感测技术绪论

1、本课程的目的、内容 本课程是网络感测专业方向的专业课之一。 要求学生掌握几种常用传感器的工作原理、输入输出特性、误差补偿方法以及常见的应用。 传感器属交叉学科，涉及的知识面广。作用与地位：作用与地位：信息技术的基础信息技术的基础。现代信息技术的四大核心是：信息的采集、传输、处理和控制，即传感器技术、通信技术、计算机技术和自动控制技术。自动检测、自动控制的首要环节自动检测、自动控制的首要环节。应用广泛应用广泛。 第一节、传感与检测技术的基本概念第一节、传感与检测技术的基本概念第二节、传感器的基本性能第二节、传感器的基本性能第三节、测量误差分析基础第三节、测量误差分析基础第一节第一节 传感与检测技

2、术基本概念传感与检测技术基本概念 非电量电测系统由传感器、测量电路和终端装置三大部分组成。P3 传感器：传感器：感受被测的非电量感受被测的非电量, 并按一定的规律变换成电信号的装置并按一定的规律变换成电信号的装置测量电路：测量电路：信号的放大、整形与滤波、调制与解调、阻抗变换、温度补偿、线性化及稳定性等终端装置终端装置：对被测信号的数据，输出或记录被测信号的相关波形和数据，或进入计算机系统再处理以专用传感器实现非电信号获取的电测技术又称之为感测技术感测技术。 一、非电量电测系统的组成及特点一、非电量电测系统的组成及特点 感测技术的优点： P41、测量灵敏度高，应用范围广；2、感测系统结构紧凑，

3、安装调试方便；3、测量惯性小，反应速度快，频率特性好；4、可进行无接触测量和远程监测，有较高的测量精度；5、在计算机技术的支持下，具有很高的自动测试程度， 并向智能化测试方向发展。传感器（sensor或transducer) : P4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，通常由或装置，通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。组成。”“”“敏感元件敏感元件（sensing element）指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换）指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件（元件（Tra

4、nsduction element）指传感器中能将敏感元件感受）指传感器中能将敏感元件感受（或响应）的（或响应）的被测量被测量转换成适于传输（或）和测量的转换成适于传输（或）和测量的电信号电信号部分。部分。二、传感器概述二、传感器概述1、传感器的定义、传感器的定义在非电量电测技术中，通常把传感器称为能将在非电量电测技术中，通常把传感器称为能将非电信号非电信号转换为转换为电信电信号号的装置的装置传感器组成被测量被测量敏感元件敏感元件转换元件转换元件信号调理转换电路信号调理转换电路辅助电源辅助电源传感器传感器2、传感器的分类 P4（1）按被测物理量分类 如温度传感器、压力传感器、位移传感器、加速度

5、传感器、流 量传感器。（2）按转换原理分类（教材的章节按此分类安排） 如应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感 器、磁电式传感器等。（3）按输出量分类 模拟式 输出量为模拟信号（电压、电流、） 数字式 输出量为数字信号（脉冲、编码、） 敏感元件敏感元件转换元件转换元件被测量被测量非电量非电量电量电量结构式传感器组成结构式传感器组成转换元件转换元件被测量被测量电量电量物性传感器组成物性传感器组成（4）按敏感元件的物理现象分类 可分为结构型传感器和物性型传感器。 其中结构型传感器是指依赖敏感元件机械结构参数变化实现信号转换的传感器。 物性型传感器是指依赖敏感元件物理性质变化实现信号转

6、换的传感器。 1）传感器小型化开发新材料:半导体敏感材料、陶瓷材料、磁性材料等。采用新工艺：集成技术、微细加工技术、离子注入技术、薄膜技术2）传感器的集成化和多功能化将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组成一个器件。一个传感器可以同时测量多种参数。3）传感器的智能化带有微处理器的传感器灵巧（Smart）传感器，具有：检测、修正、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器。4） 传感器的网络化3、传感器的发展 P5 三、现代检测技术 P233 智能仪器微型计算机与传感器的结合 虚拟仪器以软件为核心的仪器 计算机检测系统基于计算机的检测系统 现场总线检测系统基于现场总

7、线的网络集成 网络化检测技术感测技术与网络技术的融合 数字信号1. 计算机检测系统 借助计算机丰富的软、硬件资源对被测信号进行实时处理和输出，实现智能化自动检测的目的。 2. 虚拟仪器（NI公司的LabView） 虚拟仪器VI（Virtual Instrument）是继模拟仪器、数字仪器、智能仪器之后出现的概念性仪器组成：通用计算机、模块化功能硬件和专用控制软件信号输出、入部件：硬件仅仅是和软件运行的物理环境利用计算机丰富的软件资源；核心：应用软件，实现部分功能硬件的软件化，以增强检测系统的灵活性用户调整或修改部分软件方便地改变或增减仪器的测试功能，也使仪器系统的组建和功能的开发更为灵活和方便

8、。 3. 网络化检测系统随着网络技术的高速发展，网络化检测技术与具有网络功能的现代网络感测系统应运而生。实现远程数据采集、监测和控制高档智能仪器的远程实时调用 企业网（Internet、Intranet）和测控系统可互联第二节 传感器的基本性能 P6传感器基本特性：其输入信号与输出信号对应关系的特性不同传感器输入/输出特性不同同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同输入输入X传感器传感器输出输出Y传感器的输入/输出特性: 静态特性：传感器在静态工作状态下的输入输出特性。即输入量是静态量，输出量是输入量的确定函数。通过静态性能指标来表示。 动态特性：输入量是动态量，反映传感器对输入量的响

9、应特性。只有了解传感器的基本特性才能正确使用传感器。一、传感器的静态特性一、传感器的静态特性二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性三、传感器的标定三、传感器的标定一、传感器的静态特性传感器传感器主要静态性能主要静态性能灵敏度灵敏度线性度线性度重复性重复性迟滞性迟滞性精度精度1、 线性度（Linearity） P6 线性度：传感器输出量与输入量之间关系的线性程度。线性度：传感器输出量与输入量之间关系的线性程度。 理想传感器：理想传感器：输出量与输入量之间为输出量与输入量之间为线性。线性。 实际传感器：非线性的，一般可用下列多项式表示。实际传感器：非线性的，一般可用下列多项式表示。 y =ay

10、=a0 0 +a+a1 1x +ax +a2 2 x x2 2 +a+an nx xn n （11）式中式中 y y 输出量；输出量； x x 输入物理量输入物理量( (被测量被测量) )； a a0 0 零位输出；零位输出； a a1 1，a a2 2，aan n 待定常数待定常数在某些情况下不能用上述解析法表达时，可用实验数据曲线表示。 （1）理想的线性特性 多项式（11）中 a0 =a2 =a3 =an =0因此得到 y y = =a a1 1x x (12) （2）仅有偶次非线性项 多项式（11）可改写为 y = a1 X + a2 x2 + a4 x4+ （13）特性曲线没有对称性，

11、线性范围很小应尽量避免。y =a0 +a1x +a2 x2 +anxn （11） （3）仅有奇次非线性项 多项式（11）改写为 y y = =a a1 1 x x + + a a3 3 x x3 3 + +a a5 5 x x5 5+ （14）特性曲线以坐标原点为对称线性范围较大差动传感器:两个(或偶数个)传感器组成的传感器组。具以下的特性当其一边输出为 y1=a1x+a2x2+anxn另一边输出为 y2=-a1x+a2x2-a3x3+(-1)nanxn差动传感大器输出为 y y = =y y11y y2 2 =2(=2(a a1 1 x x + +a a3 3 x x3 3 + +a a5

12、5 x x5 5+)+)差动传感器可以改善线性，同时输出量放大一倍差动传感器可以改善线性，同时输出量放大一倍 为了标定和数据处理的方便，对于非线性程度不大的传感器，通常用割线或切线等直线来近似地代表实际曲线的一段，称为传感器非线性的“线性化”。校准曲线：用一定等级的标准设备，对传感器进行反复测试所得各种输入/出数据画成的曲线；拟合直线：是能反映校准曲线的变化趋势且使误差的绝对值为最小的直线。拟合直线可以用多种方法获得： 最小二乘法 过于复杂，仅适用于非线性次数不高的情况。 切线法 仅适用于输入变量变化较小的情况。 端基连线法 大多数情况下采用。（1）切线线性度切线切线实际特性曲线实际特性曲线量

13、程量程xy0切线线性度切线线性度零点切线+ MAX端基直线端基直线实际特实际特性曲线性曲线量程量程MAXxy0端基线性度端基线性度（2）端基线性度传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差端基直线：定义为由传感器量程所决定的实际平均输出特性首、末两端点的连线%100maxSFlY式中：l 非线性误差，即线性度； max 最大非线性绝对误差； YF.S满量程输出量。YFS 例：已知某传感器静态特性方程 ，试分别用端基法及切线法，在0X1范围内拟合直线方程，并求相应的线性度 XeY 端基法端基法 设拟合直线为bkXY因曲线的两个端点分别为（0，1）和（1，e），代入上式，得：1,718. 1b

14、k即，端基拟合直线为：1718. 1XY求曲线与拟合直线间的求曲线与拟合直线间的max即，求函数即，求函数1718. 1)(xexfx的最大值。的最大值。令令0)(xf即即0718. 1xe解得：解得：x=0.5412%100maxSFlY212. 0) 1718. 1(max5412. 0 xxxe%3 .12%1001212. 0e端基直线端基直线实际特性曲线实际特性曲线量程量程MAXxy0YFS 已知某传感器静态特性方程 ，试分别用端基法及切线法，在0X时才达到稳态值实际上t =4时,即可以认为已达到稳态tety11)(当t=时 ， y=0.632A时间常数，决定响应速度越小，响应速度越

15、快，传感器的惯性越小t0yA=0.1=0.5一阶传感器单位阶跃响应曲线 （2）二阶传感器单位阶跃响应 P11 在二阶传感器的系统微分方程中，取b0=a0（静态灵敏度K=1） 工程上一般将上式改写成以下形式 式中 传感器固有频率； 传感器的阻尼比。xayadtdyadtyda001222xydtdydtyd20200222200aa0212aaa 对二阶传感器的系统微分方程作拉氏变换 其传递函数为 )()() 121(0220sXsYss2002202)()()(sssXsYsH二阶传感器的单位阶跃响应取决于二阶传感器的单位阶跃响应取决于和固有频率和固有频率0 00由传感器结构参数决定：0越高，

16、响应速度越快0为常数时，传感器响应速度取决于阻尼比。=1 临界阻尼，无振荡衰减01 过阻尼，无振荡衰减=0 y=1-cos0t 无阻尼，等幅振荡说明：=0时 超调量为100%=1时 无超调，达稳态输出所需的时间为最短1时 达稳态输出所需的时间较长 0时A（）1、 很小，幅频特性平直，输出与输入呈线性关系)(通频带：幅值衰减3db时所对应的频率范围。工作频带：幅值误差为5%或10%所对应的频率范围。相位误差：在工作频带范围内，传感器实际输出与输入间的相位误差，应小于5o（或10o）。 。 （3）频域特性指标 P140.7070.951.11.050.9bg2g11.0A(）通频带通频带b工作频带

17、工作频带g1或或g2 bg1g2三、传感器的标定三、传感器的标定 P15P15传感器的标定是指利用较高等级的标准器具对传感器的特性进行刻度。在投入使用之前对其进行标定，测定各种特性指标；在使用过程中定期进行检查；分为静态标定和动态标定。1.传感器静态特性标定传感器静态标定的目的是确定传感器的静态特性指标要在一定的静态条件下进行传感器静态标定步骤如下:（1）将传感器全量程标准输入量分成若干个间断点；（2）由小到大逐渐一点一点地输入标准值，记录相应输出值正行程；（3）由大到小一点一点地输入标准值，同时记录与各输入值相对应的输出值反行程；（4）按（2）和（3）所述过程，对传感器进行正反行程往复循环多

18、次测试，将所得输出、入数据用表格列出或画成曲线测试重复性；（5）对测试数据进行必要的分析和处理，以确定该传感器的静态特性指标。2.传感器动态特性标定确定传感器的动态特性参数输入信号：标准的激励函数阶跃函数、正弦函数由相应激励函数标定传感器的时域或频域特性参数。 一、误差的定义及分类 1. 误差定义与表示方式 测量误差按其表示方式可分为绝对误差和相对误差，相对误差在实用中又分为实际相对误差、示值相对误差和满度相对误差 （1）绝对误差 绝对误差是被测量的示值x与真值A0之差 x=x-A0此时绝对误差表示为 x=x-A修正值C C =-x=A - x 利用修正值可修正被测量的实际值A =x + C修

19、正值：数据表、曲线或算式在智能测试系统中，可以用软件自动修正 （2）相对误差 绝对误差不能确切反映测量结果的准确程度，为此测量中引入相对误差 实际相对误差 绝对误差x与被测量的实际值A的百分比值 示值相对误差 绝对误差x与被测量的示值x的百分比值%100AxA%100 xxx相对误差都是用来衡量测量值的准确程度。 满度相对误差 绝对误差x与测量器具满刻度值YF.S的百分比值 表示在测量仪表某一量程下所得测量结果的精度 亦表示测量仪表的精度等级 绝对误差x应取规定量程范围内的最大绝对误差%100SFmYx%100SFmYxP16 例例1-1：某电流表满量程为：某电流表满量程为10A，一组测量中，

20、满量程内的绝，一组测量中，满量程内的绝对误差对误差x=0.030.04A，求该表的精度等级。，求该表的精度等级。去掉 “%”所得m值,即表示仪表的精度等级如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级和5.0级共7级。%4 . 0%1001004. 0%100SFmYx因为因为0.20.40.5，故该表的精度等级为，故该表的精度等级为0.5级。级。P16 例例1-2：某量程为：某量程为10A、精度等级为、精度等级为0.5级的电流表，在级的电流表，在8.5A示示值下的绝对误差最大值值下的绝对误差最大值xmax=0.08A，问该表精度是否合格？，问该表精度是否合格？%100SFmYx

21、%8 . 0%1001008. 0因为因为0.50.8 时实际测量次数有限，此时 仍然接近真值，可以用来代替本次被测量的真值A0 相应地，可以用剩余误差剩余误差 代替测量值与被测量真值之差nxnxxxxxinin1321)(xxviix0Axii)( xEx x112122221nvnvvvinin 被测量的真值无法知道随机误差i无法求得 用残差 代替随机误差i来计算方均根误差 称其为方均根误差的估计值iv （2）方均根误差 方均根误差又称标准误差 用于评定测量的精密度nninin2122221贝塞尔（Bessel）公式 （3）测量次数的确定 根据数理统计理论分析，当测量次数n30时，才能按正态分布规律分析随机变量的统计性质。 在实际测量中，精密测量次数在30以上难于作到 由贝塞尔公式:随着测量次数n的增加 趋于稳定，当n15时，值 基本不变 实际的测量次数一般取n =1020就可以了 四、粗差的判别与剔除 粗大误差严重影响测量结果 在进行精度分析时，必须先剔除粗大误差（亦称坏值） 1拉依达准则 拉依达准则是最常用的判别粗大误差的准则，亦称3准则。即: 设一组等精度独立测量结果中，其测得值 所对应的残差 大于三倍的标准偏差 时，该测得值 可确认含有粗大误差，应予以剔除常用的粗大误差判别准则有两个，简述如下：bxbxbv3xxvbb 思考与练习题 1传感器的组成及各部