这是由传感器的结构参数决定的。分子的阶次m不能大于分母的阶次n，这是由物理条件决定的。分母的阶次用来代表传感器的特征：n0时，称为零阶；n1时，称一阶；n2时，为二阶；n更大时，为高阶。三、传感器技术基础一）传感器特性与指标2.传感器的动态特性传感器的动态特性1）传感器的频率响应特性a

24、ajajabbjbjb011n1nnn011m1mmmjjjXjY XYjXjYA jXjYRejXjYImarctan传感器的幅频特性：传感器的相频特性：三、传感器技术基础一）传感器特性与指标2.传感器的动态特性传感器的动态特性2）传感器的阶跃响应特性当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号时，其输出信号称为阶跃响应，如图1-18所示。一阶系统二阶系统衡量阶跃响应的指标有：（1）时间常数 传感器输出值上升到稳态值yc的63.2所需的时间。参见图1-18（a）。（2）上升时间Tr 传感器输出值由稳态值的10上升到90所需的时间，但有时也规定其他百分数。参见图1-18（b）。（3）响应时间Ts 输出

25、值达到允许误差范围2所经历的时间，或明确为“百分之二响应时间”。参见图1-18（b）。（4）超调量a1 响应曲线第一次超过稳态值之峰高，即a1=ymax+yc，或用相对值a=（ymax-yc）/yc100表示。参见图1-18（b）。（5）衰减率 指相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数：=（anan2）/an100。参见图1-18（b）。（6）稳态误差ess 系无限长时间后传感器的稳态输出值与目标值之间偏差ss的相对值：ess=（ss/yc）100。参见图1-18（b）。三、传感器技术基础二）传感器命名与代号1.传感器的命名传感器的命名1）方法1传感器产品的名称，应由主题词及四级修饰语构成，构

26、成顺序（1）（5）。（1）主题词传感器。（2）第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语。（3）第二级修饰语转换原理，一般可后续以“式”字。（4）第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必须的性能特征，一般可后续以“型”字。（5）第四级修饰语主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。说明：本命名法在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合使用。例1：传感器，绝对压力，应变式，放大型，13500kPa。例2：传感器，加速度，压电式，20g。2）方法2在技术文件、产品样书、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与方法1相反的顺序

27、。例1：13500kPa放大型应变式绝对压力传感器。例2：20g压电式加速度传感器。三、传感器技术基础二）传感器命名与代号2.传感器代号标记方法传感器代号标记方法一般规定用大写汉字拼音字母和阿拉伯数字构成传感器完整代号。传感器完整代号应包括以下四个部分：（1）主称（传感器）；（2）被测量；（3）转换原理；（4）序号。四部分代号格式如图1-19所示。（4）序号（3）转换原理（2）被测量（1）主称在被测量、转换原理、序号三部分代号之间有连字符“-”连接。例1：应变式位移传感器，代号为：CWY-YB-10。例2：光纤压力传感器，代号为：CY-GQ-1。例3：温度传感器，代号为：CW-01A。例4：电

28、容式加速度传感器，代号为：CA-DR-2。注意：有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用“A”表示。三、传感器技术基础三）传感器选型1.普通传感器选型普通传感器选型1）传感器的类型选择传感器的类型选择是根据具体测量工作决定的，这需要针对多方面的因素进行分析后才能给出明确的答案。传感器测量的对象对传感器本身设计原理的选择具有一定的决定作用。此外量程的大小、测量的方式、信号的引出方法及传感器本身的质量和价格，也需要综合考虑。2）灵敏度的选择在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是：传感器的灵敏度

29、高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。此外，传感器的灵敏度是有方向性的。3）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：（1）量程的大小；（2）被测位置对传感器体积的要求；（3）测量方式为接触式还是非接触式；（4）信号的引出方法，有线或是非接触测量；（5）传感器的来

30、源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。4）频率响应特性的选择传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因此频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)确定响应特性，以免产生过大的误差。三、传感器技术基础三）传感器选型1.普通传感器选型普通传感器选型5）线性范围的选择 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。从以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的

31、线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。6）稳定性的选择 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。7）精度的选择 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器

32、中选择比较便宜和简单的传感器。在实际应用中选择传感器要把握住：（1）根据实际需要，保证主要的参数。（2）不必盲目追求单项指标的全面优异，主要关心其稳定性和变化规律性。思考：查阅相关的资料，看汽车水箱温度控制选择什么温度传感器（），水箱温度控制范围在7595，具有较高的性价比。三、传感器技术基础三）传感器选型2.工业传感器选型工业传感器选型1）测量范围的选择测量范围的选择要根据被测变量的大小和变化范围，留有充分的余地。测量稳定变量，最大测量值不应超过量程的2/3；测量脉动变量，最大测量值不应超过量程的1/2；一般被测变量最小值不应低于传感器量程的1/3。2）精度等级的选择在工业测量中，为了便于表

33、示仪表的质量，通常用准确度等级来表示仪表的准确程度。准确度等级就是最大引用误差去掉正，负号及百分号。准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。我国工业仪表等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。关于测量误差，按照其特点与性质可以分为系统误差、随机误差和粗大误差（应该剔除）。阅读表1-3，分析图1-17中所示的弹着点包含哪一类误差。产生原因误差特征误差处理系统误差系统缺陷或环境因素误差值恒定或有一定规律系统改进或引入修正值随机误差大量偶然因素误差值不定且不可预测多次测量取算术平均粗大误差操作失误测量值明显偏离实际值剔除数据按照测量对象的特点可以分为静态误差和动态

34、误差。如果真值为A0，指示值：Ax，仪表满量程：AFs=Amax-Amin，则：绝对误差：=Ax-A0 （1-16）相对误差：rA=/A0*100%（1-17）例1：A010kg，x=10.1kg =0.1kg；rA=1%A0100kg，x=100.5kg =0.5kg；rA=0.5%例2：待测电压70V，表（1）0.5级、0500V，表（2）1.0级、0100V，通过计算说明选用哪个表测量误差较小？解：|m1|=0.5%500=2.5伏|m2|=1.0%100=1伏 可见，应选择表（2）。三、传感器技术基础四）传感器标定1.传感器标定与校准方法传感器标定与校准方法 利用某种标准器具对新研制或

35、生产的传感器进行全面的技术检定和标度，称为标定；对传感器在使用中或储存后进行的性能复测，称为校准。基本方法是：利用标准仪器产生已知的非电量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。2.静态标定静态标定 指输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性如灵敏度、非线性、滞后、重复性等指标的检定。3.动态标定动态标定 对被标定传感器输入标准激励信号，测得输出数据，做出输出值与时间的关系曲线。由输出曲线与输入标准激励信号比较可以标定传感器的动态响应时间常数、幅频特性、相频特性等。项目小结传感器是把需要测量的非电量信号转换为电信号的装置。传感

36、器在诸多的领域存在广泛应用，随着科技进步，传感器技术也日新月异，改变、改善着我们的生活，传感器技术是实现“感知中国、智慧地球”的关键技术。在以后各个项目的学习中，要注意学习每种传感器的基本原理、掌握传感器选型和应用的知识和技能。思考练习1.什么是传感器？2.列举3个在日常生活中用到传感器的实例。3.列举在体育比赛中用到的传感器。4.普通传感器选型需要注意哪些问题？5.要测量一个炼铁高炉的炉温，查阅相关资料选择一种传感器。（提示：某炼铁高炉的温度在400-1600度之间）6.2008年四川汶川，2010年青海玉树，2013年四川庐山相继发生了7级以上强地震，给灾区人民造成了极大的损失，从相关新闻

37、报道来看，生命探测仪在抢险救灾中起到了重要作用，挽救了很多人的生命。请查阅相关资料，完成5页的一篇报告。内容包含：1）生命探测仪原理概述。2）生命探测仪的组成框图。3）生命探测仪使用简介。4）相关传感器的技术手册。项目二：力和压力测量 传感器及RFID应用技术项目二 力和压力测量电阻应变式传感器1压电式传感器23 了解电阻应变式、压电式传感器的基本结构；学习直流电桥的平衡条件，熟悉电阻应变片的温度补偿法。学会识别电阻应变式传感器，通过实验掌握电阻应变式、压电式传感器的使用方法。项目目标 使用单片集成硅压力传感器MPX5100设计一种简易的压力计。现实中有哪些地方需要测力或压力？现实中有哪些地方

38、需要测力或压力？汽车上汽车安全气囊地磅医疗上：眼压仪、血压计 力敏传感器，顾名思义就是能对各种力或能转化为力的物理量产生反应，并能将其转变为电参数的装置或元件。根据由力至电参数转变的方式不同，力敏传感器一般有电阻应变式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、压电式传感器、电容式传感器等，它们也可用来测量压力值。一、电阻应变式传感器一）什么是力敏传感器 1）应变效应 由物理学可知，电阻丝的电阻R与电阻丝的电阻率、导体长度及截面积存在如下关系：（2-1）当电阻丝受到拉力作用时，长度伸长，横截面积收缩，电阻率变化，如图2-1所示，此时电阻值变化。图2-1 电阻丝应变效应一、电阻应变式传感器二）电阻应变

39、式传感器slR2）电阻应变式传感器的结构及特性 金属丝式电阻应变片 分类：金属箔式应变片一、电阻应变式传感器二）电阻应变式传感器 将电阻应变片粘贴于待测构件上，应变片电阻将随构件应变而改变，将应变片电阻接入相应的电路中，使其阻值变化转化为电流或电压输出，即可测出力值。通常将应变片接入电桥电桥来实现电阻至电压或电流的转换。根据电桥电源不同，又分直流电桥和交流电桥。这里主要介绍直流电桥。图2-4一、电阻应变式传感器二）电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器计算可知ERRRRRRRRU)(43214231 （2-2）若使此电桥平衡，即 ，只要 。一般我们取 即可实现。现将 换成电阻应变片，即组成半桥单

40、臂电路，随构件产生应变造成传感器电阻变化 时，式（2-2）变成0U04231RRRR4321RRRR1RRERRRU24 （2-3）可见，输出电压与电阻变化率成线性关系，也即和应变成线性关系，由此即可测出力值，由式（2-3）可得半桥单臂电路工作输出的电压灵敏度为：（2-4）/4uUEkR R为了提高输出电压灵敏度，可以采用半桥或全桥电路，如图2-5所示。图2-5直流电桥的连接方式（a）半桥电路 （b）全桥电路 图中 和 为电阻应变片在构件上的对称布置，“+”表示应变片受拉力，“-”表示应变片受压力。分别使用式（2-2）计算可得：对于半桥双臂ERRU21（2-5）对于全桥ERRU（2-6）即半桥

41、双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而全桥电路电压半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度提高一倍灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度提高一倍。可见，利用全桥，并提高供电电压E，可提高灵敏度系数。对于半桥单臂ERRU41ERRRRRRRRU)(43214231 （2-2）例例2-2 2-2 采用阻值为采用阻值为120120灵敏度系数灵敏度系数K K=2.0=2.0的金属电阻应变片和阻值为的金属电阻应变片和阻值为120120的固定电阻的固定电阻组成电桥，供桥电压为组成电桥，供桥电压为4V4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为，并假定负载电阻无穷大

42、。当应变片上的应变分别为1 1和和1 0001 000时，时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。解：解：，所以应变为，所以应变为1时时/V/V，所以应变为，所以应变为1000时时/V/V，单臂单臂:，所以应变为，所以应变为1时时，所以应变为，所以应变为1000时时半桥半桥:20UKU660104210242UKU/V/V，330104210242UKU/V/V，所以应变为，所以应变为1时时，所以应变为，所以应变为1000时时全桥全桥:/V/V，/V/V，UKU060108U30108U从上面的计算可知

43、：单臂时灵敏度最低，半桥双臂时为其从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，半桥双臂时为其 倍，全桥倍，全桥时最高，为单臂的时最高，为单臂的 倍。倍。两两四四UKURRU441因为因为所以：所以：例例2-3 2-3 例例2-4 2-4 采用阻值采用阻值R=120R=120灵敏度系数灵敏度系数K=2.0K=2.0的金属电阻应变片与阻值的金属电阻应变片与阻值R=120R=120的的固定电阻组成电桥，供桥电压为固定电阻组成电桥，供桥电压为10V10V。当应变片应变为。当应变片应变为10001000时，若要使输出电压大于时，若要使输出电压大于10mV10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？则可

44、采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？解：解：由于不知是何种工作方式，可设为由于不知是何种工作方式，可设为n，故可得：，故可得：得n要小于2，故应采用全桥工作方式。1）温度误差 期望：用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。定义：由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差。影响因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。一、电阻应变式传感器二）电阻应变式传感器二、压电式传感器一）压电式传感器基本工作原理 当您将按钮轻轻一旋，煤气灶迅即燃起蓝色

45、火焰，您可曾意识到是什么带给您的这份便利呢？将一块看起来平淡无奇的陶瓷接上导线和电流表，用手在上面一摁，电流表的指针也跟着发生摆动竟然产生了电流。二、压电式传感器一）压电式传感器基本工作原理 其实，这是压电材料中的压电陶瓷压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，故可用于制造压电打火机、移动X光机电源、炮弹引爆装置等。二、压电式传感器一）压电式传感器基本工作原理 压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用

46、力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。压电体是发射和接收超声波的理想材料。F石英晶体压电效应演示石英晶体压电效应演示 力的方向改变时，力的方向改变时，电荷的符号也随之电荷的符号也随之改变，外力去掉后，改变，外力去掉后，电荷消失。电荷消失。二、压电式传感器一）压电式传感器基本工作原理 分类石英晶体：单晶压电晶体天然存在。压电陶瓷：极化的多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸钡等人工制造。有机高分子压电材料：近年来发展的新型材料。常用压电材料性能石英晶体天

47、然形成的石英晶体外形石英晶体薄片石英晶体切片及封装双面镀银及封装高分子压电薄膜及拉制 压电材料特性指标弹性常数压电系数介电常数电阻机械耦合系数居里点二、压电式传感器二）压电式传感器基本工作原理 压电式传感器可以看作一个电荷发生器电荷发生器。同时，它也是一个电容电容器器，其电容量为：dACar0式中：A为压电片的面积；d为压电片的厚度；为压电材料的相对介电常数；为空气的相对介电常数。r0二、压电式传感器二）压电式传感器基本工作原理 因此，压电传感器可以等效为一个与电容器Ca串联的电压源Ua，如图2-12（a）所示；也可以等效为一个与电容器并联的电荷源q，如图2-12（b）所示。电压Ua，电荷量q

48、和电容量Ca这三者的关系为：。图2-12 压电传感器等效电路aaCqU二、压电式传感器二）压电式传感器基本工作原理 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。图图2-14 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路电压放大器电压放大器电荷放大器电荷放大器 图图2-13 电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大器电路原理及其等效电路图二、压电式传感器三）压电式传感器及其应用并联并联串联串联目的：提高灵敏度图2-15压电元件的两种接法适用于测量缓慢变化的信号，并以电荷为输出量适用于测量电路有高输入阻抗，并以电压为输出量二、压电式传感器三）压电式传

49、感器及其应用传感器类型转换方式压电材料用途力敏力电石英、罗思盐、ZnO、BaTiO3、PZT、PMS、电致伸缩材料微拾音器、声纳、应变仪、气体点火器、血压计、压电陀螺、压力和加速度传感器声敏声电声压石英、压电陶瓷振动器、微音器、超声波探测器、助听器声光PbM0O4、PbYiO3、LiNbO3声光效应器件光敏光电PbTiO3、LiTaO3热电红外线探测器热敏热电BaTiO3、LiTaO3、PbTiO3、TGS、PZO温度计表2-1 压电式传感器的主要应用类型二、压电式传感器三）压电式传感器及其应用6）煤气灶电子点火器7）手机和平板电脑的横竖显示转换8）手机跌落关机保护1）压电式力传感器3）压电式

50、玻璃破碎报警器 4）血压计传感器应用应用2）压电式加速度传感器5）乐器传感元件1）压电式力传感器 压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力电转换装置。图2-17 YDS-78型压电式单向力传感器2）压电式加速度传感器 压电式加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数。图2-18 压电式加速度传感器3）压电式玻璃破碎报警器 BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把震动波转换成电压输出，输出。电压经过放大、滤波、比