第一章检测技术的基础知识ppt课件

传感器与智能检测技术 主讲：李琦、李维勤 2013 2 3 办公室：教 5-109 电话：（李琦）（李维勤） QQ群：传感器与智能检测技术 （ 217505477） 倡导大家以实名申请加入 4 5 飞机的自动驾驶： 6 船舶的驾驶自动化： 7 汽车的自动驾驶？ 8 9 导致汽车自动驾驶困难的原因是什么？ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 第一章 检测技术的基础知识 21 1.1 检测技术的基本概念 （名词解释） 1.1.1 测量 n 以确定 量值 为目的的一组操作。 n 是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象， 即对事物作出量化描述，即对非量化实物的量化 过程。 测量的四个要素 测量的客体即测量对象 计量单位 测量方法 测量的准确度 22 n 量值 ： 用一个数和一个合适的计量单位表示的量 。 n 测量单位 ：用于表示与其相比较的同种量大小的 约定定义和采用的特定量。 约定地赋予测量单位以名称和符号。如长度的单位名 称为米，单位符号为 m。 同量纲的量即使这些量不是同种量，其单位可有相同 的名称和符号。如功、热、能量，单位都是焦尔（ J） 。 测量单位在我国又称计量单位。 23 1.1.2 测量系统 n 测量系统： 用来对被测特性定量测量或定性评价 的仪器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件 、人员、环境和假设的集合；是用来获得测量结 果的整个过程。 n 自动检测系统： 在物理量的测试中，能自动地按 照一定的程序选择测量对象，获得测量数据，并 对数据进行分析和处理，最后将结果显示或记录 下来的系统。 24 敏感元件 转换元件 信号调理转换电路 被测对象 输出单元 激励信号 辅助电源传感 器 自动检测系统 25 n智能检测技术： 将人工智能的技术和方法应用 于参数检测的技术。 要点： 有敏感元件 应用了人工智能技术（如人工神经元网络算法、遗传 算法、多信息融合技术等） 26 1.1.3 传感器 n 是检测系统的第一个重要环节； n 是与人的感觉器官相对应的元件； n 能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可输 出信号的器件或装置； n 通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成。 被测量 敏感元件 转换元件 信号调理转换电路 辅助电源 输出 发送器、传送器、变送器、换能器 27 传感器的数学描述 设测量信号为 x ，传感器输出为 y , 比例系数为 k 则有： y=kx (理想状态） 考虑非线性、零位： y=f(x) 设环境因素为 N 则： y=( x , N ) 由于环境对输出的影响为： 灵敏度 漂移 28 1.2 传感器的基本特性 n 在检测系统和控制系统中，要完成对各种参数进 行检测和控制，必须要求传感器能够将感受到非 电量的变化不失真的变换成相应的电量。 n 传感器能否完成不失真的转换，这取决于传感器 的基本特性，也就是输入输出特性。 n 传感器的基本特性是由其内部结构参数所决定的 一种外部特性，通常可分为 静态特性 和 动态特性 。 29 1.2.1 传感器静态特性 n 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳 定状态时，系统的输出与输入之间的关系 。 n 灵敏度 、线性度 、迟滞 、重复性 、稳定 性 30 1）灵敏度 n 灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电 学量）对输入量（一般为非电学量）敏感 程度的特性参数。 n 其定义为 : 传感器输出量的变化值与相应 的被测量（输入量）的变化值之比 , 用公 式表示为 31 1）灵敏度 n 对于线性传感器，灵敏 度就是传感器静态特性 的斜率，即 k=y/x为常 数，而对于非线性传感 器而言，其灵敏度为一 变量，可用 k=dy/dx表 示。 n 传感器的灵敏度如图所 示。人们一般希望传感 器的灵敏度较高，在量 程范围内为线性。 32 2）线性度 n 理想的传感器输出与输入呈 线性关系。 n 线性度定义为 : 传感器的输 出 输入校准曲线与理论拟 合直线之间的最大偏差与传 感器满量程输出之比 , 称为 该传感器的线性度或称 “非 线性误差 ”。 通常用相对误 差表示其大小： 33 n 理论线性度 : 拟合直线为理论直线 , 通常以 0% 作 为直线起始点 , 满量程输出 100%作为终止点。 n 端基线性度 : 以校准曲线的零点输出和满量程输出 值连成的直线为拟合直线。 n 独立线性度 : 作两条与端基直线平行的直线 , 使之 恰好包围所有的标定点 , 以与二直线等距离的直线 作为拟合直线。 n 最小二乘法线性度 : 以最小二乘法拟合的直线为拟 合直线。 34 3）迟滞 n 输入逐渐增加到某一值 , 与输 入逐渐减小到同一输入值时 的输出值不相等 , 叫迟滞现象 。迟滞差表示这种不相等的 程度。 其值以满量程的输出 YFS的百分数表示。 35 4）重复性 n 重复性是指传感器在相同工 作条件下，输入量沿同一方 向变化时，在全量程范围内 连续多次测量，所得到各特 性曲线不一致程度。 36 5）稳定性 n 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持 其性能参数的能力。 n 理想的情况是 , 不管什么时候传感器的灵敏度 等特性参数不随时间变化。 n 实际上 , 随着时间的推移 , 大多数传感器的特 性会改变。 这是因为传感元件或构成传感器 的部件的特性随时间发生变化 , 产生的这种变 化现象也叫漂移。 37 1.2.2 传感器动态特性 n 动态特性就是描述传感器随时间变化对输 入量的响应特性情况，反映输出值真实再 现变化着的输入量的能力。 n 响应特性即动态特性 , 是传感器的重要特性 之一。 38 1）瞬态响应特性 n 在时域研究传感器瞬态响应特性时，一般采用的 激励信号是阶跃函数信号。 n 理论上阶跃信号的大小不对过渡过程产生影响， 但实验时应保持阶跃信号的幅值在传感器输入信 号的线性范围内。 （ 1）一阶传感器的单位阶跃响应 设 x（ t） 和 y（ t） 分别为传感器的输入量和输出 量，均为时间的函数，则传感器的传递函数为 39 n 时间常数 具有时间的量纲，反映传感器惯性大 小， k为静态灵敏度。在线性传感器中 k为常数 ，在进行动态分析时， k只是一个倍数关系，因 此，为方便起见，在讨论时设 k=1。 n 当传感器的初始状态为零、输入为单位阶跃信 号时， X(s)=1/s，传感器输出的拉氏变换为 n 则一阶传感器的单位阶跃响应为 40 n 由图可见一阶传感器响 应特性为一阶惯性环节 ，响应曲线不是立即反 映输入的变化，而是按 斜率为 1/的指数规律上 升，最终到达稳态之。 n 理论上 t趋于无穷时传感 器的响应才能达到稳态 值 。 n 一般认为 t=（ 34） 时 传感器的响应已达到稳 态。 41 一阶传感器的单位阶跃响应特点 n 一阶传感器的时间常数 越小，响应速度越 快，响应曲线越接近输入的阶跃曲线，动 态误差越小。 n 因此， 一阶传感器的时间常数 越小越好。 42 （ 2）二阶传感器的单位阶跃响应 n 设传感器静态灵敏度 k=1，二阶传感器的传递函 数为 式中， n为传感器的固有频率， 为传感器的阻尼 比。 n 对于初始状态为零的传感器，当输入为单位阶跃 信号时， X(s)=1/s，传感器输出的拉氏变换为 43 n 二阶传感器对阶跃信号 的响应在很大程度上取 决于阻尼比 和固有频率 n。固有频率 n由传感 器主要结构参数所决定 , n越高 , 传感器的响应越 快。 n 当 n为常数时 , 传感器的 响应取决于阻尼比 。 n 阻尼比 直接影响超调量 和振荡次数。 44 n =0, 为无阻尼 , 超调量为 100%, 产生等幅振荡 , 达不到 稳态。 n 1, 为过阻尼 , 无超调也无振 荡 , 但达到稳态所需时间较长 。 n 1,H(j )=1/j,系统相当于一 个积分器。其中 A()几乎与激励频率 成反比，相位滞后近 90o 。 *减小 可改善传感器的频率特性 * 48 （ 2）二阶传感器的频率响应 49 50 n 传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器 的固有频率 n和阻尼比 。 n 当 n时， A()1， () 0，此时，传感器 的输出 y(t)再现了输入 x(t)的波形。 n 当 = n时， A()=1/2， () -/2，幅频特性 受阻尼比 影响极大，当 过小时系统将产生共振 。在实际测量时应避免这种情况。 n 当 n时， A()0， () -，输出信号与 输入信号反向。 n 通常情况下被测信号频率 应在固有频率 n 的 1/3 1/5 以下 , 即 (1/3 1/5) n 51 1.3 测量概述 n 在工业生产以及工程检测中，为了完成对各种工 程测量参数的检测与控制，首先需要通过传感器 将工程测量参数（非电量）转化成便于传输的电 信号。这些众多的工程测量参数有 温度、压力、 流量、位移、速度、磁场 等。 52 常 见 工程 测 量（非 电 量）量 物理量名称 常用符号 单 位名称 单 位符号 备 注 力 F 牛 【 顿 】 N 基本物理量， 1 N=1 kgm/s2 压 力 p 帕 【 斯卡 】 Pa 垂直作用在 单 位面 积 上的力， 1 Pa=1 N/m2 长 度 L 米 m 基本物理量 速度 v 米每秒 m/s 表示物体运 动 的快慢程度 加速度 a 米每二次方秒 m/s2 速度 变 化量与 发 生 这 一 变 化所用 时间 的比 值 角速度 弧度每秒 rad/s 连 接运 动质 点和 圆 心的半径在 单 位 时间 内 转过 的弧度 转 速 n 转 每分 r/min 单 位 时间 内物体做 圆 周运 动 的次数 流量 Q 立方米每秒 m3/s或 kg/s 单 位 时间 内通 过过 流断面的流体体 积 或 质 量 磁感 应 强 度 B 特 【 斯拉 】 T 描述磁 场 强 弱和方向的基本物理量， 1 T=1 Wb/m2 电场 强 度 E 伏 【 特 】 每米 V/m 作用于静止 带电 粒子上的力 F与粒子 电 荷 Q之比 光照度 勒 【 克斯 】 lx 单 位面 积 上所接受的光通量， 1 lx=1 lm/m2 温度 T 绝对 温度或 摄 氏度 K或 表征物体冷 热 程度的物理量 相 对 湿度 %RH 表征空气中水汽含量的物理量，用百分数表示 53 工程测量传感器的输出要求 n 从传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应， 诸如压电效应，磁致伸缩现象，极化、热电、光电、磁电 等效应；化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等 现象为因果关系的传感器；有些传感器既不能划分到物理 类，也不能划分为化学类。考虑到系统中的传感器与其他 装置的兼容性与互换性，它们输出的信号标准应符合国际 标准信号。 n 国际电工委员会（ International Electro technical Commission，简称 IEC）规定了国际统一信号，过程控 制信号的 模拟直流电流信号为 420mA，模拟直流电压信 号为 15V。 54 传感器的标定和校准 n 任何一种新研制或新生产的传感器在装配完成后都要进行 一系列的试验与测试，对其技术性能指标进行全面检测， 以确定传感器的实际性能指标。 n 当传感器经过一段时间的使用或储存，也要对其性能进行 复测，以确定传感器的实际性能是否发生变化。 55 n 传感器的标定是通过使用标准的计量仪器对所标 定传感器的准确度（精度）进行检测是否符合标 准。 n 包含以下内容： 确定仪器或测量系统的输入 输出关系 赋予仪器或测量系统分度值 确定仪器或测量系统的静态特性指标 消除系统误差，改善仪器或系统的正确度 56 1.3.4 测量方法及系统 n 测量方法 测量是以确定量值为目的的一系列操作。所以测量就是 将被测量与同种性质的标准量进行比较 , 确定被测量对 标准量的倍数。 实现被测量与标准量比较得出比值的方法 , 称为测量方 法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行 的测量方法 , 对测量工作是十分重要的。 57 根据获得测量值的方法可分为直接测量 、间接测量和组合测量 n 直接测量 ：在使用仪表或传感器进行测量时 , 对仪表读数 不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测 量方法称为直接测量。 n 间接测量 ：首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测 量 , 将被测量代入函数关系式 , 经过计算得到所需要的结果 , 这种测量称为间接测量。 n 联立测量 ：若被测量必须经过求解联立方程组才能得到最 后结果 , 则称这样的测量为联立测量。联立测量是一种特 殊的精密测量方法 , 操作手续复杂 , 花费时间长 , 多用于科 学实验或特殊场合。 58 根据测量方式可分为偏差式测量、零位 法测量与微差法测量 n 偏差式测量 ：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的 量值 , 这种测量方法称为偏差式测量。 n 零位式测量 ：用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡 状态 , 在测量系统平衡时 , 用已知的标准量决定被测量的量 值 , 这种测量方法称为零位式测量。 n 微差式测量 ：微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测 量的优点的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相 比较 , 取得差值后 , 再用偏差法测得此差值。应用这种方法 测量时 , 不需要调整标准量 , 而只需测量两者的差值。由于 标准量误差很小 , 因此总的测量精度仍很高。微差式测量 的优点是反应快 , 测量精度高 , 特别适用于在线控制参数的 测量。 n 偏差式测量 ： n 零位式测量 ： 59 Vs Rs Rv VAB A B 恒流源 Vs Rs Rd VAB A B 滑线电阻 I - Vr + VD+ - 60 根据传感器的状态可分为非接触式与接 触式测量 n 非接触式测量： 指不接触被测物体的前提下进行精准测量 。比如光学测量，红外线测量，超声波测量，电磁感应测 量，视觉成像测量等都属于非接触式测量。 非接触测量的意义在于： 一般情况不因测量改变被测对 象的状态； 被测对象不会对测量系统造成机械损伤或化 学污染。 n 接触式测量： 传感器与被测介质直接接触，受到被测参数 的影响而导致信号的输出。例如热电偶或热电阻测温，差 压式流量计等。 61 根据测量对象的状态可分为 动态与静态 测