传感器与检测技术大学ppt课件

传感器与检测技术 主讲： 张 坤 传感器与检测技术 ？ 神州6号成功发射 远望号舰艇 装有温、湿度探头的粮仓示意图 通 风 口 探 头 通 风 口 通 风 口 热轧带钢表面温度的测量 用辐射温度计测量热轧带钢表面温度的方法巳被广泛 采用。从加热炉出来的钢坯最后到卷取机之前的整个 轧制线上，如加热炉出口、粗轧机的入口和出口、精 轧机的入口和出口以及在卷取机之前都设有辐射温度 计，用以测量各阶段带钢的表面温度。并用此温度信 号来控制轧制速度、轧辊压下力和冷却水流量等。 矿井监控系统组成 人与机器的机能对应关系 n定性 q人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信 息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。 n定量 q传感器相当于人的感官，称“电五官”，外界信息由它提 取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进 行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进 行控制。 人与机器的机能对应关系图 外 界 对 象 感官 传感器 人脑 微机 肢体 执行器 传感器的作用和地位 作用： 传感器位于系统之首，其作用相当于人的五官，直接敏感外 界信息。是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动 控制的主要环节，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要 通过它转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号（ 一般为电信号）。 自动测控系统 地位：传感器技术与通信技术、计算机技术并列成为支撑整个现 代信息产业的三大支柱。 传感器技术是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和 发展的物质与技术基础。如果没有先进的传感器技术，那么信息的 准确获取就成为一句空话，通信技术和计算机技术就成了无源之水 。 “没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界 所公认。科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就 越大。所以国内外都将传感器技术列为重点发展的高技术。 传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息 的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。 一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡 量的。而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数 量多少来衡量的。信息化技术包括传感器技术、通 讯技术和计算机技术。传感器技术列为信息技术之 首，由此可见一斑。 国内高精度、多功能、集成化、智能化传感器 急需开发研制。 总 结 传感器应用领域 传感器的应用范围很广，从航天、航空、兵器 、船舟、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、 能源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、 宇宙开发等领域至农、林、牧、副、渔业，甚至人 们日常生活的各个方方面面，几乎无处不使用传感 器，无处不需要传感器技术。 也可以说，传感器已几乎应用到各个领域。 传感器市场结构 90年代国内市场各主要行业传感器的用量 电力系统 140 万件 化工系统 80 万件 钢铁系统 130 万件 能源管理与炉窑控制 4000 万件 汽车行业 4400 万件 机床行业 1500 万件 文化办公机械 200 万件 各类仪器仪表 3 亿件 一个电站 需要 5000 台传感器及其仪表； 一个钢铁厂 需要 20000 台传感器及其仪表； 大型石油化工厂 需要 6000 台传感器及其仪表； 大型发电机组 需要 3000 台传感器及其仪表； 一部汽车 需要 30 至 100 台传感器； 一架飞机 需要 3600 台传感器； 所以说，传感器的市场需求非常庞大。其根本原因就 是因为“传感器位于系统之首”，“是现代信息技术系统的 源头”。 传感器的需求、水平、现状 由于传感器技术的重要性，80年代以来国际上出现了“传感器热” 。日本把传感器技术列为八十年代十大技术之首，美国把传感器技术 列为90年代22项关键技术之一，英国传感器销售额1990年比1980年增 长24倍。传感器技术之所以受到如此看重并获得极为迅速发展的原因 是： 1.微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展，而获取信息的工 具传感器处于明显拖后腿的状态，形成推动传感器技术发展的动 力。 2. 广阔的市场和强烈的社会需求是传感器技术发展的又一强劲推 动力，传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的程度。80 年代，日本、西欧市场传感器销售值年增长率为：30%40%。90年代 全世界年增长率约为8.8。90年代以来各方面对传感器的需求也越来 越强烈。 什么是传感器 传感器是获取信息的工具。 传感器（ Transducer 或 Sensor ），俗称探头，有时 亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。 是指那些对某一确定的信息具有感受（或响应）与 检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用输出 信号的元器件或装置。 密封型压力变送器 压阻式压力传感器电容式差压变送器 旋转差动变压器 电涡流传感器电感式接近开关 热电偶热敏电阻 光敏电阻 光敏三极管 压电加速度传感器 旋转编码器 激光位移传感器 霍尔电压传感器 超声物位开关 传感器定义：传感器是将各种非电量（包括物理量、 化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输 的另一种物理量（一般为电量）的装置。 国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是： 能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。 传感器定义和组成 传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组 成。 v 并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。 如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因 此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如：压电 晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。 组成： 敏感元件转换元件信号调理电路 辅助电路 被测量 非电量 其他量 非电量电量 电信号标准信号 电量 1. 敏感元件（预变换器）：是指传感器中能直接感受或响应被测量（非 电量）并输出与之成确定关系的其他量（非电量）的部分。 （在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有 手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换 成电量的非电量，然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感 元件）。 2. 转换元件：是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适 于传输或测量的可用输出信号（一般为电信号）的部分。 3. 信号调理电路：是能把转换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。 类型视转换元件的分类而定，经常采用的有电桥电路、放大器、 振荡器、阻抗变换、补偿及其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲调 宽电路等。 4. 辅助电路：通常指电源，即交、直流供电系统。 例如，应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹 性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变（形变）；弹 性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量 ，电阻应变片就是转换元件。 传感器分类 传感器种类繁多，功能各异。 由于同一被测量可用不同转换原理实 现探测，利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不 同被测量的传感器，而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领 域，故传感器有不同的分类法。 传感器技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术。如果不建 立我国自己的传感器产业，而一味依赖从国外进口传感器来满足需要，将 使我国国民经济及国防力量的加强受到制约，因此必须尽快地发展我国的 传感器产业。 我国传感器的产业结构存在的主要问题是企业分散、实力不强、市场 开拓不力。我国从事传感器研究和生产的单位约1300家，居世界第一，但 真正形成一定规模的却寥寥无几。多数企业是低水平的重复，处在生产的 初级阶段。 传感器属于多学科交叉、技术密集的高技术产品，其技术水平决定于 科学研究的水平，而我国在传感器研究方面科研投入强度偏低，科研设备 落后，加之我国存在科研和生产脱节的现象，所以影响了传感器科研成果 的转化，造成了我国传感器产品综合实力较低，阻碍了传感器产业的发展 。 我国传感器行业的状况 世界传感器的种类约有2万种，而我国经过“八五”、“九五”的发展目前 也仅有3000多种 虽然我国传感器产业的现状还不能适应国民经济发展的需要，产品技 术水平与国外相差15年左右，但是从统一市场的观点看，我国具有传感器 的广阔市场，所以我国传感器产业发展的前途还是光明的。 国家科委于1987年4月制定的传感器发展政策白皮书中确定了“必 须大力发展传感器技术，特别是要把新型传感器技术作为信息技术中优先 领域予以发展”。1991年12月30日中共中央关于制定国民经济和社会发展 的十年规划和“八五”计划的建议中第21条明确了要“大力加强传感器的开 发和在国民经济中的普遍应用”。 传感器行业在我国有广阔的发展空间 传感器与传感器技术发展趋势 一是开展基础研究，探索新理论，发现新现象，开发传感器的新材料 和新工艺；二是增加品种、减小体积和重量，向标准化、固态化、集成化 、多功能化、数字化、图像化、智能化方向发展。 标准化： 不同厂家的产品，在硬件、软件、通信规程、连接方式等方 面互相兼容、互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。 固态化： 采用半导体、电介质、强磁性体、陶瓷等材料。 集成化： 将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导 体技术将其制作在同一芯片上。 多功能化：传感器具有多种参数的检测功能。 数字化： 用数字信号取代模拟信号，提高可靠性和抗干扰能力。 图像化： 传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量，而开始研究 从一维、二维到三维空间的测量问题，如二维图像传感器等。 智能化： 将信号检测、驱动回路和信号处理回路等外围电路全部集成在 一块基片上，使它具有自诊断、远距离通信、自动调整零点和 量程等功能。 传感器的一般特性 一种传感器就是一种系统，一个系统总可以用一个数学方程式或函数来 描述。即用某种方程式或函数表征传感器的输出和输入间的关系和特性。 从传感器的静态输入输出关系建立的数学模型叫静态模型； 从传感器的动态输入输出关系建立的数学模型叫动态模型。 传感器所测量的非电量一般有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变 化或变化极其缓慢，称为静态信号；另一种是随时间变化而变化，称为动态 信号。 由于输入量的状态不同，传感器所呈现出来的输入输出特性也不同， 因此存在所谓的静态特性和动态特性。 为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好 的静态特性和动态特性，才能使信号(或能量)按规律准确地转换。 静态模型 动态模型 静态特性 动态特性 静态模型 式中 x 输入量； y 输出量； a0 零位输出； a1 传感器线性灵敏度，常用K 或S 表示 a2 ，an 非线性项的待定系数。 静态模型是指在静态信号情况下，描述传感器输出与输 入量间的一种函数关系。 一般可用多项式来表示： 动态模型 动态模型指传感器在准动态信号或动态信号作用下，描述其输出和输 入信号的一种数学关系。 动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。 1. 微分方程 绝大多数传感器都属模拟（连续变化）系统之列。描述模拟系统的一 般方法是采用微分方程。 式中 x 输入量 y 输出量 a n , a n-1 , , a0 和 b m , b m-1 , , b0 为传感器的结构参数（是常量）。 对于传感器，除 外，一般取 b 1 , b2 , , bm为0。 2. 传递函数 在分析、设计和应用传感器时，传递函数的概念非常有用。传递函 数是输出量和输入量之间的数学表示。如果传递函数已知，那么由任一 输入量就可求出相应的输出量。 传递函数的定义是输出信号和输入信号之比。 D（算子） d/dt 这种形式的传递函数对瞬变输入特别有用。对于线性系统，瞬变输 入所产生的输出由于它只出现一次而不重复，通常直接表示为时间函数 y(t)，它是这个传感器微分方程的解。 对y(t)进行拉氏变换的初始条件是 t 0，y (t)= 0。这对于传感器 被激励之前所有的储能元件如质量块、弹性元件、电气元件均符合上 述初始条件。从上式可知，它与输入量无关，只与系统结构参数a i ， b i 有关。因此，可以简单而恰当地描述其输出与输入关系。 只要知道Y(S)，X(S)，H(S)三者中任意两者，第三者便可方便地 求出。这时可见，无需了解复杂系统的具体内容，只要给系统一个激 励信号x(t)，使可得到系统的响应y(t) ，系统特性就能被确定。 y(t)的拉氏变换Y(S)和x(t)的拉氏变换X(S)的比为拉氏传递函数H(S) ： 静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的 关系称为静态特性。 静态数学模型 a0= 0 时，表示静态特性曲线通过原点。此时静态特性有四种典型情况： 1. 理想线性 （图a） 2. 具有 x 奇次阶项的非线性 （图b） 3. 具有 x 一次及偶次阶项的非线性 （图c） 4. 具有 x 奇、偶次阶项的非线性 （图d） 除图(a)为理想线性特性外（几乎每 一种传感器都不具备如此特性，即都存 在非线性），其余均为非线性关系。 仅具有奇次方的多项式模型，图(b) ，在原点附近一定范围内其本上是线性 特性。 在设计传感器时，应将测量范围选 取在静态特性最接近直线的一小段，此 时原点可能不在零点。以图（d）为例 ，如取 ab 段，则原点在 c 点。 传感器静态特性的非线性，使其输出不能成比例地反映被测量的变化 情况，而且对动态特性也有一定影响。因此在使用非线性传感器时，必须 对传感器输出特性进行线性处理。 传感器的静态特性主要由下列几种性能指标来描述: 1. 线性度（非线性误差） 2. 灵敏度 3. 重复性 4. 迟滞（回差滞环）现象 5. 精确度（精度） 6. 分辨率 7. 稳定性 8. 漂移 线性度（非线性误差） 所谓传感器的线性度就是其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。又称为非线性误差。 非线性误差可用下式表示： 式中Y max 输出量和输入 量实际曲线与拟合直线之间的 最大偏差； YFS 输出满量程值。 非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直 线算出来的。因而，基准直线不同，所得线性度也不同。 灵 敏 度 传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量y与输入增量x比值，常用 Sn 来表示。即 对于线性传感器，其灵敏 度就是它的静态特性的斜率， 如图 (a) 所示。即 非线性传感器的灵敏度 是一个变量，如图 (b) 所示， 即用 d y / d x 表示传感器在某 一工作点的灵敏度。 重 复 性 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得 特性曲线不一致性的程度。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越 重合，其重复性越好，误差也越小。 不重复性一般采用下式的极限误差式表示： 式中max输出最大不重复误差； YFS 满量程输出值。 不重复性误差一般属于随机误差性质，按极限误差公式计算不太合 理。不重复性误差可以通过校准测得。根据随机误差的性质，校准数据 的离散程度随校准次数不同而不同，其最大偏差值也不一样。因此，重 复性误差E z 可按下式计算： 式中 为标准偏差，可用贝赛尔公式求得。 迟滞(回差滞环)现象 迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行 程和反向(输入量减小)行程期间，辅出-输入特性曲 线不重合的程度。 对于同一大小的输入信号 x ，在 x 连续增大的 行程中，对应某一输出量为 yi ，在 x 连续减小过程 中，对应于输出量为 yd 之间的差值叫做滞环误差， 这就是所谓的迟滞现象。该误差用 E 表示为 在整个测量范围内产生的最大滞环误差用m 表示，它与满量程输出 值 YFS 的比值称为最大滞环率 E max ，即 精确度（精度） 说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。 1. 精密度 它说明测量结果的分散性。即对某一稳定的对象（被测量）由同一 测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次（ 等精度测量），其测量结果的分散程度。精密度越小说明测量越精密（ 对应随机误差）。 2. 正确度 正确度说明测量结果偏离真值的程度，即示值有规则偏离真值的程 度。指所测值与真值的符合程度（对应系统误差）。 3. 精确度 它含有精密度与正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程度。 在最简单的场合下可取两者的代数和。通常精确度是以测量误差的相对 值来表示的。 分 辨 率 传感器的分辨率是在规定测量范围内所能检测输入量 的最小变化量x min。有时也用该值相对满量程输入值的 百分数( )表示。 稳 定 性 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器 常用长期稳定性描述其稳定性。 所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长 的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始 标定时的输出之间的差异。因此，通常又用其不稳定度来 表征传感器输出的稳定程度。 漂 移 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、 不需要的变化。 漂移包括零点漂移（零漂）和灵敏度漂移等。 零点漂移：传感器在无输入（或输入值不变时），每隔一段时间进 行读数，其输出偏离零值（或原指示值）。 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移（温漂）。 时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。 温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移程度。一般 以温度变化1输出最大偏差与满量程的百分比来表示。 max 输出最大偏差； T 温度变化范围 式中Yo最大零点偏差（或相应偏差） n1. 有关测量技术中的部分名词 n2. 误差的分类 测量误差与数据处理 1. 有关测量技术中的部分名词 （1）等精度测量： （2）非等精度测量： （3）真值： （4）实际值： （5）标称值： （6）示值： （7）测量误差： 在同一条件下所进行的一毓重复测量 在多次测量中，如对测量结果精确度有影响的一切条 件不能完全维持不变的测量称为非等精度测量。 被测量本身所具有的真正值称之为真值。 当测量次数无限多时，测量结果的算术平均值 测量器具上所标出来的数值 由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值 用测量器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量 的实际值（或真值）之间的差值 2. 误差的分类 （1）系统误差 （2）随机误差 （3）粗大误差 在同一测量条件下，多次测 量同一量值时，绝对值和符 号以不可预定的方式变化着 的误差 在同一条件下，多次测量同一 量值时绝对和符号保持不变， 或在条件