自动检测技术-传感器基础知识

绪论0.1自动检测技术概述0.2传感器概述上一页返回下一页0.1自动检测技术概述0.1.1自动检测技术的重要性0.1.2自动检测系统的组成0.1.3自动检测技术的发展趋势上一页下一页返回上一页下一页返回0.1.1自动检测技术的重要性测试手段就是仪器仪表。 在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。非电量电测量技术优点： 测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。机械制造业化工行业烟草行业环境保护等部门现代物流行业科学研究和产品开发中文物保护领域综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本之木。上一页返回下一页0.1.2自动检测系统的组成图1.1.1测量系统的组成上一页返回下一页传感器测量电路输出单元被测量传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。上一页返回下一页0.1.3自动检测技术的发展趋势（1）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。（2）开发新型传感器。（3）开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。（4）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。上一页返回下一页0.2传感器概述0.2.1

传感器的定义0.2.2

传感器的组成0.2.3

传感器分类0.2.4

传感器的地位及目前发展状况0.2.5

我国传感器业的发展0.2.6

传感器技术及其产业的发展趋势上一页下一页返回0.2.1传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：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和装置。上一页下一页返回包含的概念：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。上一页下一页返回0.2.2传感器的组成敏感元件

直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件

敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量转换电路

上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出敏感元件转换元件转换电路被测量电量上一页下一页返回0.2.3传感器分类工作机理：物理型、化学型、生物型物理型传感器：物理基础的基本定律。场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律构成原理结构型:物理学中场的定律物性型:物质定律能量转换能量控制型能量转换型物理原理用途：

位移、压力、振动、温度上一页下一页返回

一、传感器技术的地位及作用

传感器是通过敏感元件把外部信息按当量比例转换成电信号的一种重要的电自不见，它是信息产业种种要的新型元件之一。新型传感器更是现代化传感技术和系统核心。传感器技术与通信技术、计算机技术共同构成信息产业的三大支柱。传感器技术已在世界各国的国民经济各个部门以及国防建设中得到了广泛应用。

二、传感器技术发展状况

随着信息技术的迅速发展和应用普及世界上传感器的品种已经达到3万余种。研究、生产单位有5000余家。

据瑞士研究公司Intechno的咨询报告“2008年的传感器市场”表明，全球的传感器市场每年将以5.3%的速度从1998年的325亿美元迅速增长到2003年的422亿美元，到2008年将达到500亿。0.2.4传感器的地位及目前发展状况三、全球传感器生产企业分布

全世界有5000多家企业生产传感器，其中美国有1000家左右，欧洲各国共有1000多家，俄罗斯有1000多家，日本有800多家，其他地区有1000多家。全球生产出的传感器有3万多种。美国的销量位居全球第一，占世界总销量的40%。

我国传感器行业已经历了50个春秋，20世纪80年代，改革开放的春风给传感器行业带来了生机与活力；90年代，在党和国家关于“大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用”的决策指引下，传感器行业进入了新的发展时期，从事传感器研制的企事业单位达到1300多家，其中50多家企事业单位进行了重点技术改造，综合实力有了明显增强。

“九五”传感器国家重点科技攻关项目取得了丰硕成果，截止到2000年，我国生产的传感器的品种已有约6000种，产量达到13.2亿只，其中出口5.87亿只；“九五”期间年平均产量增长率为59%，“九五”总产量是“八五”总产量的2.74倍，2000年产量比1991年增长了17倍，是新型元器件中增长速度最快的产品。

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，为我国现代化建设做出了应有的贡献。

不过，我国传感器的技术水平仍落后于世界水平5～10年，规模化生产与国外有较大差距。

0.2.5我国传感器业的发展

我国传感器产业发展现状及与国外的差距

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。

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。

21世纪初,敏感元件与传感器发展的总趋势是:小型化,集成化,多功能化,智能化,系统化.0.2.6传感器技术及其产业的发展趋势1.新材料、新功能的开发应用2.微机械加工工艺的发展3.集成智能传感器的发展基于MEMS(微机械加工)技术的新型传感器微传感器（尺寸从几微米到几毫米的总称）特别是以MEMS技术制造各种微型、新型传感器生物传感器产业现状和发展前景

手机市场加速图像传感器技术发展汽车传感器机器人传感器

0.5新型传感器的重点开发领域第1章传感器的特性1.1传感器的静特性1.2传感器的动特性上一页下一页返回1.1传感器的静特性输出与输入间关系

微分方程静特性：输入量为常量，或变化极慢动特性：输入量随时间较快地变化时微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，可得到静特性（动特性的特例）表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。上一页下一页返回静特性指标一、线性度二、灵敏度三、迟滞四、重复性五、零点漂移六、温度漂移上一页下一页返回1、线性度静特性输出量输入量零点输出理论灵敏度非线性项系数直线拟合线性化非线性误差或线性度最大非线性误差满量程输出上一页下一页返回直线拟合线性化出发点获得最小的非线性误差拟合方法：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合；④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合上一页下一页返回①理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说较大xyΔLmax上一页下一页返回②过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使xyΔL2ΔL1上一页下一页返回③端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyΔLmax上一页下一页返回④端点连线平移拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原先的一半yxΔLmaxΔL1上一页下一页返回⑤最小二乘拟合原理:上一页下一页返回最小二乘拟合方法xy=kx+by上一页下一页返回2、灵敏度传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力上一页下一页返回表征传感器对输入量变化的反应能力(a)线性传感器(b)非线性传感器

图1.4.2传感器的灵敏度上一页下一页返回3、迟滞正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞—正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差表示检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。上一页下一页返回迟滞特性xΔHmaxY上一页下一页返回4、重复性传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差取较大者为上一页下一页返回重复特性xΔRmax1ΔRmax2y上一页下一页返回5.零点漂移

传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移零漂＝式中ΔY0——最大零点偏差；YFS——满量程输出。上一页下一页返回6、温漂

传感器在外界温度下输出量发出的变化温漂＝式中Δmax

——输出最大偏差；ΔT——温度变化范围；YFS

——满量程输出。上一页下一页返回1.2传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。

时域：瞬态响应法

频域：频率响应法上一页下一页返回1.瞬态响应特性

在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。

理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。

上一页下一页返回⑴一阶传感器的单位阶跃响应设x(t)、y(t)

分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数，则一阶传感器的传递函数为 式中τ——时间常数； K——静态灵敏度。 由于在线性传感器中灵敏度K为常数，在动态特性分析中，K只起着使输出量增加K倍的作用。讨论时采用K=1。上一页下一页返回对于初始状态为零的传感器，当输入为单位阶跃信号时，X(s)=1/s,传感器输出的拉氏变换为则一阶传感器的单位阶跃响应为一阶传感器的时间常数τ越小越好上一页下一页返回⑵二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的传递函数为式中ωn——传感器的固有频率；ζ——传感器的阻尼比。在单位阶跃信号作用下，传感器输出的拉氏变换为上一页下一页返回对Y（s）进行拉氏反变换，即可得到单位阶跃响应。图1.4.6为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。传感器的响应在很大程度上取决于阻尼比ζ和固有频率ωn。在实际使用中，为了兼顾有短的上升时间和小的超调量，一般传感器都设计成欠阻尼式的，阻尼比ζ一般取在0.6~0.8之间。带保护套管的热电偶是一个典型的二阶传感器。上一页下一页返回⑶瞬态响应特性指标时间常数τ是描述一阶传感器动态特性的重要参数，τ越小，响应速度越快。 二阶传感器阶跃响应的典型性能指标可由图1.4.7表示，上一页下一页返回各指标定义如下：①上升时间tr

输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所用的时间。②响应时间ts

系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。③峰值时间tp

阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。④超调量σ传感器输出超过稳态值的最大值ΔA，常用相对于稳态值的百分比σ表示。上一页下一页返回2.频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性

频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。 （1）零阶传感器的频率特性 （2）一阶传感器的频率特性 （3）二阶传感器的频率特性 （4）频率响应特性指标上一页下一页返回（1）零阶传感器的频率特性零阶传感器的传递函数为频率特性为零阶传感器的输出和输入成正比，并且与信号频率无关。因此，无幅值和相位失真问题，具有理想的动态特性。电位器式传感器是零阶系统的一个例子。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似的当作零阶系统来处理。上一页下一页返回⑵一阶传感器的频率特性将一阶传感器的传递函数中的s用jω代替，即可得到频率特性表达式幅频特性相频特性上一页下一页返回(a)幅频特性(b)相频特性1.4.8一阶传感器的频率特性时间常数τ越小，频率响应特性越好。当ωτ<<1时，A(ω)≈1，Φ(ω)≈ωτ，表明传感器输出与输入为线性关系，相位差与频率ω成线性关系，输出y(t)

比较真实地反映输入x(t)

的变化规律。因此，减小τ可以改善传感器的频率特性。上一页下一页返回⑶二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性表达式、幅频特性、相频特性分别为上一页下一页返回图1.4.9二阶传感器的频率特性上一页下一页返回⑷频率响应特性指标①频带传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。②时间常数τ

用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性，τ越小，频带越宽。③固有频率ωn

二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。上一页下一页返回1.3传感器的标定和校准传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。

传感器的标定工作可分为如下几个方面， 1.新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；2.经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。

上一页下一页返回传感器的标定静态标定: 目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定: 目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。上一页下一页返回1.4传感器的标定和校准1.4.1传感器的静态特性标定1.4.2传感器的动态特性标定1.4.3压力传感器的静态标定1.4.4压力传感器的动态标定1.4.1传感器的静态特性标定

1.静态标准条件2.标定仪器设备精度等级的确定3.静态特性标定的方法上一页下一页返回1.静态标准条件

没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20±5℃）、相对湿度不大于85%，大气压力为101±7kPa的情况。上一页下一页返回2.标定仪器设备精度等级的确定对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。上一页下一页返回3.静态特性标定的方法标定过程步骤：⑴将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；⑵根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；⑶将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；⑷按⑵、⑶所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出－输入测试数据用表格列出或画成曲线；⑸对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。上一页下一页返回1.4.2传感器的动态特性标定主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数τ，二阶传感器则有固有频率ωn和阻尼比ζ两个参数。标准激励信号:阶跃变化和正弦变化的输入信号上一页下一页返回一阶传感器的单位阶跃响应函数为则上式可变为z和时间t成线性关系，并且有τ=Δt/Δz

可以根据测得的y(t)值作出z—t曲线，并根据Δt/Δz的值获得时间常数τ一阶传感器时间常数的求法上一页下一页返回二阶传感器（ζ<1）的单位阶跃响应为上一页下一页返回如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个过冲量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比ζ，其中n是该两峰值相隔的周期数（整数）。当ζ<0.1时，以1代替，此时不会产生过大的误差（不大于0.6%）,则可用式(1.5.8)计算ζ，即上一页下一页返回若传感器是精确的二阶传感器，则n值采用任意正整数所得的ζ值不会有差别。反之，若n取不同值获得不同的ζ值，则表明该传感器不是线性二阶系统。根据响应曲线测出振动周期Td，有阻尼的固有频率ωd为则无阻尼固有频率ωn为上一页下一页返回利用正弦输入，测定输出和输入的幅值比和相位差来确定传感器的幅频特性和相频特性，然后根据幅频特性，分别按下图求得一阶传感器的时间常数τ和欠阻尼二阶传感器的固有频率和阻尼比。由幅频特性求时间常数τ欠阻尼二阶传感器的ωn和ζ上一页下一页返回1.4.3压力传感器的静态标定常用的标定装置有：活塞压力计、杠杆式和弹簧测力计式压力标定机。1.5.5活塞压力计标定压力传感器的示意图1--标准压力表2—砝码3—活塞4—进油阀5—油杯6—被标传感器7—针形阀8—手轮9—手摇压力泵上一页下一