Ch01 绪论.ppt

现代传感器原理及应用FundamentalsofSensors Application 闫斌自动化工程学院传感网络与智能信息处理研究室QQ 191629333E mail uestyan 学时数 48学分数 3考核方式 平时成绩 30 期末考试 70 参考书 传感器原理及应用彭杰纲 宁静 邓罡等电子工业出版社2012刘迎春 叶湘滨 传感器原理设计与应用 国防科技大学出版社 2006王雪文 张志勇 传感器应用及应用 北京航空航天大学出版社 2004崔逊学 左从菊 无线传感器网络简明教程 清华大学出版社 2009 第一章绪论 2020 1 1 4 检测 Detection 定义 利用各种物理 化学效应 选择合适的方法与装置 将生产 科研 生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法 赋予定性或定量结果的过程称为检测技术 1 1检测技术与传感器 5 例 曹冲称象 方法 比较法 装置 船 石头 小秤 检查 测量 从而得到 定性 定量的结果 从检测技术说起 检测技术是人类认识和改造客观世界的基础 检测技术的水平 在相当程度上影响科学技术发展的速度和深度 先进的检测技术已成为生产系统不可缺少的组成部分 6 1 流程工业设备运行状态监控 在冶金 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 7 检测技术的典型应用 检测技术在电力生产领域的应用 9 检测技术在工业生产领域的应用 在线检测 零件尺寸 产品缺陷 装配定位 2 产品质量测量 在汽车 机床等设备 电机 发动机等零部件出厂时 必须对其性能质量进行测量和出厂检验 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 10 11 检测技术在汽车中的应用日新月异 发动机 向发动机的电子控制单元 ECU 提供发动机的工作状况信息 对发动机工作状况进行精确控制温度 压力 位置 转速 流量 气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器 汽车电子控制系统的信息源 关键部件 核心技术内容 普通轿车 约安装几十到近百只传感器 豪华轿车 传感器数量可多达二百余只 底盘 控制变速器系统 悬架系统 动力转向系统 制动防抱死系统等车速 踏板 加速度 节气门 发动机转速 水温 油温 车身 提高汽车的安全性 可靠性和舒适性等温度 湿度 风量 日照 加速度 车速 测距 图象等 12 3 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检测技术 如闯入监测 空气监测 温度监测 电梯运行状况 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 13 4 家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中 人们大量的应用了传感器和检测技术来提高产品性能和质量 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 指纹传感器 透光率传感器 14 15 检测技术在日常生活中的应用与日俱增 家用电器 数码相机 数码摄像机 自动对焦 红外测距传感器 数字体温计 接触式 热敏电阻 非接触式 红外传感器 自动感应灯 亮度检测 光敏电阻 空调 冰箱 电饭煲 温度检测 热敏电阻 热电偶 电话 麦克风 话音转换 驻极电容传感器 遥控接收 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 办公商务 可视对讲 可视电话 图像获取 面阵CCD 扫描仪 文档扫描 线阵CCD 红外传输数据 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 医疗卫生 电子血压计 血压检测 压力传感器 血糖测试仪 胆固醇检测仪 离子传感器 5 其他应用 航天 农业 交通 医学 16 鼠标 光电位移传感器 摄象头 CCD传感器 麦克风 电容传声器 声卡 A D卡 D A卡 软驱 速度 位置伺服 6 PC机中的检测技术应用 17 检测技术在军事上的应用 美军研制的未来单兵作战武器 OICW 夜视瞄准机系统 非冷却红外传感器技术 激光测距仪 可精确的定位目标 在发射20毫米高爆弹时 激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信 以便精确的设定引爆时间 飞行器测控 检测飞行器姿态 发电机工况 控制与操纵 火箭测控 检测火箭状况 姿态 轨迹 检测技术在航天领域举足轻重 阿波罗10 火箭部分 2077个传感器 飞船部分 1218个传感器 检测参数 加速度 温度 压力 振动 流量 应变 声学 神州飞船 185台 套 仪器装置 检测技术在海啸预报中的应用 海浪振动检测系统 浮标 深海地沟 2020 1 1 22 检测技术在飞行器中的应用 教学实验 气象预报 大地测绘 灾情预报 交通指挥 涵盖吃穿用 农轻重 海陆空 7 机电工程中的应用 a 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 在各种自动控制系统中 检测环节起着系统感官的作用 是其重要组成部分 密歇根大学的机械手装配模型 广州中鸣数码的机器狗 24 b AGV AutomatedGuidedVehicle 自动导航车 超声波测距传感器 判断建筑物内人和物所在位置 红外线色彩传感器控制运动轨迹和AGV小车位置识别 条形码传感器 货品识别 香港理工AGV模型 25 视频分享 以下机器人有哪些传感器 2020 1 1 27 二 自动检测系统的组成 不带微处理器时 自动检测技术系统原理框图 2020 1 1 28 在传感器中包含两个不同的概念 一是检测信号 二是能把检测的信号转换成一种与被测量有对应的函数关系的 而且便于传输和处理的物理量 传感器 2020 1 1 29 能将温度转换为电压的传感器 热电偶 2020 1 1 30 四 传感器的组成与定义 敏感元件 完成预变换 非电量 易于变换成电量的非电量 电量 转换元件 非电量到电量转换的器件 敏感元件 转换元件 压力传感器示例 信号调节与转换电路 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 传感器的定义 能感受 或响应 规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置 传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的 便于应用的某种物理量的测量装置 1 2 传感器的分类 从物理定律机理进行分类 可分为 结构型传感器 物性型传感器 复台型传感器从电路供电方式来分 可分为 无源传感器 有源传感器 按原理分类的传感器电参量式传感器 磁电式传感器 压电式传感器 光电式传感器 气电式传感器 热电式传感器 波式传感器 射线式传感器 半导体式传感器 其他原理的传感器 按用途分类温度传感器 光敏传感器 力敏传感器 磁敏传感器 气体传感器 湿度传感器 声敏传感器 流量传感器 生物传感器 其它传感器等 按可逆性分单向传感器双向传感器 信号输出方式 模拟量传感器数字量传感器 传感器的输入输出关系特性 1 3传感器的基本特性 在输入信号不随时间变化的情况下 描述传感器的输出与输入量的一种函数关系 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 1 3 1传感器的静态特性 1 线性度描述实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差 或线性度 如果不考虑蠕动效应和迟滞特性 传感器的静态模型一般可用多项式来表示 通常用相对误差表示 即 Lmax 实际曲线和拟合直线间的最大偏差YFS 满量程输出 线性度就是用来表示实际曲线与拟合直线接近的一个性能指标 1 即使是同类传感器 拟合直线不同 其线性度也是不同的 a 理论拟合 b 过零旋转拟合 c 端点连线拟合 d 端点平移拟合 2 不同拟合方式得到的结果不相同 在实践中应选择使用 表示传感器的实际输出校准曲线与理论直线的偏差程度 该方法十分简单 但一般说 Lmax较大 常用于曲线过零的传感器 L1 L2 Lmax 误差有所减小 把输出曲线两端点的连线作为拟合直线 这种方法比较简便 但 Lmax也较大 在图c基础上使直线平移 移动距离为原先 Lmax的一半 这样输出曲线分布于拟合直线的两侧 最小二乘法 这种方法得到的线性度称为最小二乘线性度 这种直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小 方法 令拟合的直线方程为 y kx b残差 i yi kxi b 最小二乘法拟合直线的拟合原则 即最小 2 灵敏度 对线性传感器 其灵敏度就是它的静态特性的斜率 非线性传感器灵敏度是一个变量 只能表示传感器在某一工作点的灵敏度 指在稳态下输出增量与输入增量的比值 3 迟滞 将在相同工作条件下进行全测量范围测量时正行程和反行程输出的不重合程度称为迟滞或滞后 主要原因是 传感器敏感元件材料的物理性质机械零部件的缺陷 迟滞大小的表示 例1 检验一台量程为0 250mmH2O的差压变送器 当差压由0上升到100mmH2O时 差压变送器读数为98mmH2O 当当差压由250mmH2O下降到100mmH2O时 差压变送器读数为103mmH2O 问仪表在该点的迟滞 变差 是多少 3 迟滞 解 根据迟滞的含义 迟滞表示传感器在输入值增长的过程中 正行程 和减少的过程中 反行程 同一输入量输入时 输出值的差别 得仪表在该点的迟滞 变差 是 例2 一非线性传感器正 反行程的实测特性为 3 迟滞 解 传感器的满量程输出为 正行程 反行程 x y分别为传感器的输入和输出 输入范围为2 x 0 若以y 1 x2为传感器的参考输入 输出特性曲线 试计算该传感器的迟滞误差 传感器正 反行程的输出差值 由 3 迟滞 得 时迟滞值取得极大值 迟滞误差为 4 重复性 输入量按同一方向作全程多次测试时 所得特性曲线不一致的程度 表示为 或用同一输入量N次测量的标准偏差 与满量程的百分比表示 为 5 分辨力 描述传感器可以感受到的被测量最小变化的能力 一般各个输入点能分辨的范围不同用满量程中使输出阶跃变化的输入量中最大的可分辨范围作为衡量指标 6 温度稳定性 温度引起的误差用温度系数描述 Y1 Y2 温度T1 T2时的输出值 T T2 T1 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 当传感器的输入量随时间变化时 其输出量的响应特性就是动态特性影响动态特性的主要因素 传感器本身的固有特性 比如 热电偶存在热惯性传感器动态输入信号的变化形式 1 3 2传感器的动态特性 动态输入信号 1 3 2传感器的动态特性 通常使用两种输入 1 正弦输入 2 阶跃输入 1 3 2传感器的动态特性 1 动态误差 在动态的输入信号情况下 输出与输入间的差异即为动态误差 热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差 例 用一只热电偶测量某一容器的液体温度T 若环境温度为T0 把置于环境温度之中的热电偶立即放入容器中 若T T0 1 阶跃响应 2 研究传感器动态特性的方法及其指标 当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号时 其输出特性称为阶跃响应特性 1 一阶传感器的单位阶跃响应 2 研究传感器动态特性的方法及其指标 在工程上 一阶传感器单位阶跃响应的通式如下 一阶传感器的传递函数 传感器输出的拉氏变换为 一阶传感器的单位阶跃响应信号为 1 一阶传感器的单位阶跃响应 最大超调量 p 响应曲线偏离阶跃曲线的最大值 当稳态值为1 则最大百分比超调量为 延滞时间td 阶跃响应达到稳态值50 所需要的时间 1 一阶传感器的单位阶跃响应 上升时间tr A 响应曲线从稳态值10 90 所需要的时间 B 响应曲线从稳态值5 95 所需要的时间 C 响应曲线从零到第一次到达稳态值所需要的时间 对有振荡的传感器常用C对无振荡的传感器常用A 1 一阶传感器的单位阶跃响应 峰值时间tp 响应曲线到第一个峰值所需要的时间 响应时间ts 响应曲线衰减到稳态值之差不超过 5 或 2 时所需要的时间 有时称过渡过程时间 1 一阶传感器的单位阶跃响应 二阶传感器的单位阶跃响应的通式为 2 二阶传感器的单位阶跃响应 式中 n 传感器的固有频率 传感器的阻尼比 二阶传感器的传递函数 二阶传感器单位阶跃响应的传递函数 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 当 n为常数时 传感器的响应取决于阻尼比 2 二阶传感器的单位阶跃响应 几个指标 时间常数 指输出量从0上升到稳态Y 的63 所需的时间上升时间tr 指从稳态值Y 的10 上升到90 所需的时间 它表示传感器的响应速度 tr小时 表明传感器对输入的响应速度快 响应时间ts 从输入量开始到输出进入稳定值的允许误差范围 1 或2 内所需的时间 也能表示响应速度 振荡次数N 是指输出量在稳态值Y 上下振荡的次数 N越小 表明稳定性越好 稳态误差e 是指响应的实际值Y 与期望值之差 它反映稳态的精确程度 2 二阶传感器的单位阶跃响应 2 频率响应 在定常线性系统中 拉氏变换是广义的傅氏变换 取s j 中的 0 则s j 即拉氏变换局限于s平面的虚轴 则得到傅氏变换 同样有 H j 称为传感器的频率响应函数 表示如下 H j 为输出输入幅值比 它与角频率 的关系成为幅频特性 输出与输入相位差与频率的关系成为相频关系 进一步表示为 即 A 称为传感器的幅频特性 也称为传感器的动态灵敏度 或增益 A 表示传感器的输出与输入的幅度比值随频率而变化的大小 其中 频率响应函数 幅频特性 相频特性 负号表示相位滞后 一阶传感器的频率响应 讨论 时间常数 越小 频率响应特性越好 当 1时 A 1 0 表明传感器输出与输入为线性关系 且相位差也很小 输出y t 比较真实地反映输入x t 的变化规律 因此 减小 可改善传感器的频率特性 一阶传感器的频率响应 举例 例1 已知某一传感器的传递函数为 求该传感器输入信号的工作频率范围 解 根据题意可知一阶传感器的频率传递函数幅频特性时 输出信号失真较小 测量结果比较精确 故取此范围为工作频率段 则由 所以输入信号的工作频率范围为0 159Hz 例2 用一个时间常数为0 35s的一阶装置去测量周期分别为1s 2s 和5s的正弦信号 问幅值误差是多少 举例 举例 例3 想用一个一阶系统做100Hz正弦信号的测量 如要求限制振幅误差在5 以内 那么时间常数应取为多少 若用该系统测量50Hz正弦信号 问此时的振幅误差和相位差是多少 举例 例3 想用一个一阶系统做100Hz正弦信号的测量 如要求限制振幅误差在5 以内 那么时间常数应取为多少 若用该系统测量50Hz正弦信号 问此时的振幅误差和相位差是多少 所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器 很多传感器 如振动传感器 压力传感器等属于二阶传感器 传递函数为 二阶传感器的频率响应 K 1 相频特性 幅频特性 二阶传感器 传递函数为 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 当 时 A 1 很小 此时 传感器的输出y t 再现了输入x t 的波形 通常固有频率 n至少应大于被测信号频率 的3 5倍 即 n 3 5 为了减小动态误差和扩大频率响应范围 一般是提高传感器固有频率 n 对于高阶传感器 在写出运动方程后 可根据式具体情况写出传递函数 频率特性等 在求出特征方程共轭复根和实根后 可将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研究其过渡函数 有些传感器可能难于写出运动方程 这时可采用实验方法 即通过输入不同频率的周期信号与阶跃信号 以获得该传感器系统的幅频特性 相频特性与过渡函数等 例 设有两只力传感器均可作为二阶系统来处理 其固有振荡频率分别为800Hz和1200Hz 阻尼比均为0 4 今欲测量频率为400Hz正弦变化的外力 应选用哪一只 并计算将产生多少幅度相对误差和相位差 解 由题意知 则其幅度动态误差为 相位差 1 4传感器的标定与校准 传感器的标定 活塞式压力计 已知标准力 精度已知检测设备测量 校准 传感器在使用中或存储后进行的性能复测 再次的标定 标定 利用标准器具对传感器进行标度的过程 输入 输出关系 待标定传感器 已知非电量 输入量 标定的基本方法 标准设备 输出量 输入标准量 由标准传感器检测得到 实质 待标定传感器与标准传感器之间的比较 电量 比较式标定 标定系统的组成 1 被测非电量的标准发生器 2 被测非电量的标准测试系统 3 待标定传感