第一章传感器原理与检测技术ppt课件

单击此处编辑母版标 题样式 单击此处编辑母版副标题样式 *1 华中科技大学武昌分校 自动化系电气教研室 多媒体课件 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用 梅秋燕梅秋燕 基础知识基础知识 定义、分类定义、分类 发展趋势发展趋势 选用原则选用原则 一般特性一般特性 传感器原理传感器原理检测技术检测技术 温度传感器温度传感器 磁敏传感器磁敏传感器 光电传感器光电传感器 应变传感器应变传感器 电感传感器电感传感器 电容传感器电容传感器 压电传感器压电传感器 其他传感器其他传感器 多传感器融合多传感器融合 检测电路检测电路 现代检测系统现代检测系统 课程主要内容 传感器的工作原理、结构、主要传感器的工作原理、结构、主要 参数、检测电路及其典型应用参数、检测电路及其典型应用 传感器原理与工程应用 一、传感器检测技术的应用 随着计算机、生产自动化、航空、遥 测、遥感等科学技术的发展，对传感器 的需求量与日俱增，其应用领域已渗入 到社会的各个领域，并起着巨大的作用 。 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用 传感器检测技术的应用 工业生产工业生产 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用 汽车工业汽车工业 1 1、辅助驾驶装置、辅助驾驶装置 2 2、安全装置、安全装置 3 3、舒适及方便装置、舒适及方便装置 4 4、信号装置、信号装置 机器人机器人 视觉 视觉: : 平面、立体平面、立体 非视觉非视觉: :触觉、滑觉、触觉、滑觉、 热觉、力觉、热觉、力觉、 接近觉、接近觉、 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用 传感器检测技术的应用 家用电器家用电器 液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器 智能洗衣机智能洗衣机 遥控器遥控器 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用 传感器检测技术的应用 智能建筑智能建筑 门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统 指纹门禁指纹门禁 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用 传传感器检测检测 技术术的应应用 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用 传传感器检测检测 技术术的应应用 NASA研发的X-33飞行器 二、本课程的任务和学习方法 1、课程性质： 本课程是一门专业技术基础课程。通过本课 程的学习，使同学们初步掌握工业生产中常用传 感器的原理及应用，掌握检测系统的组成方法。 2、基本要求 掌握检测技术的基本知识及传感器的静态性能 指标，初步掌握信号分析的基本方法。 掌握传感器的工作原理及应用。 三、参考文献及网址 n传感技术与应用教程“新世纪电子信息 工程系列教材”第一版，清华大学出版社 2005年； n传感器原理及应用第一版作者：唐贤 远、刘岐山,电子科技大学出版社 2000年； n传感器实用电路设计与制作第一版作 者：松井邦彦， n传感器与检测技术第一版作者：彭军 ，西安电子科技大学出版社 2003年 三、参考文献及网址 n 传感技术 学报 n/index.asp传感 器技术 n仪器仪表与传感器 n中国电子网。 n电子设计应用。 n传感器世界 n中国传感器 第1章 传感与检测技术的理念基础 测量概论. n表征物质特性或其运动形式的参数很多，总的 可分为电量和非电量两大类，电量一般是物理 学中的电学量（电压、电流等）。非电量是指 电量之外的一些参数（压力、流量等）。 n在我们的日常生活和生产活动中，需要对这些 电量和非电量进行测量。 第1章 传感与检测技术的理念基础 测量概论 “测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶 段的产物。 在工程中, 需要有传感器与多台仪表 组合在一起, 才能完成信号的检测, 这样便形成 了测量系统。 尤其是随着计算机技术及信息处 理技术的发展, 测量系统所涉及的内容也不断得 以充实。 为了更好地掌握传感器, 需要对测量的基本概念 测量系统的特性, 测量误差及数据处理等方面的 理论及工程方法进行学习和研究, 只有了解和掌 握了这些基本理论, 才能更有效地完成检测任务 第1章 传感与检测技术的理念基础 测量概论 测量是以确定被测量的值或获取测量结果 为目的的一系列操作。 由测量所获得的被测的量值叫测量结果。 测量结果可用一定的数值表示, 也可以用一条曲 线或某种图形表示。但无论其表现形式如何, 测 量结果应包括两部分：比值和测量单位。 确切 地讲, 测量结果还应包括误差部分。 一、测量 第1章 传感与检测技术的理念基础 测量概论 一般测量应该有以下几个步骤： n比较 n示差 n平衡 n读数 第1章 传感与检测技术的理念基础 测量概论 实现被测量与标准量比较得出比值的方法, 称为 测量方法。对于测量方法, 从不同角度, 有不同的 分类方法。 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; 根据测量的精度因 素情况可分为等精度测量与非等精度测量; 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; 根据被测量变化快慢可分为静态测量与 动态测量等。 二、测量方法二、测量方法 测量概论 二、测量方法 1、直接测量、间接测量与组合测量 直接测量： n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例如,用磁电式电流表测量电路的某一支路 电流, 用弹簧管压力表测量压力等, 都属于 直接测量。直接测量的优点是测量过程简 单而又迅速, 缺点是测量精度不高 。 测量概论 二、测量方法 1、直接测量、间接测量与组合测量 间接测量、组合测量： n在使用仪表或传感器进行测量时, 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。 （例：电功率测量P=V2/R）. n若被测量必须经过求解联立方程组, 才能得 到最后结果, 则称这样的测量为组合测量。 测量概论 二、测量方法 2、偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 n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。 V VS S ：被测量：被测量 R RS S ：外接线电阻：外接线电阻 R RV V ：动圈仪表内阻：动圈仪表内阻 测量概论 二、测量方法 2、偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 n.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。 测量概论 二、测量方法 2、偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 电位差计式测量： U UX X ：传感器信号：传感器信号 （未知量）（未知量） U UK K ：标准量信号：标准量信号 （已知量）（已知量） DD： 检零计检零计 （电压表）（电压表） 平衡：平衡：U U K K =U=U X X 测量概论 二、测量方法 2、偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 n微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测量的 优点而提出的一种测量方法。它将被测量与已知 的标准量相比较, 取得值后, 再用偏差法测得此差 值。 X：被测量 N：标准量 ：微差 测量概论 二、测量方法 3、等精度测量与不等精度测量 n 用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多 次重复测量, 称为等精度测量。 n 用不同精度的仪表或不同的测量方法, 或在环 境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复 测量称为非等精度测量。 4、静态测量与动态测量 n被测量在测量过程中认为是固定不变的。 n被测量在测量过程中是随时间不断变化的。 第1章 传感与检测技术的理念基础 测量概论 三、测量系统 1.测量系统构成 n测量系统应具有对被测对象的特征量进行检测、 传输、处理及显示等功能。一个测量系统是传感 器变送器和其它变换装置的有机组合。 如下图 表示测量系统原理结构框图。 测量概论 三、测量系统 2.开环测量系统与闭环测量系统 n 开环测量系统的全部信息变换只沿着一个 方向进行, 如图所示。 测量概论 三、测量系统 2.开环测量系统与闭环测量系统 n闭环测量系统闭环测量系统有两个通道， 一为正向通道、二为反馈通道，如图所示： 测量概论 四、测量误差 测量的目的是希望通过测量获取被测量的真 实值。但由于种种原因, 两者不一致程度用测量 误差表示。测量误差就是测量值与真实值之间的 差值。 它反映了测量质量的好坏。 测量的可靠性至关重要, 不同场合对测量结果 可靠性的要求也不同。 例如, 在量值传递、经济 核算、产品检验等场合应保证测量结果有足够的 准确度。当测量值用作控制信号时, 则要注意测 量的稳定性和可靠性。 测量概论 四、测量误差 1.测量误差的表示方法 n绝对误差：测量结果与被测量的真值之差。 =x-L 式中: 绝对误差; x测量值; L真实值； 例如：真值为30.2 的电流，测得值为30.4 ， 则微安表的显示值30.4 的绝对误差为： 测量概论 四、测量误差 1.测量误差的表示方法 n例如：测量两个电阻其中： R1=10 绝对误差R1=0.1 R2=1000 绝对误差R2=1 尽管R1 R2但不能由此得出测量电阻R1 比测量电阻R2的准确度要高的结论，因此 需要引出相对误差的概念。 测量概论 四、测量误差 1.测量误差的表示方法 n实际相对误差的定义由下式给出: 式中: 相对误差, 绝对误差; L真实值 由于被测量的真实值L无法知道, 实际测量时用 测量值X代替真实值L进行计算, 这个相对误差称 为标称相对误差, 即： 测量概论 四、测量误差 1.测量误差的表示方法 n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： 式中: 引用误差 绝对误差 测量概论 四、测量误差 一般用表示仪表的精度等级。我国电工仪表 共分七级：0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 0.5级仪表，表示=0.5%；1级仪表：表示=1%. 根据精度等级和量程范围，可以求出该仪表可能 出现的最大绝对误差。 温度计：1级仪表，仪表量程0-100 =100*1%=1 1级仪表，仪表量程0-1000 =1000*1%=10 n例1：已知待测电压约为70V左右，现有两只电压 表，一只为0.5级，测量范围为0500V，另一只为 1.0级，测量范围为0100V，选用哪一只电压表较 好？为什么？ 解：1）0.5级 0-500V电压表，允许的最大绝对 误差=500*0.5%=2.5V。70V处的最大相对误差： 2）1.0级 0-100V电压表, 允许的最大绝对误差 =100*1.0%=1V。70V处的最大相对误差： n例2：一台精度等级为0.5级，量程范围 6001200的温度传感器，它最大允许绝 对误差是多少？检验时，某点最大绝对误 差为4 ，问此表是否合格？ 1.1 测量概论 四、测量误差 测量误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律, 将 误差分为三种, 即系统误差、随机误差和 粗大误差。这种分类方法便于测量数据处 理。 随机误差对同一被测量进行多次重复测量 时, 绝对值和符号不可预知地随机变化。 但就误差的总体而言, 具有一定的统计规 律性的误差称为随机误差。 1.1 测量概论 四、测量误差 系统误差对同一被测量进行多次重复测量时 , 如果误差按照一定的规律出现, 则把这种误 差称为系统误差。例如, 标准量值的不准确 及仪表刻度的不准确而引起的误差。 粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗 大误差, 又称疏忽误差。这类误差是由于测 量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起 的。对于粗大误差, 首先应设法判断是否存 在, 然后将其消除。 测量误差的性质测量误差的性质 第1章 传感与检测技术的理念基础 1.2 测量数据的估计和处理 一、 随机误差的统计处理 在测量中, 当系统误差已设法消除或减小到可以 忽略的程度时, 如果测量数据仍有不稳定的现象 , 说明存在随机误差。 n正态分布 随机误差具有以下性质： 对称性：绝对值相等的正负误差出现的次数相 等 有界性：在一定测量条件下的有限测量值，其 随机误差的 绝对值不会超过一定的界限。 第1章 传感与检测技术的理念基础 1.2 测量数据的估计和处理一、 随机误差的统计处理 单峰性：绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的 误差出现的次数多。 抵偿性：对同一量值进行多次测量，其误差的算术 平均值，随着测量次数的增加趋于零。 1 随机误差的正态分布曲线 n随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在 一定条件下服从统计规律，其数学表达式为： 随机误差 =x-L x测量值； 均方根偏差 一、 随机误差的统计处理 2 随机误差的数字特征 n算术平均值 在实际测量时, 真值L不可能得到。但如果随 机误差服从正态分布, 则算术平均值处随机误 差的概率密度最大。对被测量进行等精度的n 次测量, 得n个测量值x1 x2xn, 它们的算术平 均值为 算术平均值是测量值中最可信赖的, 它可 以作为等精度多次测量的结果。 2 随机误差的数字特征 算术平均值 当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平 均值即等于真值，事实上是不可能无限次测量 即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加 算术平均值也就越接近真