学习传感器与检测技术概述ppt课件

第 1章传感与检测技术概述 （自动检测技术 /非电量测量技术） 一、本课程的专业地位： 专业必修课。 二、本课程的主要内容 1、传感器、测量及误差的基本知识； 2、常用传感器的原理、结构、测量电路及应用； 3、传感器在工程检测中的应用。 三、课程要求 1、掌握传感器、测量及误差的基本理论； 2、掌握常用传感器的基本原理、结构、特点、基本测 量电路及应用； 第 1章传感与检测技术概述 3、学会工程中常见的非电量测量方法，了解传感器在工 程检测中的应用方法； 4、学会分析和设计传感器的应用电路。 四、课程特点 综合性： 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； 零散性： 各章内容之间没有前后因果关系； 应用性： 重点掌握各种传感器的应用方法。 第 1章传感与检测技术概述 五、参考资料 传感器与检测技术 朱自勤 机械工业出版社 传感器原理及工程应用 郁有文 西安电子科技大学出版社 传感器原理及应用 王化祥 天津大学出版社 传感器原理及应用 王雪文 北京航空航天大学出版社 传感器原理及其应用手册 孙宝元 机械工业出版社 非电量检测技术 严钟豪 机械工业出版社 现代传感技术 魏文广 东北大学出版社 传感器技术 信息产业部电子第四十九研究主办 光电子技术与信息 中国科学院安徽光学精密机械研究所、中 国光学学会光电技术专业委员会主办 激光与红外 华北光电技术研究所主办 仪表技术与传感器 沈阳仪器仪表研究所主办 第 1章传感与检测技术概述 仪器仪表网 （ http:/www.china_） 仪器商城网 （ ） 传感器网 （ http:/www.S） 传感器技术 （ ） 中国传感器（ ） 中国工控网（ ） 中国机器人网（ .) 电子设计应用（ http:/www. ） 电子产品世界（ http:/www. ） 第 1章传感与检测技术概述 第 1章 传感器与检测技术概述 1.1 传感器的概念、组成和分类 1.2 传感器的基本特性 返回主目录 第 1章传感与检测技术概述 一、传感器的概念、组成与应用 1、 现代信息技术的三大要素： 信息获取 传感器技术 信息传输 通信技术 信息处理 计算机技术 在工程实践和科学试验中，信息采集的主要含义是 测量 取得测量数据。 第 1章传感与检测技术概述 2、测量的概念 测量是人类对自然界客观事物获得数量观念的一种认识过 程，即 借助于专门设备，求出被测量的数值大小 。 3、测量的分类 电子测量 电子测量仪器； 非电量测量 传感器； 4、自动测量系统的组成 图 1 1 自动测量系统组成 第 1章传感与检测技术概述 5、自动测量技术的作用 以电子技术、传感器技术、计算机技术为基础的自动测 量技术，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。 而传感器是测量系统的第一个环节，它能否获得信息和 获取信息的正确与否，关系到整个测量系统的精确度， 传感 器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能 ，因此世 界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。 6、传感器的定义（ GB7665-87) 能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成 可用输 出信号 的器件或装置，通常由 敏感元件 和 转换元件 组成。 第 1章传感与检测技术概述 7、传感器的组成 通常传感器由 敏感元件 和 转换（传感）元件 组成。 传感 器组成框图如图 1 - 2 所示。 第 1章传感与检测技术概述 敏感元件：敏感元件： 直接感受被测非电量并按一定规律转换成与 被测量有确定关系的其它量的元件。 传感元件：传感元件： 又称转换元件 /转换器。能将敏感元件感受到 的非电量直接转换成电量的器件。 信号调节与转换电路信号调节与转换电路 /测量电路：测量电路： 能把传感元件输出的电信 号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电 路。 第 1章传感与检测技术概述 敏感元件传感元件 压力传感器示例 第 1章传感与检测技术概述 第 1章传感与检测技术概述 8、传感器的应用领域 （ 1）机械制造业： 智能机械 ：数控机床、加工中心、机器人等 （ 2）工业过程检测与控制： 石油、化工、电力、冶金等行业中 热工工艺参数检测和控制； （ 3）汽车： 车速、里程、燃油、排气、车灯、关门、防盗、防 撞等； （ 4）环保： 有毒、有害、易燃、易爆气体检测，重金属、污水 检测，防酒后驾车等； （ 5）医疗卫生： 血压、心音、脉搏检测，心脏监护仪、彩超、 核磁共振等； （ 6）航空航天： 卫星、火箭、飞船、外星探测器等； （ 7）国防工业： 飞机、导弹、雷达、智能化电子武器等； （ 8) 家用电器： 空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电饭煲、电 熨斗、安全报警器等。 第 1章传感与检测技术概述 传感器的主要应用传感器的主要应用 信信 息息 处处 理理 电电 信信 电电 话话 科科 技技 测测 试试 设设 备备 控控 制制 交交 通通 控控 制制 输输 电电 系系 统统 机机 床床 机机 器器 人人 家家 用用 电电 器器 照照 相相 机机 汽汽 车车 飞飞 机机 船船 舶舶 气气 象象 海海 洋洋 环环 境境 污污 染染 医医 疗疗 防防 火火 光光 能能 利利 用用 热热 能能 利利 用用 土土 木木 建建 筑筑 农农 林林 机机 械械 能能 利利 用用 货货 币币 金金 融融 食食 品品 111 55 110 103 47 36 59 81 61 27 78 34 31 31 47 111 70 76 93 61 26 21 24 20 14 需要量需要量 第 1章传感与检测技术概述 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。 自动检测与自动控制系统自动检测与自动控制系统 第 1章传感与检测技术概述 第 1章传感与检测技术概述 第 1章传感与检测技术概述 第 1章传感与检测技术概述 在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质 量检测。 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。 汽车扭距测量 机床加工精度测量 第 1章传感与检测技术概述 汽车与传感器汽车与传感器 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 30 1 00种传感器。 第 1章传感与检测技术概述 传感器与家用电器传感器与家用电器 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 第 1章传感与检测技术概述 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 )。 第 1章传感与检测技术概述 指纹传感器 透光率传感器 第 1章传感与检测技术概述 鼠标 :光电位移传感器 摄象头 :CCD传感器 PC机中的测试技术应用机中的测试技术应用 第 1章传感与检测技术概述 软驱 :速度 ,位置伺服 麦克风 :电容传声器 第 1章传感与检测技术概述 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。 第 1章传感与检测技术概述 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。 第 1章传感与检测技术概述 第 1章传感与检测技术概述 第 1章传感与检测技术概述 烟雾传感器 亮度传感器 人体探测器 第 1章传感与检测技术概述 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 。 传感在机器人上的应用 第 1章传感与检测技术概述 密歇根大学的机械手装配模型 第 1章传感与检测技术概述 广州中鸣数码的机器狗 第 1章传感与检测技术概述 第 1章传感与检测技术概述 机器人服务员 第 1章传感与检测技术概述 沙漠机器人 第 1章传感与检测技术概述 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。 香港理工 AGV模型 AGV自动送货车 自动导引运输车（ Automated Guided Vehicle） 第 1章传感与检测技术概述 AG V 自 动 送 货 车 第 1章传感与检测技术概述 2003年年 9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老月，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。构之谜。 一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一 条狭窄的通道，试图揭开条狭窄的通道，试图揭开 4600年前的秘密。它的探年前的秘密。它的探 秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。 图坦卡蒙的诅咒图坦卡蒙的诅咒 “ 不论是谁骚扰了法老的安不论是谁骚扰了法老的安 宁，死神之翼将在它的头上宁，死神之翼将在它的头上 降临。降临。 ” 第 1章传感与检测技术概述 小机器人挑战法老咒语，代替科学小机器人挑战法老咒语，代替科学 家勇探胡夫金字塔内部秘道。家勇探胡夫金字塔内部秘道。 “ 金字塔漫游者金字塔漫游者 ” ， 511 ，地面探测，地面探测 雷达、超声波传感器雷达、超声波传感器 （测石头厚度）。（测石头厚度）。 第 1章传感与检测技术概述 传感器在生物医学上的应用 医学 第 1章传感与检测技术概述 对人体的健康状况进行诊断需要进行多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。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、微生物划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物 、细胞、细胞、 NA、 RNA、蛋白质、嗅觉、味觉、蛋白质、嗅觉、味觉 和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏 等传感器的研究。等传感器的研究。 第 1章传感与检测技术概述 第 1章传感与检测技术概述 光纤流速传感器 荧光材 料制作 的电子 鼻传感 器 生物酶血样分析传感器 热 /光 电量 第 1章传感与检测技术概述 传感器与航空及航天 第 1章传感与检测技术概述 飞行器：控制在预定轨道上飞行器：控制在预定轨道上 速度、加速度、飞行距离测量、速度、加速度、飞行距离测量、 周围环境、内周围环境、内 部设备监控、本身状态参数的测量。部设备监控、本身状态参数的测量。 陀螺仪、阳光传陀螺仪、阳光传 感器、星光传感感器、星光传感 器、地磁传感器器、地磁传感器 第 1章传感与检测技术概述 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，需要大量须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量 用于用于 污水流量、污水流量、 PH值、电导、浊度、值、电导、浊度、 COD、 BOD、 TP、 TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、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、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、及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、 烟气、烟气、 SO2、 NO、 O3、 CO等参数测量等参数测量 的传感的传感 器，这些传感器中大多数亟待开发。器，这些传感器中大多数亟待开发。 第 1章传感与检测技术概述 NOX NO + NO2 dust soot H2S H2O HC C- total CO2 CO O2 HCN HCl HF NH3 SO2 烟尘浊度测量 第 1章传感与检测技术概述 红外线分布差异红外线分布差异 矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区 传感器与遥感技术 微波微波 红外接收传感器红外接收传感器 第 1章传感与检测技术概述 传感器在军事技术领域的应用 先进的科学技术总是最先被应用于战争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是传统的主战兵器，各类传感器不过是配 属的保障设施。属的保障设施。 第 1章传感与检测技术概述 海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署 了了 4280辆坦克，多国部队只有辆坦克，多国部队只有 3800辆坦辆坦 克。克。 但结果是伊拉克的坦克但结果是伊拉克的坦克 89被毁，而被毁，而 多国部队的坦克仅损失多国部队的坦克仅损失 20辆。辆。 这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优这种悬殊的损毁比，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势及精确制导武器方面的明显差距造成的 。 第 1章传感与检测技术概述 智能武器智能武器 “把巨大的杀伤力和极高的精确性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相结合，将会使军事机构思考未来战争的 方式发生革命方式发生革命 “。 高技术常规武器成为比核高技术常规武器成为比核 武器更可靠的手段，武器更可靠的手段， “打了不用管打了不用管 “的制导炮的制导炮 弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远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，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、动能弹的攻弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻 击方式。击方式。 第 1章传感与检测技术概述 农业将是知识密集、技术密农业将是知识密集、技术密 集的产业，设施农业可以有集的产业，设施农业可以有 效提高农业生产效益和增强效提高农业生产效益和增强 抗灾能力，借助温室及其配抗灾能力，借助温室及其配 套装置来调节和控制作物生套装置来调节和控制作物生 产环境条件，摆脱自然制约，产环境条件，摆脱自然制约， 以达到高产、高效、优质。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，主要用于一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于 温度、湿温度、湿 度、土壤干燥度、度、土壤干燥度、 CO2、光照度、土壤养分等参数、光照度、土壤养分等参数 的测的测 量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研量。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。究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。 传感器与农业传感器与农业 农业 第 1章传感与检测技术概述 二、 传感器的分类 1、按被测量分类 （相应的传感器一般以被测量命名）： （ 1）热工量传感器： 温度、热量、比热；压力、差压、真空 度；流速、流量；物位（液位、料位）。 （ 2）机械量传感器： 位移、尺寸（长度、厚度、宽度、角度 ）；力、力矩；重量、质量；速度、加速度、转速。 （ 3）物性和成分量： 成分量（化学成分、浓度、酸碱度、盐 度等）；物性（密度、比重、粘度等）。 （ 4）状态量： 颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面粗 糙度等）。 第 1章传感与检测技术概述 2、按传感器的工作原理分类 （ 1）物理型传感器： 利用某些敏感元件的物理性质以及某些 功能材料的特殊物理性能制成。如：应变式、电容式、磁电、 光电、压电传感器等。 （ 2）化学型： 利用电化学反应原理制成。如：气敏传感器、 湿度传感器、离子传感器等。 （ 3）生物传感器： 利用酶、微生物、抗体、细胞及组织等作 为敏感材料与适当的换能器结合而成，利用特有的化学反应和 电化学技术对生物化学 物质进行测定。如：酶传感器、免疫传 感器等。 第 1章传感与检测技术概述 3、按输出信号的性质分类 （ 1）模拟传感器： 输出模拟信号； （ 2）数字传感器： 输出数字信号（脉冲、频率、二进制 数码），抗干扰能力强。 三、传感器的发展趋势 1、 三新 ：新材料、新工艺、新效应（原理）； 2、四化： 集成化、多维化、多功能化、智能化。 第 1章传感与检测技术概述 1.2 传感器的基本特性 即输出 输入之间对应关系，又称为输出 输入特性，可 用静态特性和动态特性来描述。 一、 传感器的静态特性 （一）静态特性： 是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入 关系；即输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡 量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度 , 迟滞和重复性等。 （二）传感器的静态特性表达式 1、理想传感器： y=a1x 2、实际传感器： 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； x输入量； y输出量。 1、传感器的零偏（零点）： 输入信号为零时传感器的输出值。 第 1章传感与检测技术概述 2 、传感器的测量范围与量程 （ 1）测量范围： 指正常工作条件下，传感器能够测量的被测量 的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。 （ 2）量程： 测量范围的上限值（或对应的输出值 ）与下限值 （或对应的输出值）的代数差。 a0 零点； xF.S 满量程输入； XF.S 输入量程； XF.S=xmax-xmin yF.S 满量程输出； YF.S 输出量程。 YF.S=ymax-ymin 注：仅知道量程时，无法确定测量范围。 传感器的静态特性曲线 第 1章传感与检测技术概述 1、线性度（非线性度 /非线性误差）： 传感器的实际静态特 性曲线与拟合直线（规定直线）之间，在垂直方向上的最 大偏差与输出量程的百分比称为线性度。通常用相对误差 L表示 , 即 式中 : |(yL)max|最大非线性 绝对误差的绝对值 ; YFS 输出量程。 (三）主要静态特性指标 第 1章传感与检测技术概述 2、灵敏度 灵敏度 K是指传感器的输出量变化量 y 与引起此变化的 输入变化量 x 的比值 , 即 K=y/x 灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度。对于线性 传感器 , 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率 , 即 K=y/x 为常 数 , 而非线性传感器的灵敏度为一变量 , 用 K=dy/dx表示。传感器 的灵敏度如图所示。 第 1章传感与检测技术概述 多环节串联而成的测量系统的灵敏度为： K=K1K2Kn 例 1： 某线性位移测量仪，当被测位移由 4.5mm变到 5mm时，位移 测量仪的输出电压由 3.5V减至 2.5V，求该仪器的灵敏度。若再接一 个放大器（放大倍数为 10）后驱动笔式记录仪（灵敏度为 0.2cm/V ），试求系统的总灵敏度。 解： K1 =y/x=（ 3.5-2.5） V/(5-4.5)mm = -2V/mm K2=10 K3= 0.2cm/V K=K1K2K3= -2V/mm10 0.2cm/V= - 4cm/mm 第 1章传感与检测技术概述 3、精确度 测量误差 被测参数的测量值与真实值不一致的程度用测量误差表示。测 量误差就是 被测量的测量值与真实值之间的差值 ，它反映了测量 质量的好坏。 （ 1）测量误差的表示方法 绝对误差： 可用下式定义 : x = x-x0 式中 : x绝对误差 ; x测量值 ; x0约定真值。 第 1章传感与检测技术概述 对测量值进行修正时 , 要用到绝对误差。 修正值是与绝对误差 大小相等、符号相反的值 ,C= -x = x0-x， 实际值等于测量值加上修 正值。即 x0=x+C。 绝对误差不能很好说明测量质量的好坏， 只适用于被测量值相 同的场合。 例如 , 在温度测量时 , 绝对误差 =1 , 对体温测量来说 是不允许的 , 而对测量 钢水温度 来说却是一个极好的测量结果。 相对误差： 定义由下式给出 : = x/ x0 100% 式中 : 相对误差 , 一般用百分数给出 ; x绝对误差 ; x0约定真值。 第 1章传感与检测技术概述 相对误差比绝对误差能更好地说明测量精确度，但它 只能说明 不同测量结果的准确度，无法衡量传感器本身在整个测量范围内的 质量 ，（如一台温度传感器测 100 的相对误差为 2%，另一台测 1000 的相对误差为 1% ）为此又采用了引用误差的概念。 引用误差： 是仪表中通用的一种误差表示方法。 它是相对仪表满 量程的一种误差 , 一般也用百分数表示，即 = x / XF.S 100%= x /(x max-xmin) 100% 式中 : 引用误差； x绝对误差； XF.S 仪表输入量程（测量范围上限 测量范围下限） ; xmax 仪表量程的上限值； xmin仪表量程的上限值； 第 1章传感与检测技术概述 基本误差： 是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 例如 , 仪表是在电源电压 (2205)V、电网频率 (502)Hz、环境 温度 (205) 、 湿度 65%5% 的条件下标定的。如果这 台仪表在这个条件下工作 , 则仪表所具有的误差为基本误差 。 测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的，一般用引用 误差表示。 附加误差： 是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的 误差。 例如 , 温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动 附加误差等。 精确度： 表示传感器测量结果与真值之间的偏离程度。 第 1章传感与检测技术概述 精确度等级： 是 根据最大引用误差来确定 的。工程中以一系列标 准数值作为仪表基本误差的最大允许值来分档表示仪表的精确度， 称为 精确度等级 。常用的精确度等级有 0.1级、 0.2级、 0.5级、 1.0级 、 1.5级、 2.0级、 2.5级、 4.0级、 5.0级。 注： 精确度等级已知的仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发 挥它的测量精度。因此选用仪表时应根据被测量的大小和测量精度 的要求，合理选择仪表量程和精确度等级。 例 3： 测 800 要求误差 4 ，现有以下测温仪表，应选哪一种？ （ 1） 0500 , 1.0级； （ 2） 01000 ， 0.5 级； （ 3） 01000 ， 0.2级； （ 4） 02000 ， 0.2级。 第 1章传感与检测技术概述 解： （ 1）不能测； （ 2）测 800 可能出现的最大绝对误差为 1000 （ 0.5% ） = 5 ； （ 3）测 800 可能出现的最大绝对误差为 1000 （ 0.2% ） = 2 ； （ 4）测 800 可能出现的最大绝对误差为 2000 （ 0.2% ） = 4 ； 应选第（ 3）种。 例 3： 测 800 要求误差 4 ，现有以下测温仪表，应选 哪一种？ （ 1） 0500 , 1.0级； （ 2） 01000 ， 0.5 级； （ 3） 01000 ， 0.2级； （ 4） 02000 ， 0.2级。 第 1章传感与检测技术概述 二、 传感器的动态特性 输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过 程叫 响应。 传感器的动态特性 是指其输出对随时间变化的输入量的 响应特性。 当被测量随时间变化 ,是时间的函