传感检测技术及应用PPT课件.ppt

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1、传感检测技术及应用,郑州大学工学院机械工程学院,学习本课程的必要性,传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术。它是信息技术的三大支柱之一。,计算机技术,传感与控制技术,通信技术,信息技术的三大支柱,目前的状态是：“大脑发达、五官不灵”,谁掌握和支配了传感器技术谁就能够支配新时代 !,日本把传感器技术列为80年代十大技术之首；美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之一；德国视军用传感器为优先发展技术；英、法等国对传感器的开发投资逐年升级。 我国目前也有近千家传感器生产和销售企业。,传感器的应用,传感器的应用遍及航空、航天、工业、农业、医疗、气象、家用电器各个领域与部门。它是生产自动化

2、、科学测试、计量核算、监测诊断等系统中不可缺少的基础环节。,密歇根大学的机械手装配模型,AGV小车位置识别,航天,农业,交通,医学,传感器的应用,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,传感器的应用,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,传感器的应用,本课程的性质、内容,本课程是机械电子专业的一门专业基础课。着重阐述：传感与检测技术的基本知识，常用传感器的工作原理、基

3、本结构、主要性能、测量电路、误差补偿方法和应用方法。,本课程的任务,要求掌握传感器的基本理论。特别要求掌握几何量、机械量及有关测量中常用的各种传感器的工作原理、输入输出特性、误差分析与补偿方法。能合理地选择和使用传感器，并进一步掌握传感器的实验研究方法。,先修课程： 高等数学、物理、模拟电子、误差分析与数据处理等。,第一篇 传感检测技术基础,传感检测技术,第三章 传感器应用技术基础,传感器的定义及工作机理传感器的组成及分类传感器的描述方法传感器的特性分析传感器的标定与校准改善传感器性能的主要技术途径传感器发展趋势,3.1 传感器的定义及工作机理,所谓传感器(sensor)，是来自“感觉”一词。

4、工程上称为“电五官”。广义定义： 传感器是一种能将特定的被测量信息（包括物理量、化学量、生物量等），按照一定规律转换某种可用的输出信号的器件或装置。,一、传感器的定义,可用信号是指便于处理、传输的信号。,狭义定义：,物理量、化学量生物量等,电量,返回,3.1 传感器的定义及工作机理,1、守恒定律 能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律是研究、开发新型传感器的必须遵守的基本法则。,二、工作机理,2、场的定律,动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作用与物体在空间的位置及分布状态有关。,利用场的定律制成的传感器统称为“结构性传感器”。,如：,静电场定律,返回,结构型传感器举例,如：电感式传感器利

5、用法拉弟电磁感应定律,如：磁电式传感器,二、工作机理,3、物质定律 物质本身内在性质的定律（虎克定律、欧姆定律等）。,4、统计法则,3.1 传感器的定义及工作机理,=E,U=I R,利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量。如：光电管（外光电效应）、压电晶体（正压电效应）、光敏电阻、所有半导体传感器、以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金的性能变化的传感器。,利用物质定律制成的传感器统称为“物性型传感器”。,微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。,举例,物性型传感器举例（1）,光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线

6、愈强,阻值愈低,这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,如：光电转换元件,如：压电式传感器,物性型传感器举例（2）,3.2 传感器的组成及分类,一、传感器的组成,返回,3.2 传感器的组成及分类,一、传感器的组成,返回,3.2 传感器的组成及分类,1、按基本效应,二、 传感器的分类,2、按工作机理,物性型结构型,物理型化学型生物型,3、按能量变换关系,能量转换型（自源型）能量控制型（外源型）,4、按工作原理

7、：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式等。,5、按被测量：位移、压力、温度、流量、加速度等。,6、按传感器输出信号的形式：,模拟式数字式,返回,3.3 传感器的描述方法,对传感器系统的基本特性研究，主要用于两个方面： 1、用作为一个测量系统。 已知h(t)，测量输出信号y(t)。通过h(t)、y(t)来推断导致该输出的系统 输入信号x(t)。这就是未知被测物理量的测量过程。 2、用于传感器系统本身的研究、设计与建立。 观测系统的输入x(t)及与其相应的输出y(t)，才能推断建立系统的特性。如果系统特性不满足要求，则应修改相应的内部参数，直到合格为止。,传感器作为感受被测量信息的器件，总希望它

8、能按照一定的规律输出有用信号，因此，需要研究其输出-输入的关系及特性。,根据输入信号x(t)是随时间变化的还是不随时间变化，基本特性分为静态特性和动态特性。,返回,一、静特性的表示方法（静态模型）,指在静态信号作用下（即输入量对时间t的各阶导数等于0）得到的数学模型。若不考虑滞后和蠕变，其静态模型为：,3.3 传感器的描述方法,返回,二、动特性的表示方法（动态模型）,传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间变化的输入量x(t)作用时，输出-输入之间的关系，通常称为响应特性。传感器的动态特性反映测量动态信号的能力，对于连续时间系统主要有三种数学模型形式： 1、时域中的微分方程 2、复数域中的传

9、递函数 3、频率域中的频率响应函数,3.3 传感器的描述方法,返回,1、微分方程（时域内描述）,3.3 传感器的描述方法,式中：Y输出量 X输入量 t-时间 dny/dtn输出量对时间t的n阶导数 dmy/dtm输入量对时间t的m阶导数 a0、a1、 、an, b0、b1、 、bn常数（取决于传感器参数）,优点：通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。 通解仅与传感器本身特性及初始条件有关； 特解不仅与传感器的特性有关，而且还与输入量x有关。缺点：求解麻烦，尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时 显得更不方便。,（2）特点：,（1）模型：,返回,2、传递函数（复数域内）,1）H(s)和输入x

10、(t)的具体表达式无关。 传递函数H(s)用于描述系统本身固有的特性，与x(t)的表达式无关。x(t)不同时，y(t)的表达式也不同，但二者拉普拉斯变换的比值始终保持为H(s) 。 2）不同的物理系统可以有相同的传递函数。 各种具体的物理系统，只要具有相同的微分方程，其传递函数也就相同，即同一个传递函数可表示不同的物理系统。例如，液柱温度计和简单的RC低通滤波器同是一阶系统，具有相同的传递函数； 3）传递函数与微分方程等价。 由于拉普拉斯变换是一对应变换，不丢失任何信息，故传递函数与微分方程等价。,3.3 传感器的描述方法,（1）模型：运用拉普拉斯变换将时域的数学模型转换成复数域的数学模型。,

11、（2）特点：,返回,2、传递函数（复数域内）,在框图中用作表示系统的动态特性的图示符号。,3.3 传感器的描述方法,（3）功用：,Y,当n个环节串联时：,当n个环节并联时：,X,当组成系统的各个元件或环节的传递函数为已知时，就可以 用传递函数来确定系统的总特性。,3、频率响应函数（频域内）,（1）模型：拉普拉斯变换中，s = + j，令=0，则有 s = j，将其代入H(s)，得到,用复数形式表示：G（j）= P（）+ jQ（） 其中，P（）和 Q（）都是的实函数，以频率为横坐标，以P（）和Q（）为纵坐标所绘的图形分别称为系统的实频特性图与虚频特性图。 用指数形式表示：G（j）= A（）ej(

12、) 其中,3.3 传感器的描述方法,返回,3、频率响应函数（频域内）,用频率响应函数来描述系统的最大优点是它可以通过实验来求得。 实验求得频率响应函数的原理，比较简单明了：依次用不同频率i的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值 Xi、Yi和相位差i。这样对于某个i，便有了一组Yi/Xi=Ai和i，全部的Ai-i和i-i，i=1,2,3,便可表达系统的频率响应函数。 需要特别指出，频率响应函数是描述系统的简谐输入和相应的稳态输出的关系。因此，在测量系统频率响应函数时，应当在系统响应达到稳态阶段时才进行测量。,（2）特点：,3.3 传感器的描述方法,返回,二、动特性的表示方法

13、（动态模型）,微分方程、传递函数及频率响应函数的关系。,3.3 传感器的描述方法,返回,3.4 传感器的特性分析,一、传感器的静态特性二、传感器的动态特性,返回,一、传感器的静态特性,线性度迟滞重复性灵敏度与灵敏度误差分辨率与阈值稳定性漂移精确度（静态误差）,3.4 传感器的特性分析,返回,1、线性度,传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。,标定（校准）曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为该传感器的“非线性”，或称“线性度”。,（1）定义,(2)常用拟和方法,理论直线法最小二乘法端点线法端点平移法,3.4 传感器的特性分析,返回,（a）理论拟合,（b）最小二乘拟合,（c）端点拟

14、合,（d）端点平移拟合,(2)常用的拟和方法,3.4 传感器的特性分析,返回,2、迟滞,传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞。迟滞大小一般由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示。,返回,3.4 传感器的特性分析,3、重复性,传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。,返回,3.4 传感器的特性分析,4、灵敏度与灵敏度误差,静态灵敏度： 传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比。,灵敏度误差,y,x,y,x,返回,3.4 传感器的特性分析,5、分辨力与阈值,分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入

15、量的最小变化值。即：在非零点，能使传感器的输出有反映的最小输入量的变化。 有时对该值用相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。阈值是使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨力。,传感器在长时间内保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。,6、稳定性,返回,3.4 传感器的特性分析,7、漂移,漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移，又称时漂和温漂。时漂是指

16、在规定的条件下，零点或灵敏度随时间有缓慢的变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。,返回,3.4 传感器的特性分析,8、精确度(静态误差),静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。是系统误差与随机误差综合影响程度的评价指标。,（1）定义,（2）静态误差的求取方法：,把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差，看成随机分布，求出其标准偏差，即：,yi-各种测试点的残差； n-测试点数。,返回,3.4 传感器的特性分析,8、精确度(静态误差),取2或3值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差表示：即,（2）静态误差的求取方法：,静态误差是一项综合性指

17、标，它基本上包含了前面叙述的非线性误差、迟滞误差、重复性误差等。所以也可以把这几个单项误差综合而得，即,迟滞和非线性误差属于系统误差，重复性误差属于随机误差。,返回,3.4 传感器的特性分析,二、传感器的动态特性,动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。,研究动态特性的方法及误差指标典型环节的动态响应特性传感器不失真的条件,返回,3.4 传感器的特性分析,（一）研究动态特特性的方法及误差指标,研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。经常采用的输入信号为单位阶跃输入量和正弦输

18、入量。,1、瞬态响应法：阶跃输入量,用阶跃响应法求测量系统的动态特性是一种简单易行的时域测量方法。,返回,3.4 传感器的特性分析,1、瞬态响应法：阶跃输入量,时间常数,上升时间tr,响应时间ts,超调量a衰减度延迟时间td,误差指标：,一阶系统,二阶系统,0.5y0,td,返回,3.4 传感器的特性分析,2、正弦激励下的稳态频率响应,输入信号为正弦信号时。输出信号y(t)的特征：由于暂态响应的存在，开始时输出并不是纯正弦波，当暂态响应逐渐衰减直至消失后（理论上需要无限长时间）输出只存在稳态正弦量，它与输入信号的频率相同，但幅值和相位不同，是频率的函数。在稳定状态下Y/X幅值比和相位随频变化的

19、特性就是频率响应特性。,返回,3.4 传感器的特性分析,2、正弦激励下的稳态频率响应,频率响应特性曲线：,幅频特性：,相频特性,对数幅频曲线,对数相频曲线,3.4 传感器的特性分析,2、正弦激励下的稳态频率响应,误差指标：,对数幅频特性曲线,由于相频特性与幅频特性之间的有一定的内在关系，因此表示传感器的频响特性及频域性能指标时主要用幅频特性。,频响范围，通频带,3dB所对应的频率范围,工作频带 幅值误差为5%或10%时所对应的频率范围。,相位误差,返回,3.4 传感器的特性分析,（二）典型环节的动态响应特性,零阶传感器的动态特性一阶传感器的动态特性二阶传感器的动态特性,返回,3.4 传感器的特

20、性分析,1、零阶传感器的动态特性,微分方程传递函数,无惯性环节或比例环节。,返回,3.4 传感器的特性分析,2、一阶传感器的动态特性,微分方程传递函数频响函数,一阶系统的动态响应特性参数主要是：,结论：,3.4 传感器的特性分析,3、二阶传感器的动态特性,微分方程传递函数频响函数,3.4 传感器的特性分析,3、二阶传感器的动态特性,当=1与1时，传感器反映均迟钝。当=0时，形成等幅振荡。越大，衰减越快，反应迅速，即达到稳态所需的时间短。,二阶系统的阶跃响应,返回,3.4 传感器的特性分析,3、二阶传感器的动态特性,频率特性曲线的物理意义,二阶系统频率特性曲线,二阶系统的动态响应特性参数主要是固

21、有频率n和阻尼比系数。,结论：,3.4 传感器的特性分析,（三）传感器不失真的条件,频域内传感器无失真检测条件是：幅频特性应当是常数(即水平直线)；相频特性应该是线性关系。,返回,3.4 传感器的特性分析,3.5 传感器的标定与校准,一、传感器的标定 1、定义 利用标准设备产生已知的非电量（标准量），或用基准 量来确定传感器电输出量与非电输入量之间关系的过程。 2、静态标定 3、动态标定二、传感器的校准 传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标进行数据修正，确保传感器的测量精确度的过程。,返回,3.6 改善传感器性能的主要技术途径,差动技术平均

22、技术稳定性技术屏蔽、隔离与干扰抑制技术补偿校正技术集成化与智能化技术合理选择传感器材料、结构与参数,返回,一、差动技术,设有一传感器，其输出为：,1、原理,用另一相同传感器但使其输入量符号相反，则其输出为：,2、应用,返回,3.6 改善传感器性能的主要技术途径,二、平均技术,误差平均效应的原理是利用若干个传感单元同时感受被测量，其输出则是这些单元输出的平均值，若将每个单元可能带来的误差均可看作随机误差且服从正态分布，根据误差理论，总的误差将减小为,常用的平均技术误差平均效应和数据平均处理,光栅、磁栅、容栅、感应同步器等传感器，由于其本身的工作原理决定有多个传感单元参与工作，可取得明显的误差平均

23、效应的效果。,数据平均处理是在同样条件下进行n次重复测量或n次采样，然后进行数据平均处理，随机误差也将减小1/n 倍。,返回,3.6 改善传感器性能的主要技术途径,三、稳定性技术,传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标，尤其是对那些很难或无法定期鉴定的场合。 造成传感器性能不稳定的原因是：随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。 为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如结构材料的时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理，电气元件的老化筛选等。

24、 在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件，后续电路的关键元器件进行老化处理。,返回,3.6 改善传感器性能的主要技术途径,四、屏蔽、隔离与干扰抑制技术,削弱或消除外界因素对传感器的影响方法： 一是减小传感器对影响因素的灵敏度； 二是降低外界因素对传感器实际作用的烈度。 对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,返回,3.6 改善传感器性能的主要技术途径,五、补偿校正技术,补偿校正技术的运用大致是针

25、对下列两种情况。一种是针对传感器本身特性的，另一种是针对传感器的工作条件或外界环境的。 对于传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。 针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，搞恒温装置，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。 补偿与修正，可以利用电子线路（硬件）来解决，也可以采用微型计算机通过软件来实现。,返回,3.6 改善传

26、感器性能的主要技术途径,六、集成化、智能化技术,传感器集成化包括两种定义：一是同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，排成1维的为线性传感器，CCD图象传感器就属于这种情况。另一个定义是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。 传感器与微处理机相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能，就称之为传感器的智能化。借助于半导体集成化技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即成为大规模集成智能传感器。,返回,3.6 改善传感器性能的主要技术

27、途径,七、合理选择材料、结构与参数,近年来对传感器材料的开发研究有较大进展，其主要发展趋势有以下几个方面：从单晶体到多晶体、非晶体；从单一型材料到复合材料；原子（分子）型材料的人工合成。 用复合材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。,返回,3.6 改善传感器性能的主要技术途径,3.5 传感器的发展趋势,开发新型传感器 开发新材料采用新工艺传感器的集成化 传感器的多功能化传感器的智能化,返回,3.5 传感器的发展趋势,一、开发新型传感器：（新原理新现象、新效应） 采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器。二、开发新材料半导体敏感材料：硅材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅）；金属和非金属合成

28、的化合物半导体材料；陶瓷材料：绝缘陶瓷、压电陶瓷、介电陶瓷、热电陶瓷、光电陶瓷、半导体陶瓷。磁性材料：非晶化、薄膜化。智能材料：生物体材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。,3.5 传感器的发展趋势,三、采用新工艺 集成技术、微细加工技术、离子注入技术、薄膜技术微细加工技术，又称为微机械加工技术。是离子束、电子束、分子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术。平面电子工艺技术：传统的氧化、光刻、扩散、沉积等还有薄膜制作选择性的化学刻蚀技术：如：各向异性刻蚀技术固相键合工艺技术：将两个硅片直接键合为一体而不用中间粘接剂，也不需外加电场。机械切断技术：在一个基片上的多个超小型传感器用分离切

29、断技术分割开来，以免损伤和残存内应力。四、集成化同一功能的多元件并列化：如CCD,3.5 传感器的发展趋势,五、多功能化 多功能一体化：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。 多功能化：一个传感器可以同时测量多个参数。如：美国的单片硅多维力传感器（3个线速度、3个离心加速度（角速度）、3个角加速度）；温、气、湿三功能陶瓷传感器；多种离子或气体传感器等。 数据融合技术。六、智能化 智能（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。,本章要点,传感器的定义工作机理传感器的组成分类传感器的描述方法：静态模型与动态模型传感器的特性分析：静特性与动特性改善传感器性能的主要技术途径,