传感技术及应用1（绪论）ppt课件

哈尔滨工业大学 传感技术及应用传感技术及应用 课程名称：传感技术及应用 主讲教师：赵永平 联系方式： 工作地点：电机楼30035-8 电话哈尔滨工业大学 本门课程的特点： 1、是测控技术与仪器学科的专业课 2、课程具有很强实践性 3、课程涉及的知识面广 4、是一门工程性、应用性都非常强的课程 课程特点 哈尔滨工业大学 课程的重要性 1、传感器技术、通信技术、计算机技术是信息 产业的三大支柱，它们分别是智能系统的“感官 ”、“神经”和“大脑”。 2、传感器是测量装置和控制系统的首要环节。 如果没有传感器对原始参数进行准确可靠的测 量，就无法实现信号的转换和信息处理、无法 完成最佳数据的显示和控制。 课程的重要性课程的重要性 哈尔滨工业大学 课程教材和参考书 课程教材和参考书课程教材和参考书 教材： 唐文彦主编传感器第4版 机械工业出版社 2007年 参考书： 1、强锡富主编传感器第3版 机械工业出版社 ， 2002年 2、余瑞芬主编.传感器原理.北京：航空工业出版社， 1995年 3、王化祥，张淑英编著.传感器原理及应用. 天津大学出版社，1999年 4、刘迎春，叶湘滨编著.传感器原理设计与应用. 国防科技大学出版社, 1997年 5、黄继昌，徐巧鱼等编著. 传感器工作原理及应用实 例. 人民邮电出版社，1998 年 哈尔滨工业大学 课程要求课程要求 课程要求 1、对课程的内容分“了解、理解、掌握”三个 层次提出要求； 2、对各类传感器的工作原理、基本结构、应 用领域中较重要的敏感技术有相当的认识 ； 3、在未来具体工作中，在传感器和执行器选 择、使用、设计以及进一步深入研究方面具备 良好的基础 ； 4、在学习过程中，应当从应用的角度出发。 哈尔滨工业大学课程的考核方式课程的考核方式 1、平时考核成绩，约占10% 2、实验成绩，约占20% 3、课程结业综合考试，约占70% 本课程总成绩的组成 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 第一章 传感器概述 1-1 传感器与非电量测量 一、非电量与非电量测量 二、非电量电测系统 转换电路 物理信息 化学信息 生物信息 电信号 光信号 敏感元件 传感器 哈尔滨工业大学 1-2 传感器的定义 第一章第一章 传感器概述传感器概述 传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“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”。 定义包含的意思： 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化 学量、生物量等。 它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处 理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光 强等物理量，但主要是电物理量； 输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元 件、基本转换电路三部分组成。 敏感元件：它是直接感受被测量，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：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。 有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元 件（敏感元件）实现的。 基本转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数 转换、调理成一定形式的电量输出。 敏感 元件 基本转 换电路 转换 元件 被测量中间量输出电量 哈尔滨工业大学 1-3 传感器的分类 第一章第一章 传感器概述传感器概述 非电电学量传传感器电电学量 角度 位移 速度 压力 温度 湿度 声强 光照 磁场 传感器 电压 电流 电阻 电容 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 1按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩 哈尔滨工业大学 磁电式，热电式，机械式，电气式，光学式，流体式等。 2按工作原理分类: 切削力测量应变片 动圈式磁电传感器 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 能量转换型和能量控制型.3按信号变换特征: 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片. 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 4按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器. 哈尔滨工业大学 5按输出电信号类型分类 根据传传感器输输出电电信号的类类型不同，可以分为为 ： 模拟拟量传传感器 数字量传传感器 开关量传传感器。 如：接近开关是一种采用非接触式检测检测 、输输出开 关量的传传感器。 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 1-4 传感器的应用领域 一、传感器技术发展的重要性 二、传感器的应用领域 现在我们的身边大量地使用 着各种各样的传感器 哈尔滨工业大学 1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用 超声波检测电容指纹识别 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 这种遥控器所利用的是一种这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见肉眼看不见的的 红外光红外光，又称为，又称为红外线红外线。 电视机的电视机的遥控器遥控器 中就是使用着中就是使用着光光 学传感器学传感器。 肉眼看不见肉眼看不见 2、传感器与家用电器 哈尔滨工业大学 这种麦克这种麦克 风是一种将风是一种将声声 音信号音信号转换转换为为 电信号电信号的传感的传感 器。器。 第一章第一章 传感器概述传感器概述 唱卡拉唱卡拉OKOK时使用的时使用的麦克风麦克风 ，也是一种，也是一种传感器传感器。 哈尔滨工业大学 透光率传感器 第一章第一章 传感器概述传感器概述 温湿度传感器温度传感器 感应水龙头 电子门 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 R R1 1 a a R R2 2 u uo o U U cccc + + R R3 3 R R t t 功功 放放 b b 温控室温控室 A A + + - - u u o o1 1 加热元件加热元件 这种温度室是一种将这种温度室是一种将温度变化温度变化转换转换 为为电信号电信号的传感器。的传感器。 哈尔滨工业大学 火灾报警器 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 机械鼠标的内部结构 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 传感器传感器就是将就是将 光、声音、温光、声音、温 度等物理量，度等物理量， 转换成为能够转换成为能够 用电子电路处用电子电路处 理的电信号即理的电信号即 电压与电流的电压与电流的 器件器件。 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 3、汽车与传感器 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰 撞时，经控制系统使气囊迅速充气 。 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 辅助泊车传感器 双声纳 间隙检测声纳 后声纳 电源指示 转向指示 间隙警告ECU 间隙检测声纳 集成开关面板 多功能信息显示多功能显示 侦测栅 第一章第一章 传感器概述传感器概述 主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 定位、地理信息 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 汽车行驶速度测量 哈尔滨工业大学 4、传感器在机器人上的应用 第一章第一章 传感器概述传感器概述 l 触觉能力： n 主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。 l 接近觉： n 主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器 。接近觉界于触觉与视觉之间。 l 视觉： n 孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。 l 压觉： n 主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。 l 滑觉： n 主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。 哈尔滨工业大学 弧焊机器人 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 弧焊机器人 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 喷漆机器人 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 装配机器人 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 5、传感器在医疗及人体医学上的应用 第一章第一章 传感器概述传感器概述 l医用传感器，是应用于生物医学领域的那一部分传感 器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出 常以电信号来表现。 l人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来 说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如 心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等） 哈尔滨工业大学 6、传感器与环境保护 7、传感器与航空及航天 8、传感器与遥感技术 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 1-5 传感器的发展方向 第一章第一章 传感器概述传感器概述 1. 努力实现传感器新特性 2. 确保传感器的可靠性，延长其使用寿命 3. 提高传感器集成化及功能化的程度 4. 传感器微型化 5. 新型功能材料的开发 哈尔滨工业大学 1-6 传感器的静态特性和动态特性 第一章第一章 传感器概述传感器概述 u 传感器的基本特性：传感器的输入输出关系特 性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。 u 输入信号分为：稳态、动态 p 对应传感器特性：静态特性、动态特性 u 对传感器的要求：高精度信号（或能量）无 失真转换反映被测量的原始特征 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 一、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指在稳态条件下（ 传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确 定的输入输出关系。这种关系可依不同情 况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格 来表示。 表征传感器静态特性的主要指标有线性 度、灵敏度、迟滞、重复性等。 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 1. 线性度 传感器的理想输入输出特性应是线性的。 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线 作比较，其不一致的最大偏差与理论满量程输出值 的百分比来进行计算： 式中：YFSymaxymin 满量程输出电压 哈尔滨工业大学 对于非理想直线特性的传感器，需要进 行非线性校正，常采用以下方法。 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 （1） 端点法 实际特性上分别对应于测量下限xmin和测量 上限xmax的点A和B的连线称端点拟合直线。 特点：方法简单，但由于数据依据不充分，且 计算的线性度值往往偏大，因此不能充分发挥传 感器的精度潜力。 A B 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 （2） 平均选点法 把传感器全量程内的所有校准数据，前后分成两组，分 别求出两组的点系中心，这两上点系中心的连线，就是平均 选点法的拟合直线。 特点：拟合精度较高，试验点在拟合直线两侧分布，数据 处理不复杂。 前半部点系中心坐标为 后半部点系中心坐标为 因此通过两个点系中心 和的直线斜率为 直线在y轴上的截距为 或 把斜率和截距代入 y = a + kx 中即得到平均选点法拟合直线方程。 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 （3） 最小二乘法 把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二 乘法拟合的直线y=a+kx，其校准点与对应的拟合直 线的点之间的残差平方和为最小。 校准点 拟合直线 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 特点：拟合精度高，计算复杂。 哈尔滨工业大学 2迟滞 迟滞特性说明传感器加载（输入量增大）和卸 载（输入量减小）输入输出特性曲线不重合的程 度。 第一章第一章 传感器概述传感器概述 v 产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 3重复性 重复性是指传感器输入按同一方向作全量程连 续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 4灵敏度 传传感器输输出变变化量与引起该变该变 化量的输输入变变化量 之比即为为静态态灵敏度 。 （拟拟合直线线即为为斜率） 5分辨力 分辨力是指传感器可能检测出被测信号的最小增量。 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 二、传感器的动态特性 1. 概述 传感器的动态特性是指传感器对激励（输入） 的响应（输出）特性。 2. 频率特性及其与动态品质之间的关系 线性系统在正弦输入作用下的输出幅值与输入幅值 的比值称为系统的幅频特性幅频特性，以 或 两者统称为频率特性。 表示。 表示； 输出与输入之间随频率而变的相位特性称为相频特相频特 性性，以 哈尔滨工业大学 在研究传感器时域动态特性时，为表征传感器的 动态特性常用上升时间Trs、响应时间Tst、过调量c等 参数来综合描述。 上升时间Trs 输出指示值从最终 稳定值的5或10变到最终稳定 值的95或90所需的时间； 响应时间Tst 从输入量开始起作 用到输出指示值进入稳定值所规定 的范围内所需要的时间。最终稳定 值的允许范围常取所允许的测量误 差值zr，如Tst=5S(2%)； 过调量c 输出第一次达到稳定值 后又超出稳定值而出现的最大偏差 。 第一章第一章 传感器概述传感器概述 3. 传感器的动态时域特征 哈尔滨工业大学 4. 传感器的动态频域特征 第一章第一章 传感器概述传感器概述 p特性关系式： p拉氏变换： p变形： p传递函数： 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 5. 一阶传感器 具有简单能量变换的传感器，其动态性能多数可用 一阶微分方程来描述。 一阶传感器的微分方程的通式: 可以改写为: ； 具有时间的量纲，称为传感器的时间常数，记为: 是传传感器的灵敏度Sn，具有输输出/输输入的量纲纲。 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 可得到典型一阶传感器的频率特性 : 幅频特性 相频特性 一阶传阶传 感器的特征参数为为 。 结论结论 ：一阶频阶频 率特性具有最简单简单 的形式，其特征参数用 3dB频频率 表示，且 ，为传为传 感器的时间时间 常数； 越小，则则3dB频频率时间常数越高，具有较宽 的工作频域，具有较好的动态响应； 传递函数 哈尔滨工业大学 6. 二阶传感器 第一章第一章 传感器概述传感器概述 典型二阶传感器的微分方程通式为： 其频率特性： 幅频特性 ： 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 相频特性： 式中： ，传感器的固有角频率 ，传感器的阻尼比 哈尔滨工业大学 第一章第一章 传感器概述传感器概述 结论： 为减小动态误差和扩大频响范围，一般是提 高传感器的固有频率 ； （一般是通过减小传感运动部分质量和增加弹性 敏感元件的刚度来达到） 0.707时时 在确定的固有频率下，当 （临界阻尼状态），具有最宽的幅频特性平坦区。 哈尔滨工业大学 一、应用传感器需遵循的原则 1-7 应用传感器需遵循的原则与考虑的主要因素 1坚持从测控系统整体设计要求研制或选择传 感器，即遵循整体需要的原则 2高可靠性原则 3较高的性能价格比原则 第一章第一章 传感器概述传感器概述 哈尔滨工业大学二、应用传感器考虑的主要因素 稳定性(零漂) 传感器 温度 供电 各种干扰稳定性 温漂 分辨力 冲击与振动 电磁场 线性 滞后 重复性 灵敏度 输入 误差因素 外界影响 传感器输入输出作用图 输出 取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑 制，有时也可以对外界条件加以限制。 衡量传感器特性 的主要技术指标 哈尔滨工业大学 1、与测量条件有关的因素 (1)测量的目的； (2)被测试量的选择； (3)测量范围； (4)输入信号的幅值，频带宽度； (5)精度要求；