传感器与检测技术教案

1绪论教学基本要求学会传感器的基础知识。掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路。了解各类传感器的典型应用。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置,即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以，80 年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，倍受重视。传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域。 传感器技术与通信技术、计算机技术构成信息科学技术的三大支柱。21 世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们需要获得的自然信息的种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息获取技术即传感技术必须跟上信息化发展的需要。1、自动检测与自动控制系统在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立 24 小时在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。2、汽车与传感器高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要 301 00 种传感器。3、传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院2全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。4、传感器在机器人上的应用机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 AGV 自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV 小车位置识别；条形码传感器，货品识别。2003 年 9 月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开 4600 年前的秘密。它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。 5、传感器在生物医学上的应用对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。 国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。 7、传感器与环境保护保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH 值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO 等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。9、军事领域3先进的科学技术总是最先被应用于战争。以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。而当前由信息技术发展推动的军事革命把重点从作战平台转向如何观察战场、怎样传递所观察到的战场情况、怎样运用那些性能优越的精确武器的问题上来，从重视军舰、坦克和飞机转为重视信息获取技术和信息获取装置的作用，传感器、通信以及精确制导武器等已在战争中至关重要的作用。海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了 4280 辆坦克，多国部队只有 3800 辆坦克。但结果是伊拉克的坦克 89被毁，而多国部队的坦克仅损失 20 辆。这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。由近期的几场高技术条件下的局部战争可以看到，随着新军事革命浪潮的到来，高度信息化的武器平台已经开始发挥战场主导作用。数字化战争需要利用全方位、多手段的传感器系统感知和收集战场各种信息，对这些信息进行判读、分析、综合与管理，实现“传感器-控制器-武器”一体化。战场生物传感器不但能准确识别各种生化战剂，而且可与计算机配合，及时提出最佳防护和治疗方案，还可通过测定炸药、火箭推进剂的降解情况来发现敌人库存弹药的数量和位置，成为侦察的有效手段。 在未来战争中，新一代精确化和智能化的常规武器和电子武器可能在实质上取代核武器的位置。智能武器“把巨大的杀伤力和极高的精确性相结合，将会使军事机构思考未来战争的方式发生革命“。 高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段，“打了不用管“的制导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远，威力大，价格低，命中率高，具有子母弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻击方式。 10、传感器与农业21 世纪的农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有效提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，以达到高产、高效、优质。信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。4第一章 检测技术基础 1. 传感器的定义传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。所以传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等。传感器的输出量通常是电信号，它便于传输、转换、处理、显示等。电信号有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式通常由传感器的原理确定。如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。2. 传感器的基本组成 传感器的基本功能是检测信号和进行信号转换，因此传感器通常由敏感元件和转换元件构成。 3. 传感器的分类一般情况下，对某一物理量的测量可以使用不同的传感器，而同一传感器又往往可以测量不同的多种物理量。所以，传感器从不同的角度有许多分类方法。目前一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等；另一种是按传感器的工作原理分类。按检测对象：温度、压力、位移等。按传感器原理或反应效应：光电、压电、热阻等。按传感器材料分类：半导体，有机、无机材料，生物材料。按应用领域：化工、纺织、电力、交通等。按输出信号形式：模拟和数字。基本部分敏感元件 转换元件 信号调节与 转换电 路辅助电源被测量 输出图1 . 2 传感器的组成弱信号52.2 传感器的基本特性在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。一静态特性：是指传感器的输入为不随时间变化的恒定信号或缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的静态特性可以用代数方程和其特性指标来描述。1. 数学描述：如果不考虑迟滞及蠕变效应，其静态特性可用下列代数方程来表示：蠕变：固 体 材 料 在 保 持 应 力 不 变 的 条 件 下 ， 应 变 随 时 间 延 长 而 增 加 的 现 象 。nxaxay210式中 传 感 器 的 输 出 量传 感 器 的 输 入 量决定特性曲线的形状和位置的系数，一般通过传感器的校准试验数据n,10经曲线拟合求得，可正可负。理想线性情况下： xay1传感器的静态特性指标主要是通过校准试验来获取的。所谓校准试验，就是在规定的试验条件下，利用一定等级的校准设备，给传感器加上标准的输入量而测出其相应的输出量，如此进行反复测试，得到输出-输入数据一般用表列出或曲线画出。2. 特性指标：主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、漂移、稳定性、阈值等。(1)线性度：反应传感器输出量与输入量之间数量关系的线性程度，指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值max 与满量程输出值 之比。线性度也称为非线性误差，FSY用 表示即： %10maxFSYyYFSxoyx0( a ) 理想线性yx0( b ) 只有偶次 非线性项0( c ) 只有奇次 非线性项y0( d ) 实际特 性曲线图3 . 1 线性度6(2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，其定义为输出量的增量 y与引起该增量的相应输入量增量 x之比。用 S表示灵敏度，即 ，它表示单位输入量xyS的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度 S值越大，表示传感器越灵敏，如下图所示。对线性传感器：S是一个常数，对非线性传感器，S是个变量 ，表示某一工作dxyS点的灵敏度。(3)迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图所示。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。迟滞误差: 传感器在全量程范围内最大的迟滞差值 与满量程输出值 之比，maxHFSY用 表示，即 H%10maxFSHY产生迟滞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。(4)重复性：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，所得特性曲线不一致的程度，如图所示。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o xy yxy xyxyx(a) (b)o图3 . 4 迟滞特性yx Hm a xYF So图3 . 5 重复性yxoYFSmax2R max1R7计算。即：maxR（1）%032FSY或 （2）maxFSR公式（1）中 分别求出全部校准数据与其相应行程的标准偏差 ，然后计算。前的系数取2时，误差完全依正态分布，置信率95%；取3时置信率99.73%(5)分辨力：用来表示传感器或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力，通常以最小量程的单位值表示。当被测量变化值小于分辨力时，传感器无反应。(6)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20)时的输出值的变化量与温度变化量之比()来表示，即ty20式中 t工作环境温度 t与偏离标准环境温度 之差，20t即 ； 传感器在环境温度 t时的输出；20t传感器在环境温度 时的输出。20y20t(7)稳定性: 传感器在相当长的时间内仍保持其性能的能力，在室温条件下，经过规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。(8)阈值：传感器产生可测输出变化量时的最小被测输入量值。二. 动态特性动态特性是指传感器的输入为随时间变化的信号时，传感器的输出与输入之间的关系。传感器的动态特性可通过动态数学模型和动态特性指标来描述。在实际检测中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要能精确测量被测量的大小，而且能显示被测量随时间变化的规律。评价一个传感器的优劣，须从静态和动态两方面的特性来衡量。81. 动态数学模型的描述：由于被测量是随时间变化的动态信号，用线性常系数微分方程来描述传感器输出量与输入量 的动态关系： tytx（2-xbdtdtxbtxyadtdya mmnn 011011 1）式中 与传感器的结构特性有关的常系数，对于常见的传感器，mnb,1010其动态模型通常可用零阶、一阶、二阶的常微分方程来描述，分别称为零阶系统、一阶系统、二阶系统。零阶系统：当式（2-1）中除了 外，其他系数均为零，则 ，即 ，,10axbya0txkty传感器静态灵敏度或放大系数，系统为零阶系统。0abk一阶系统：当式（2-1）中除了 外，其他系数均为零，则 即为 0,1ba xbyadt01，系统为一阶系统或惯性系统。tkxydt时间常数， 静态灵敏度。不带套管热电偶测温系统可看作一介系统。 二阶系统：二阶系统的微分方程： ，改写为：xbyadttya012kddtyannn22 阻尼比， 静态灵敏度， 系统的固有频率。k二阶系统分为两种情况：二阶惯性系统（特征方程为两个负实根）和二阶振荡系统（特征方程为一对带实部的共轭复根）。如带有套管热电偶、RLC振荡电路均可看作二阶系统。用微分方程作为传感器的数学模型的优点是：通过求解微分方程容易分清暂态分量和稳态分量。求解微分方程很麻烦，通常用传递函数来研究传感器的动态特性。2. 动态特性的主要指标：研究传感器的动态特性有时需要从时域对传感器的响应和过度过程进行分析，在进行时域分析时常用的标准输入信号有阶跃信号和脉冲信号。时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。单位阶跃响应性能指标9 二阶传感器：二阶传感器的单位阶跃响应在很大程度上取决于阻尼比 和固有频率 。 n由传感器结构参数决定，它即为等幅振荡的频率， 越高，传感器的响应越快。nn如图1所示为衰减振荡的二阶传感器输出的单位阶跃响应曲线，单位阶跃响应的性能指标主要有：二阶传感器的单位阶跃响应曲线峰值时间 振荡峰值所对应的时间；pt最大超调量 响应曲线偏离稳态值的最大值；P上升时间 响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间；rt延迟时间 响应曲线上升到稳态值的50%所需的时间；d调节时间 响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。st误差带通常规定为稳态值的5% 或2% ；稳态误差 系统响应曲线的稳态值与希望值之差。Se 一阶传感器如图2所示 为一阶传感器输出的单位阶跃响应曲线，单位阶跃响应的性能指标主要有：时间常数一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间；延迟时间 传感器输出达到稳态值的50%所需的时间；dt上升时间 传感器输出达到稳态值的 90%所需的时间。r一阶传感器的单位阶跃响应曲线一、二阶传感器时域动态响应特性 频域频率特性性能指标一阶传感器频率特性如图所示，主要指标：时间常数 、截止频率。截止频率：幅值下降到，它反映传感器的响应速度，截止频率越高，传感器的响应速度越快。对一阶传感器，其截止频率为 。12.3 传感器的标定和校准一.基本概念1.标定：是利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度。102.校准：是指对传感器在使用中和储存后进行的性能再次测试。标定