1、传感器与自动检测技术,教材：检测与传感器应用技术祁和义主编，高等教育出版社，2009 参考书：传感器与自动检测技术余成波主编，高等教育出版社，2004 教学学时：理论50；实验10 考核形式：考试（平时10%，实验10%） 课程特点：实践性强 先修课程：电路；电子技术；微机原理及应用,1. 检测与传感器技术基础 2. 电阻式传感器 3. 电感式传感器 4. 电容式传感器 5. 压电式传感器 6. 霍尔传感器 7. 光电式传感器 8. 热电式传感器 9. 数字式传感器 10. 其他传感器,传感器与自动检测技术,基础知识 定义、分类 发展趋势、 选用原则、 一般特性,传感器原理,检测技术,电容式传
2、感器,电阻式传感器,电感式传感器,压电式传感器,数字式传感器,热电式传感器,固态传感器,信号变换与抗干扰技术,传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,课程主要内容,实践性强,课程特点：,期望逐步解决侧重课本教学中存在的一些问题： 1.检测技术应用、发展部分空洞； 2.传感器部分没有实物对象、枯燥无味； 3.信号分析理论部分深奥、难懂。,教学方法：,理论教学 案例教学 三者结合 实践教学,课程特点与教学方法,注意学习理解各种传感器的数学模型 掌握各种传感器的应用范围 多看应用性的文章 养成讨论习惯,课程学习方法,第一章 检测与传感器技术基础知识,概述,1.1,测量概论,1.2,传
3、感器基础知识,1.3,检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。,1.1 概述,1. 检测技术的概念和应用,1.1 概述,检测技术就是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性了解和定量掌握所采取的一系列技术措施。,（1）检测系统的基本组成一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中
4、还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。检测系统的组成框图如下 ：,2. 检测系统,1. 传感器传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的。2. 测量电路测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。,3. 显示记录装置显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程
5、。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。模拟式显示是利用指针对标尺的相对位置表示被测量的大小。其特点是读数方便、直观，结构简单、价格低廉，在检测系统中一直被大量应用；数字式显示则直接以十进制数字形式来显示读数，实际上是专用的数字电压表，它可以附加打印机，打印记录测量数值；图像显示，将输出信号送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，作为检测结果，供分析使用。,1. 测量方法测量方法是实现测量过程所采用的具体方法，应当根据被测量的性质、特点和测量任务的要求来选择适当的测量方法。按照测量手段可以将测量方法分为直接测量和间接测量；按照获得测量值的方式可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量
6、；此外，根据传感器是否与被测对象直接接触，可区分为接触式测量和非接触式测量；而根据被测对象的变化特点又可分为静态测量和动态测量等。,1.2 测量概论,（1）直接测量与间接测量.直接测量 用事先分度或标定好的测量仪表，直接读取被测量测量结果的方法称为直接测量。直接测量是工程技术中大量采用的方法，其优点是直观、简便、迅速，但不易达到很高的测量精度。.间接测量 首先，对和被测量有确定函数关系的几个量进行测量，然后，再将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需结果。这种测量方法，属于间接测量。测量结果y和直接测量值xi(i1，2，3)之间的关系式为：yf(x1x2x3) 。间接测量手续多，花费时间长，当
7、被测量不便于直接测量或没有相应直接测量的仪表时才采用。,III. 组合测量 如果被测量与几个中间量有关，通过改变测量时的条件，分别测量这几个中间量，再列出被测量与中间量的函数关系式，求解方程组，得到测量结果。 例如，为了测出电阻的温度系数，可利用电阻值与温度间的关系式：Rt=R201+（t-20）+(t-20)2中的和需测定。可以通过方程R1=R201+（t1-20）+(t1-20)2R2=R201+（t2-20）+(t2-20)2R3=R201+（t3-20）+(t3-20)2解出、和R20得到测量结果。,（2）偏差式测量、零位式测量和微差式测量.偏差式测量 在测量过程中，利用测量仪表指针相
8、对于刻度初始点的位移(即偏差)来决定被测量的测量方法，称为偏差式测量。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。偏差式测量仪表在进行测量时，一般利用被测量产生的力或力矩，使仪表的弹性元件变形，从而产生一个相反的作用，并一直增大到与被测量所产生的力或力矩相平衡时，弹性元件的变形就停止了，此变形即可通过一定的机构转变成仪表指针相对标尺起点的位移，指针所指示的标尺刻度值就表示了被测量的数值。偏差式测量简单、迅速，但精度不高，这种测量方法广泛应用于工程测量中。,.零位式测量 用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表，从而判定被测量值等于已知标准量的方法称作零位式测量。用天平测量物体的质量就是
9、零位式测量的一个简单例子。. 微差式测量 这是综合零位式测量和偏差式测量的优点而提出的一种测量方法，基本思路是将被测量x的大部分作用先与已知标准量N的作用相抵消，剩余部分即两者差值xN，这个差值再用偏差法测量。微差式测量中，总是设法使差值很小，因此可选用高灵敏度的偏差式仪表。即使差值的测量精度不高，但最终结果仍可达到较高的精度。,力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度,电阻式 电容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式,电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器,笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡,数据处理器 频谱分析仪 FFT 实时
10、信号分析仪 电子计算机,被测对象,传感器,中间变换 测量装置,显示及 记录装置,实验结果 处理装置,激发装置,2. 测量系统,3.开环测量系统与闭环测量系统,开环测量系统：,闭环测量系统：,特点：简单、直观、明了； 测量精度不高,特点：精度高；复杂、成本高、要求高,4. 测量误差在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法和检测人员都会受到各种变动因素的影响。而且，对被测量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。这就造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一定的差别。这个差值称为测量误差。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等。在分析测量误差时，人们采用的被测量真值
11、是指在确定的时间、地点和状态下，被测量所表现出来的实际大小。一般来说，真值是未知的，所以误差也是未知的。但有些值可以作为真值来使用。例如理论真值，它是理论设计和理论公式的表达值。还有计量学约定真值，它是由国际计量学大会确定的长度、质量、时间等基本单位。,（1）绝对误差：,定义：被测量的测量值x与其真值A0之差，称为绝对误差。,在实际测量中，“约定真值”是更高一级的标准仪器的测量值A代替真值，称为约定真值。,修正值：与绝对误差大小相等，符号相反的量值称为修正值，一般用C表示,表示测量值偏离真值的程度和方向。,测量时，利用示值和已知的修正值相加，即可以计算出被测量的实际值。A= X + C例：某电
12、流表测的电流示值0.83mA，查得该电流表在0.8mA及其附近的修正值都是-0.02mA，那么被测的电流的实际值是多少?A=0.81mA,（2）相对误差：,例： 用二只电压表V1和V2分别测量两个电压值。 V1 表测量150伏，绝对误差X1=1.5伏， V2 表测量10伏， 绝对误差X2=0.5伏 从绝对误差来比较 X1 X2 谁准确？,-表示相对误差,相对误差可以有多种形式：,真值相对误差,实际相对误差:一般情况下得不到真值，用绝对误差与约定真值之比来表示相对误差。,示值相对误差： 在误差较小、要求不太严格的场合，也可以用仪器测得值代替实际值。,满度相对误差： 用测量仪器在一个量程范围内出现
13、的最大绝对误差与该量程值（上限值下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）。,常 用,因通常 A0、A、X X 故常用X方便,电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。仪表在工作条件下不应超过最大引用相对误差。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%。 测量点的最大相对误差 在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。,例：某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0400mA和1.5级量程为0100mA的两个电流
14、表，问用哪一个电流表测量较好？,解：用0.5级量程为0400mA电流表测100mA时，最大相对误差为用1.5级量程为0100mA电流表测量100mA时，最大相对误差为,5. 测量误差的性质.系统误差 在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。检测装置本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。例如，某仪表刻度盘分度不准确，就会造成读数偏大或偏小，从而产生恒值系统误差。温度、气压等环境条件的变化和仪表电池电压随使用时间的增长而逐渐下降，则可能产生变值系统误差。.随机误差 在相同条件
15、下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。随机误差是测量过程中，许多独立的、微小的，偶然的因素引起的综合结果。,III.粗大误差明显歪曲测量结果的误差称作粗大误差，又称过失误差，粗大误差主要是人为因素造成的。例如，测量人员工作时疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外的突然变化，也可能造成粗大误差。含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。坏值应从测量结果中剔除。在实际测量工作中，由于粗大误差的误差数值特别大，容易从测量结果中发现，一经发现有粗大误差，可以认为该次测量无效，测量数据应剔除，从而消除它对测量
16、结果的影响。,国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：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或装置。,传感器是测量装置，能完成检测任务； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头,传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,1.3 传感器基础知识,辅助电源,敏感元件,转换元件,信号调理与转换电路,被测量,电量,敏感元件直
17、接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,传感器的组成,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,由于空间的限制或者其他原因，转换电路常
18、装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,1.按传感器的基本效应，分为物理型、化学型、生物型等,2.按构成原理，结构型与物性型两大类,3.根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器,4.按照物理原理分类：十种,5.按照传感器的用途分类 ：位移、压力、振动、温度传感器,7.根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号,6.根据转换过程可逆与否 ：单向和双向,8.根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器,传感器的分类,按照物理原理分类： 电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等； 磁电式传感器：磁电感应式、
19、霍尔式、磁栅式等； 压电式传感器：声波传感器、超声波传感器； 光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等； 气电式传感器：电位器式、应变式； 热电式传感器：热电偶、热电阻； 波式传感器：超声波式、微波式等； 射线式传感器：热辐射式、射线式； 半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻； 其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。,传感器特性指标,33,在工程应用中，任何测量装置性能的优劣总要以一系列的指标参数衡量，通过这些参数可以方便地知道其性能。这些指标又称之为特性指标
20、。 传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系。它通常根据输入(传感器所测量的量)的性质来决定采用何种指标体系来描述其性能。 当被测量(输入量)为常量，或变化极慢时，一般采用静态指标体系，其输入与输出的关系为静态特性； 当被测量(输入量)随时间较快地变化时，则采用动态指标体系，其输入与输出的关系为动态特性。,一、传感器的静态特性,34,传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。如果被测量是一个不随时间变化，或随时间变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性， 这时传感器的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中不含有时间变量。对静态特性而言，传感器的输入量x与输出
21、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,35,式中：a0输入量x为零时的输出量； a1 传感器的灵敏度，常用K表示。a2，an 非线性项系数。,各项系数决定了特性曲线的具体形式。 传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、 迟滞、线性度、重复性和漂移等。,4种典型情况,a.理想线性,b. x奇次项的非线性,c. x偶次项的非线性,d. x奇、偶次项的非线性,y= a1x,y=a1x+a3x3+,y=a1x+a2x2+a4x4,y=a1x+a2x2+anxn,1.灵敏度,传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度，表征传
22、感器对输入量变化的反应能力,(a) 线性传感器 (b) 非线性传感器,2.线性度,传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看， 希望具有线性关系， 即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。 在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性，但如果传感器非线性的方次不高， 输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的
23、直线称为拟合直线。,传感器的线性度是指在全量程范围内校准曲线与拟合直线之间的最大偏差值ymax与满量程输出值yFS之比。线性度也称为非线性误差，用 表示，即,式中： ymax最大非线性绝对误差； yFS满量程输出值。,拟合直线,校准曲线,3. 迟滞,正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。,正反行程间输出的最大差值。,产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。,误差迟滞,重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得
24、特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算，即,或,重复性,4.重复性,5. 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），即为零点漂移。,零漂,式中 Y0最大零点偏差；YFS 满量程输出。,温漂,传感器在外界温度下输出量发出的变化,温漂,式中 max 输出最大偏差；T 温度变化范围；YFS 满量程输出。,与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度),6.精确度,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.
25、3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。,精密度：说明测量传感器输出值的分散性，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。注意：精密度高不一定准确度高。,精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。传感器常以测量误差的相对值表示。,（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高,-测量范围内允许的最
26、大绝对误差,46,二、传感器的动态特性传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。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，其间的关系要用动态特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数, 这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,47,三、传感器的基本特性的讨论意义, 静态特性掌握传感器的基本测量精度。 动态特性 频率响应特性(了解传感器的幅频特性和相频特性 )在动态量测量时使其频率处于传感器的通带之内，且输出信号的相移尽可能的小；设计传感器时，即要保证传感器的通带（与n有关），又要控制阻尼即可能达到临界阻尼。 阶跃响应特性传感器的阶跃响应时间，对数据的采集十分重要(防止采错),设计传感器时，即要减小输出的过冲，又要尽量减小阶跃响应时间。,传感器的选用原则,根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 灵敏度的选择 频率响应特性 线性范围 稳定性精度,Thank You !,作业？,第1章 1-1 ， 1-3 ，1-4，1-5 ，1-6，1-7，1-8,
