传感器与检测技术 第一章

传感器与检测技术,主讲：杨新军电话mail：,第一章 概述,日常生活中的传感器,电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器; 煤气灶中的煤气泄漏传感器; 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器; 照相机中的光传感器; 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？,第一章 概述,人体系统和机器系统比较,第一章 概述,人体系统和机器系统比较,如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。,第一章 概述,传感器的定义,根据GB7665-87，【传感器】（TransducerSensor）的定义为：能感受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，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的其他名称“发送器”“传送器”“变送器”传感器的功用是“一感二传”，即感受被测信息并传送出去,第一节 机电一体化系统常用传感器,一、传感器的组成,敏感元件,转换元件,基本转换电路,被测量,电量,敏感元件是直接感受被测量，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：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,1. 按被测对象分,内部信息传感器,外部信息传感器,检测机电一体化系统内部状态,检测系统的外部环境状态,位置、速度、力、力矩、温度及异常变化,接触式：触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器非接触式：视觉传感器、超声测距、激光测距,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,2. 按工作机理分,物性型传感器,结构型传感器,利用某些物质的某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成,利用物理学中场的定律和运动定律等构成，其被测参数变化引起传感器的结构变化，从而使输出电量变化,光电式传感器、压电式传感器,电感式传感器、电容式传感器、光栅式传感器,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,3. 按被测物理量分,这种分类方法明确地表明了传感器的用途，便于使用者选择。生产厂家往往此分类。 如： 位移传感器用于测量位移 温度传感器用于测量温度,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,4. 按工作原理分,这种分类清楚地表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用。 见表1-1,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,5. 按传感器能量源分,无源型传感器,有源结构型传感器,不需要外加电源，而是将被测量的相关能量转换成电量输出（能量转换型）,需要外加电源，才能输出电量，又称能量控制型,压电式、磁电感应式、热电式、光电式,电阻式、电容式、电感式、霍尔式等等,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,6. 按输出信号的性质分,模拟型,数字型,开关型,非接触型（如光电开关、接近开关）,接触型（如微动开关、行程开关、接触开关）,电阻型（电位器、电阻应变片等）,电感、电容型（电感、电容式位置传感器）,电压、电流型（热电偶、光电池等）,计数型（脉冲或方波信号+计数器）,代码型（回转编码器、磁尺等）,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,6. 按输出信号的性质分,开关型传感器的开关就是“1”和“0”或开（ON）和关（OFF）。可以直接送到微机进行处理，比较方便,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,6. 按输出信号的性质分,模拟型传感器的输出是与输入物理量有一定关系的电量。,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的分类,6. 按输出信号的性质分,数字型传感器有计数型（a）和代码型（b）,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的特性及主要性能指标,1. 传感器的静态特性,当传感器的输入量为常量或随时间缓慢变化的量时，传感器的输出与输入之间的关系称为静态特性，简称静特性。,人们总希望输出与输入具有确定的对应关系，而且最好呈线性关系。但一般输出输入不会符合所要求的线性关系。非线性误差. 同时由于存在着迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等因素的影响，输出输入之间不一定是唯一确定的。,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的特性及主要性能指标,1. 传感器的静态特性,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的特性及主要性能指标,1. 传感器的动态特性,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，是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动特性来表示。 除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,动态测温问题实例,把一支温度计从温度为t0环境中迅速插入一个温度为t的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时温度计温度从t0突然上升到t，而温度计反映出来的温度从t0变化到t需要经历一段时间，即有一段过渡过程。,温度计反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。,造成温度计输出波形失真和产生动态误差的原因，是温度计有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。这种热惯性是温度计固有的，决定了温度计测量快速温度变化时会产生动态误差。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究传感器动特性时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。,动态测温问题实例,第一节 机电一体化系统常用传感器,二、传感器的特性及主要性能指标,3. 传感器的性能指标,传感器是非电量电测的首要环节和关键部件。传感器质量的好坏，一般通过若干个主要性能指标来表示。 对于不同传感器，应根据实际需要，确定主要指标参数。有些指标可以要求低些或不予考虑。应注意稳定性指标，这样才能利用电路或微机对传感器误差进行补偿和修正，使传感器成本既低又能达到较高精度。,3. 传感器的性能指标,各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各不相同，但对它们的主要性能要求却是一致的。这些主要性能要求是：高精度、低成本。应根据实际要求合理确定静态精度与成本的关系，尽量提高精度，降低成本；高灵敏度。应根据需要合理确定灵敏度；工作可靠；稳定性好，应长期工作稳定，抗腐蚀性好；抗干扰能力强；动态特性良好；结构简单、小巧，使用维护方便，通用性强，功耗低。,表1-2 传感器的主要性能指标,第二节 传感检测技术的地位和作用,构成现代信息技术的三大支柱是： 传感器技术（信息采集）； 通信技术 （信息传输）； 计算机技术（信息处理）； 它们在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和“大脑”的作用。 在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。,第二节 传感检测技术的地位和作用,传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。 传感器是边缘学科开发的先驱。,传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。,传感器的需求量,楼宇自动控制系统,控制管理的机电设备有：空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等等，实现以上功能使用的传感器有：温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力。安全防护防盗、防火、防燃气泄露、CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器；,第二节 传感检测技术的地位和作用,自动识别门禁管理系统、感应式IC卡识别、指纹识别；远程抄收与管理系统水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表；巡更系统保安管理。,第二节 传感检测技术的地位和作用,楼宇自动控制系统,门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统,自动识别门禁管理系统、感应式IC卡识别、指纹识别；远程抄收与管理系统水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表；巡更系统保安管理。,第二节 传感检测技术的地位和作用,楼宇自动控制系统,门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统,第二节 传感检测技术的地位和作用,汽车与传感器,已不只局限于对行驶速度、行驶距离和发动机旋转速度的监控 安全监控：如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用。,汽车与传感器,传感器与家用电器,智能洗衣机中的传感器：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)。,传感器与家用电器,传感器在机器人上的应用,在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的工作。 一些高速度、高精度的工作，由机器人来承担也是非常合适的。 要使机器人和人的功能更为接近，这就要给机器人安装视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和重量感觉。,传感器在机器人上的应用,传感器在医学上的应用,可以对人体的表面和内部温度、血压、腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉搏及心音、心脑电波等进行高难度的诊断 在早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛的范围内发挥作用,传感器与环境保护,环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境 为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。,传感器与环境保护,使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。,飞行的方向，飞行姿态、飞行环境、飞行器本身的状态及内部设备的监控也都要通过传感器进行检测。,传感器与航空及航天,传感器与遥感技术,从飞机、人造卫星、宇宙飞船及船舶上对远距离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。图为在卫星上通过遥感技术拍摄的美国空军基地。,未来世界是个充满传感器的世界，还会有：智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）智能,第二节 传感检测技术的地位和作用,由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视这一领域的发展。,传感器的输入/输出特性，理论上的分析很复杂，实际上并非都可用数学表达式描述。目前尚无全面可行的评价传感器质量的指标，通常以基本参数和环境参数作为检验、使用和评价传感器的依据。 传感器选用时切忌盲目追求各参数的高指标，应在满足量程的情况下，只保证其主要参数性能指标，放宽对次要指标的要求，以求得到高的性价比。,第三节 传感器及检测系统基本特性的评价指标和选用原则,一、测量范围及量程,测量范围： 传感器在允许误差限内，其被测量值的范围。量程： 传感器在测量范围内的上限值和下限值之差。过载能力： 在不致引起传感器的规定性能指标永久改变的条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。 过载能力通常用其允许超过测量上限（或下限）的被测量值与量程的百分比表示。,二、灵敏度（Sensitivity）,灵敏度是指传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。,灵敏度误差为,当检测系统各环节灵敏度分别为,时，总灵敏度为,灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应能力。一般，灵敏度越高越好，但这样与测量无关的外界噪声也容易混入。为此往往要求信噪比越大越好，即要求传感器本身噪声小，且鲁棒性好即抗干扰能力强。,二、灵敏度（Sensitivity）,线性传感器灵敏度是它的静态特性的斜率，即K0为常数。非线性传感器它的灵敏度K0为一变量，用下式表示。,三、线性度,线性度指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。,常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等，如图所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的线性度。,(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,即使是同类传感器拟合直线不同其线性度也是不同的,三、线性度,四、重复性,重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线间不一致的程度。,五、稳定性,稳定性即在相同条件、相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力。稳定性一般以室温条件下经过一定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时输出的差异来表示。影响传感器稳定性的因素是时间和环境。,零漂：传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点漂移，,五、稳定性,稳定性即在相同条件、相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力。稳定性一般以室温条件下经过一定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时输出的差异来表示。影响传感器稳定性的因素是时间和环境。,温漂：表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1时，输出最大偏差与满量程的百分比表示。,六、精确度,精确度有时简称精度。它表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。 传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比， 在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法，引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高,七、动态特性,传感器的动态特性反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性。传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真。此外，实际传感器的响应总有一定延迟，但总希望延迟时间越短越好。 一般地，利用光电效应、压电效应等物性传感器，响应时间短，工作频率范围宽。而结构型，如电感、电容、磁电式传感器等，由于受到结构特性的影响，往往由于机电一体化系统惯性质量的限制，其固有频率低。,八、环境参数,环境参数主要指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差、环境振动误差和冲击误差等。选用传感器时应充分考虑抗环境干扰的能力。 此外，传感器在实际应用时的工作方式，也是选用传感器时应考虑的重要因素。例如接触测量和非接触测量；在线测量与离线测量等。工作方式不同对传感器要求也不同。,八、环境参数,接触式测量,八、环境参数,非接触式测量 例：雷达测速,八、环境参数,离线测量,产品质量检验,八、环境参数,在线测量,在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。,第四节 传感器的标定与校准,标定： 在明确传感器输入/输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量（或其它标准量）输入，确定其输出电量与其输入量之间关系的过程，称为标定。校准： 传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以确保传感器的测量精度。这个复测过程叫做校准。,第四节 传感器的标定与校准,传感器的标定系统组成：,被测非电量的标准发生器（如量块、砝码、恒温源）或被测非电量的标准测试系统（如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等）；待标定传感器；它所配接的信号调节器及显示、记录器等，所配接的仪器设备亦作为标准测试设备使用，其精度已知。,第四节 传感器的标定与校准,为确保各种量值准确一致，应按国家有关计量部门规定的标准、检定规程和管理办法进行标定。,第四节 传感器的标定与校准,只能按此系统用上一级标准装置检定下一级传感器及配套仪表；如果待标定传感器精度较高，也可以跨级使用更高一级的标准装置。,第四节 传感器的标定与校准,一、传感器的静态标定,传感器的静态标定设备（标准值发生器）有： 力标定设备（如测力砝码、拉压式测力计） 压力标定设备（水银压力计、麦氏真空计） 温度标定设备（铂电阻温度计、铂铑-铂热电偶）,静态标定是给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给定标准曲线、标定方程和标定常数，计算其灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态指标,第四节 传感器的标定与校准,一、传感器的静态标定,对传感器进行静态标定时，首先要建立静态标定系统。例如应变式测力传感器静态标定系统。,第四节 传感器的标定与校准,一、传感器的动态标定,动态标定的目的是检验测试传感器的动态性能指标。通过确定其线性工作范围（用同一频率输入不同幅值的正弦信号，测量传感器的输出）、频率响应函数、频率特性曲线、阶跃响应曲线，来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位误差、时间常数、阻尼比、固有频率等。,传感器的种类繁多，动态标定方法各异，常用的标准动态激励设备有激振器、激波管、周期与非周期压力发生器等。其中激振器可用于位移、速度、加速度、力、压力传感器的动态标定。例如测振传感器的动态标定常用电磁振动台产生简谐振动作为传感器的输入量。,第四节 传感器的标定与校准,一、绝对标定法图1-9振动的振幅由读数显微镜测得振动频率由频率计指示。若测得传感器的输出电量即可通过计算得到位移传感器、速度传感器、加速度传感器的灵敏度。,第四节 传感器的标定与校准,二、比较标定法图1-10 将被标传感器与标准测振传感器“背靠背”安装在振动台上。标定时，分别测出被标传感器与标准测振传感器的输出电压值Ua和U，若标准测振传感器的加速度灵敏度为Sa0，则被标传感器加速度灵敏度Sa为 Sa=Sa0U/Ua 频率响应的标定，在振幅恒定条件下，改变振动台的振动频率，测出传感器输出电压与振动频率的关系，即幅频响应。比较被标传感器与标准传感器输出信号间的相位差，可得传感器的相频特性。,第五节 传感器与检测技术的发展方向,传感器现状,目前我国已有1700多家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事微系统研制、生产的有50多家，早在2009年底，敏感元件和传感器年总产量已达到20亿只，传感器产品达到10大类、42小类、6000多个品种。同时，传感器越来越多地被应用到社会发展及人类生活的各个领域，如工业自动化、农业现代化、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等。,2010年，流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%;压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征;未来传感器市场的主要增长将来自于无线传感器、微系统传感器、生物传感器等新兴传感器。,第五节 传感器与检测技术的发展方向,传感器现状,传感器已进入人们的日常工作和家庭生活中，并已在国民经济各部门以及国防建设中得到广泛应用，为中国现代化建设作出了应有的贡献。近年来，随着中国制造业的逐渐强大以及汽车行业的迅速崛起，传感器在这两个行业中的市场规模已经超过100亿元。国内传感器市场正在以持续稳定的增长之势向前发展。,传感器现状,第五节 传感器与检测技术的发展方向,第五节 传感器与检测技