第1章 传感器.ppt

1、1,传感器 及检测技术,机电工程系 宋娟 联系方式邮箱：,2,在掌握测量基本原理的基础上，认识什么是传感器。 了解各种传感器如何将非电量转换为电量，掌握相应的测量转换、信号处理电应用。 了解常规机械量，包括力、压力、位移、温度、振动和流量等的测量原理和方法。 本课程是集机、电于一体，软、硬件相结合的自动化、智能化系统。,教学基本要求,涉及内容 物理学、电工与电子技术、控制工程、计算机技术、概率论与统计分析等课程。,学习方法 本课程涉及的学科面广，需要有较广泛的基础和专业知识。学好这门课的关键在于理论联系实际，要举一反三、富于联想，善于借鉴，关心和观察周围的各种机械、电

2、气等设备。,3,总学时：40学时，讲授40学时 考试方法：闭卷 成绩评定：平时20分，期未考试80分,课程概述,4,主要内容,第1章 传感与检测技术的理论基础 第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器 第4章 电容式传感器 第5章 压电式传感器 第6章 霍尔式传感器 第7章 光电式传感器 第8章 热电式传感器 第9章 数字式传感器 第10章 新型传感器 第11章 检测技术的综合应用,5,1.1 检测技术的基本概念 1.2 检测系统的组成原理 1.3 传感器的作用和地位 1.4 传感器现状和国内外发展趋势 1.5 测量概论 1.6 传感器概念 1.7 传感器的特性,第1章传感器与检测技术的理论

3、基础,6,1、测量：以确定被测量的值或获取测量结果为目的一系列操作。 2、检测技术：利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接收的信号，再进行测量以确定量值的过程。（包含了测量过程、非电量电测技术） 主要研究各种物理量测量原理（传感器）和测量信号分析处理方法（信号处理）。,1.1 检测技术的基本概念,第1章传感器与检测技术的理论基础,7,1.2检测系统的组成原理,实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。 力学领域有速度、加速度、力、功和能量等； 电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场； 化学领域

4、中有浓度、成分、pH值等； 工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。 现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量；工业领域的光泽、触觉等品质测量。,第1章传感器与检测技术的理论基础,8,1.2检测系统的组成原理,就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。 传统的测量可以完成从非电量到非电量的转换，但无法实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自动检测与控制。 随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距

5、离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法,第1章传感器与检测技术的理论基础,9,1.2检测系统的组成原理,另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数 字量中的一种。由于传感器的种类很多，传感器的输出有各 种形式，如热电偶输出为直流电压；热敏电阻、应变计、半 导体气体传感器输出为电阻，。 信号处理就是通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所 希望的输出信号过程。这是检测系统中使用的共同技术。,普通电测仪表基本组成,第1章传感器与检测技术的理论基础,10,1.2检测系统的组成原理,检测系统的基本结构框图,第1章传感器与检测技术的理论基础,11,1.2检测系统的组成原理,第1章传感器与

6、检测技术的理论基础,传感器 在被测对象和测试系统之间架起了一道桥梁，它能 直接感受被测量，并将其转换成为电量。 信号调理电路 在系统中起着中间转换电路的作用。常用的 信号调理电路有电桥电路、放大电路、调制和解 调电路和滤波电路等。 数据处理装置 对信号调理电路输出的电信号进行进一步的计 算和分析。如频谱分析、相关分析、谱密度分析。,12,1.2检测系统的组成原理,第1章传感器与检测技术的理论基础,显示器 目前常用的显示器有4类：模拟显示、数字 显示、图像显示及记录仪。 执行机构 通常指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、电 磁调节阀、伺服电动机等。,13,1.3 传感器技术的作用和地位,构成现代信息

7、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1章传感器与检测技术的理论基础,14,1.3传感器技术的作用和地位,传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。,第1章传感器与检测技术的理论基础,15,1.3传感器技术的作用和地位,工业生产,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上

8、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。,第1章传感器与检测技术的理论基础,16,1.3传感器技术的作用和地位,机器人,视觉: 平面、立体 非视觉:触觉、滑觉、 热觉、力觉、 接近觉、,第1章传感器与检测技术的理论基础,17,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,AGV自动送货车,载体3 机器人的驱动方式,载体4 单片机控制系统,21,1.3传感器技术的作用和地位,超声波测流量,红外测温,第1章传感器与检测技术的理论基础,22,1.3传感器技术的作用和地位,医疗诊断,第1章传感器与检测技术的

9、理论基础,23,1.3传感器技术的作用和地位,第1章传感器与检测技术的理论基础,24,1.3传感器技术的作用和地位,第1章传感器与检测技术的理论基础,25,1.3传感器技术的作用和地位,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,指纹门禁,第1章传感器与检测技术的理论基础,26,专为您的需求所设计的 湿度传感器,第1章传感器与检测技术的理论基础,27,1.3传感器技术的作用和地位,上海卢浦大桥通车应力试验,第1章传感器与检测技术的理论基础,28,汽车与传感器,高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30100种传

10、感器。,1.3传感器技术的作用和地位,第1章传感器与检测技术的理论基础,29,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,PC机中的测试技术应用,1.3传感器技术的作用和地位,第1章传感器与检测技术的理论基础,30,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,（能把人们在纸上自由书写的笔迹即时输入到电脑或投影显示设备中）,31,1.3传感器技术的作用和地位,传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工 程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的 领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项 目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各 样的传感器。 由此可见，传感器技

11、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。,第1章传感器与检测技术的理论基础,32,1.4传感器现状和国内外发展趋势,传感器现状 据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的 研制、生产和开发，研发机构6000余家。 其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等 国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类 的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生 产能力达到几千万支到几亿支。 1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元， 预计2006年销售额将增至506亿美元。,第1章传感器与检测技术的理论基础,33,1.4 传感器现状和国内外发展趋势,

12、我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器 的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策 导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。 目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种， 年产量13.2亿多支，其中约有12产品销往国外。 预计到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量 可望达到20亿支，销售总额将达约120亿元。,第1章传感器与检测技术的理论基础,34,1.4传感器现状和国内外发展趋势,传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。 许多自动化方面

13、的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器自身在智能化和网络方面的落后。,第1章传感器与检测技术的理论基础,35,1.4传感器现状和国内外发展趋势,目前传感器总的发展趋势是： （1）不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性 （2）应用新技术和新的物理，扩大检测领域 （3）发展集成化、功能化的传感器 （4）采用计算机技术，使检测技术智能化 （5）发展网络化传感器及检测系统,第1章传感器与检测技术的理论基础,36,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感

14、器,37,1.5 测量概论,一、概念 测量 是借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的实践过程。 二、测量方法分类 1、根据测量的手段分类 直接测量、间接测量和组合测量 2、按测量方式分类 偏差式测量、零位式测量和微差式测量等。 3、按被测量是否随时间变化分类 静态测量、动态测量,第1章传感器与检测技术的理论基础,38,1.5 测量概论,三、测量误差 1、测量误差的表示方法,第1章传感器与检测技术的理论基础,1）绝对误差： =XL X：测量值 L：真值,某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg青菜，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖青菜的

15、商店意见最大，是何原因？,39,1.5 测量概论,第1章传感器与检测技术的理论基础,2）实际相对误差,3）引用误差,示值相对误差,40,1.5 测量概论,注意： 仪表的精度等级是根据最大引用误差来决定的。 我国的模拟表有下列七种等级，精度等级的数值越小，仪就越昂贵。,第1章传感器与检测技术的理论基础,例：某指针式万用表的面板如图所示，问：用它来测量直流、交流（）电压时，可能产生的满度相对误差分别为多少？,例：用指针式万用表的10V量程测量一只1.5V干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？,用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？,用2.5V

16、量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？,1、某压力表准确度为2.5级，量程为0-1.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差 。2）可能出现的最大绝对误差 为多少KPa？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差 ?,例题：,2、现有准确度为0.5级的0-300C的和准 确度为1.0级的0-100C的两个温度计，要测量80C的温度，试问采用哪一个温度计好？,46,1.5 测量概论,四、测量误差的性质,第1章传感器与检测技术的理论基础,1、粗大误差,明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测

17、量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。,47,1.5 测量概论,第1章传感器与检测技术的理论基础,2、系统误差,系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。 系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,48,1.5 测量概论,第1章传感器与检测技术的理论基础,3、随机误差,在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差

18、的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。 存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。,1.6 传感器的定义、组成和分类方法,根据中华人民共和国国家标准（GB7665-1987），传感器的定义是：指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。,狭义上说：传感器就是将被测非电量转换成便于处理和传输的电信号的器件或装置。 有时也会被称为换能器、变

19、换器、探测器、测量头或一次仪表等。,一、传感器定义,传感器由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：,敏感元件,辅助电源,转换元件,被测 非电量,有用 非电量,有 用电 量,转换电路,电信号,二、传感器的组成,举例：测量压力的电位器式压力传感器,1-弹簧管 2-电位器,传感器组成框图,弹性敏感元件（弹簧管）,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,在下图中，弹簧管将压力转换为角位移,弹簧管放大图,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。,其他各种弹性敏感元件,在上图中的各种弹性元件

20、也能将压力转换为角位移或直线位移。,压力传感器的外形及内部结构,被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量,在右图中， 电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-电阻的变化（R）,360度圆盘形电位器,右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。,接地,测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。,在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo 。,分压比电路的计算公式如下：,直滑电位器式传感器的输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比：,对圆盘式电位器来说，Uo与

21、滑动臂的旋转角度成正比：,敏感元件,转换元件,压力传感器示例,三、传感器分类,传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有： ）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。 2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。 本教材采用第二种分类法。,四、传感器的基本特性,传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。 快变

22、信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性； 慢变 信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。,1、 传感器静态特性,当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信 号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性。 一般情况下，输入与输出特性不完全符合要求的线性关系或某种特定的函数关系。 静态特性可以用函数式表示为,静态特性包括： 线性度、灵敏度、迟滞、重复性、稳定性、分辨力和分辨率,（1）线性度,传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：,其中： X 输入量， Y 输出量； a0 x = 0 时的输出值 a1 理想灵敏度 a2, a3.an 非线性项系数,传感器的非线性误差（

23、线性度）通常用相对误差 表示：, 最大非线性绝对误差 满量程输出 线性度,各种直线拟合方法,（2）灵敏度,在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S = Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量： S = dy/dx,（3）迟滞,传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。,迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：,例：一电子秤 增加砝码 10g 50g 100g 200g 电桥输出 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 减砝码输出 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv,为正、反 行程输出值间的最大差值,产生原因：由于传感器敏

24、感元件材料的物理改制和机械另部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。,（4）重复性,传感器输入量按同一方向作多次测量时， 输出特性不一致的程度。 属于随机误差可用标准偏差表示：,（6）分辨力和分辨率,分辨力 传感器能够检测信号的最小变化量，是有量纲的数。 对数字仪表而言，一般可以认为最后一位表示的数值就是它的分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对误差。 分辨率将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率。常以百分比或几分之一表示。,（5）稳定性,包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的

25、时间内能维持其示值不变的能力。,稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比表示。 例：某仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV，则表示为1.2mV/(8h) 环境影响量指由外界坏境变化而引起的示值变化量。由两个因素构成，一个是零漂、二是灵敏度漂移。表示环境影响量时，必须同时写出示值偏差及造成这一偏差的影响因素。 例： 表示电源电压变化5%时，将引起示值变化 0.1uA.,例：某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数字面板表，它的量程为0-10m（从面板表上可以看到，事实上只能显示9.99m,属于3位表），非线性误差为1.5%，使用环境温度为0-30度，温漂为0.001m/度，请确定

26、该产品是否能满足满度相对误差不大于2.0%的要求。,习题： 用一台31/2位、准确度等级为0.5级（已包括最后一位数据跳动引起的误差）的数字式电子温度计，测量汽轮机高压蒸汽的温度，数字面板上显示出如图所示的数值。求： 1）分辨力及分辨率。 2）可能 产生的最大满度相对误差和绝对误差。 3）被测温度的示值。 4）示值的相对误差。 5）被测温度的实际值范围。,2、 传感器动态特性,当输入量随时间变化时,如 :加速度、振动等， 讨论传感器的动态特性。 这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。 用时域法表示成：,用频域法表示为：,动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的 响应特性： 除理想状态，多数

27、传感器的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差； 传感器输出对时间变化的输入量的响应既反映了传感器的动态特性。 一般用传感器对于标准动态输入信号的响应来衡量传感器的动态特性。标准动信号为正弦信号、阶跃信号和单位脉冲信号。,例：动态测温 设环境温度为T0 ,水槽中水的温度为T,而且 T T0 传感器突然插入被测介质中； 用热电偶测温,理想情况测试曲线T是阶跃变化的； 实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程,（1） 传递函数,当输入量随时间变化时，略去影响小的因素，假设传感器输入、输出在线性范围变化，它们的关系可用高阶常系数线性

28、微分方程表示：,式中： Y输出；X输入；ai 、bi 为常数,时,拉氏变换的性质：,1、线性组合定理,L af1(t) bf2(t)=a L f1(t) b L f2(t),2、微分定理,对微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数,传感器的传递函数：,传递函数的特点是： （1）H（S）与输入无关，不因x(t)而异，只反应系统的特性。 （2）H（S）只反应系统的响应特性，而与具体的物理结构无关。 （3）S的幂次n表示系统的阶次，如n=1或n=2，分别称为一阶系统或二阶系统。,（2）一阶系统的动态响应（惯性系统）,一阶系统传递函数,静态灵敏度,时间常数,传递函数可简化为：,如：热电偶测温系统、RC电路均为一阶系统。,一阶传感器的阶跃响应（瞬态响应）,由拉氏变换得到单位阶跃响应信号为：,讨论： 瞬态响应是指数函数，输出曲线逐渐达到稳定； 理论上t时才能达到稳定，当t=时即达到 稳定值的63.2%，可见时间常数越小越好，是 反映一阶传感器的重要参数； 实际运用