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1、第一章：传感器与检测技术基础,传感器基础知识,检测的基本概念,检测的分类,检 测 系 统,第一章：传感器与检测技术基础 传感器基础知识 检测的基本,传感器基础知识,传感器的概念,传感器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。所以传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等。如在电子技术中的热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件，在机械测量中的转矩、转速测量装置，在超声波技术中的压电式换能器等都可以统称为传感器。,一、传感器的概述,传感器基础知识传感器的概念传感器是指能感受规定的被测量并按照,传感器基础知识,传感器的组成按其定义一般由敏感元件、转换元件、信号调理转换电
2、路三部分组成,有时还需外加辅助电源提供转换能量,传感器基础知识转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被,传感器基础知识,目前一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、位移、速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器等；另一种是按传感器的工作原理分类，如按应变原理工作式、按电容原理工作式、按压电原理工作式、按磁电原理工作式、按光电效应原理工作式等，相应的有应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。,传感器的命名、分类,传感器基础知识目前一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类,传感器基础知识,传感器的性能指标,描述
3、传感器性能优劣的参数即为性能指标，传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。,1)反映传感器静态特性的性能指标,静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。,传感器基础知识传感器的性能指标 描述传感器性能优劣的参数即为,传感器基础知识,(1)线性度（详见第二章）：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值max与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用表示为,传感器基础知识(1)线性度（详见第二章）：指传感器输出量与,传感器
4、基础知识,(2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度，即,它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏，如图,传感器基础知识(2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重,传感器基础知识,（3）迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。,产生迟滞现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的
5、，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。,迟滞误差又称为回差或变差。,传感器的迟滞特性,传感器基础知识（3）迟滞：传感器在输入量由小到大(正行程),传感器基础知识,(4)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化时，所得特性曲线不一致的程度，如图1.4所示。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算，即,传感器基础知识(4)重复性：重复性是指传感器在输入量按同一,传感器基础知识,(5)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器
6、自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20)时的输出值的变化量与温度变化量之比()来表示，即,式中 t工作环境温度t与偏离标准环境温度t20之差，即t=tt20；yt传感器在环境温度t时的输出；y20传感器在环境温度t20时的输出。,传感器基础知识(5)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情,传感器基础知识,（6）稳定性,测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出
7、值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。,稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。,传感器基础知识（6）稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某,传感器基础知识,(7)静态误差,取2 和3 值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即,静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差,看成是随机分布,求出其标准偏差,即,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值的偏离程度。,yi各测试点的残差；n一测试点数。,传感器基础知识(7)静态误差取2 和3 值即为传感器的,传感器基础知识,与精确
8、度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度),（8）精确度（详见第二章，在这里只了解精确度属于静态指标）,准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。,精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。,传感器基
9、础知识与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度,传感器基础知识,精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。,（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。,传感器基础知识精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表,传感器基础知识,2)反映传感器动态特性的性能指标,动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。,传感器基础知识2)反映传感
10、器动态特性的性能指标动态特性是指,传感器基础知识,单位阶跃响应性能指标：,如图所示为衰减振荡的二阶传感器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性能指标主要有,最大超调量 响应曲线偏离单位阶跃曲线的最大值；上升时间tr 响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的90%所需的时间；延迟时间td 响应曲线上升到稳态值的50%所需的时间；调节时间ts 响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。误差 带 通常规定为稳态值的或；稳态误差ess 系统响应曲线的稳态值与希望值之差。,欠阻尼,传感器基础知识单位阶跃响应性能指标：如图所示为衰减振荡的二阶,传感器基础知识,单位阶跃响应性能指标：,如图所示为一阶传
11、感器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性能指标主要有：,时间常数一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间；延迟时间td传感器输出达到稳态值的50%所需的时间；上升时间tr传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。,最大超调量反映传感器响应的平稳性(即稳定性）；上升时间、延迟时间、调节时间等反映传感器响应的快速性；稳态误差反映传感器响应的稳态精确度。另外，反映传感器频率响应的频域性能指标主要有通频带(或频带)，上、下限截止频率度及固有频率等。,过阻尼,传感器基础知识单位阶跃响应性能指标：如图所示为一阶传感器输出,传感器基础知识,二提高传感器性能的技术途径,1、采用线性化技术,传感器一般
12、有非线性，放大器是线性的。加入非线性补偿环节，使仪表的输出与输入间为线性关系。,传感器基础知识二提高传感器性能的技术途径 1、采用线性化技,传感器基础知识,2、采用闭环技术,开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。合闭环控制系统不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合。,传感器基础知识2、采用闭环技术开环控制系统不能检测误差，也不,传感器基
13、础知识,3、采用差动技术,差动放大电路：抑制温漂,传感器基础知识3、采用差动技术差动放大电路：抑制温漂,传感器基础知识,4、采用补偿和校正技术,一是并联补偿RS；二是旁路补偿R1,传感器基础知识4、采用补偿和校正技术一是并联补偿RS；二是旁,传感器基础知识,三传感器中的弹性敏感元件(了解),物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。传感器中把用来直接感受被测量为力、力矩或压力，并且输出与力、力矩或压力成相应确定关系的应变或位移的元件称为弹性敏感元件。,传感器基础知识三传感器中的
14、弹性敏感元件(了解)物体在外力,传感器基础知识,刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度,传感器基础知识刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度,传感器基础知识,波登管压力表,动圈式显示仪表,Y-50/60/100/150波登管压力表 波登管压力表适用测量无爆炸，不结晶，不凝固，对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、气体或蒸汽的压力。,传感器基础知识波登管压力表动圈式显示仪表Y-50/60/,传感器基础知识,四 传感器的标定和校准,标定是利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度。(包括刻度、量程、精度、测量不确定度等)校准是指对传感器在使用中和储存后进行的性能再次测试。标定的基本
15、方法是利用标准仪器产生已知的非电量并输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量进行比较从而得到一系列标准数据或者曲线。实际应用中输入的标准量可以用标准传感器检测得到，即将待标定的传感器与标准传感器进行比较。传感器的标定是通过实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。,传感器基础知识四 传感器的标定和校准 标定是利用某种标准器,传感器基础知识,静态标定,静态标定是指在输入信号不随时间变化的静态标准条件下，对传感器的静态特性的检定。静态标定的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,动态标定主要是研究传感器的动
16、态响应。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。动态标定的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。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。,传感器基础知识静态标定静态标定是指在输入信号不随时间变化的静,传感器基础知识,标定过程步骤,(1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点。(2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值。(3)将输入值由大到小一点一点的减小，同时记录下与各输入值相对应的输出值
17、；(4)按(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出与输入测试数据用表格列出或画成曲线。(5)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。,传感器基础知识标定过程步骤(1)将传感器全量程(测量范围),传感器基础知识,五传感器选用原则,通常，选用传感器应从以下几个方面考虑。,(1)测试条件：主要包括测量目的、被测试物理量特性、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。(2)传感器性能：主要包括精度、稳定性、响应速度、输出量(模拟量还是数字量)、对被测物体产生的负载效应、校正周期、
18、输入端保护等。(3)使用条件：主要包括设置场地的环境条件(温度、湿度、振动等)、测量时间、所需功率容量、与其他设备的连接、备件与维修服务等。,传感器基础知识五传感器选用原则 通常，选用传感器应从以下几,传感器基础知识,具体来讲，可以从以下几个方面考虑。,要进行一次具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，究竟哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触
19、测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。,1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型,比如温度计的选择：海关，红外温度计；诊所：体温计；高炉：热电偶电子设备：DS18B20；,传感器基础知识具体来讲，可以从以下几个方面考虑。要进行一次具,传感器基础知识,2灵敏度的选择,通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被系统放大，影响测量精度。
20、因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好,3频率响应特性,传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因此频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过大的误差。,传感
21、器基础知识2灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希,传感器基础知识,4线性范围,传感器的线性范围是指输出与输入成直线关系的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作是线性的，这会给测量带来极大的方便。,5稳定性,要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体
22、的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。,传感器基础知识4线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成直,传感器基础知识,6精度,精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简
23、单的传感器。如果测量的目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。为了提高测量精度，平时正常显示值要在满刻度的50%左右来选定测量范围(或刻度范围)。总之，应从传感器的基本工作原理出发，注意被测对象可能产生的负载效应，所选择的传感器，应既能适应被测物理量，又能满足量程、测量结果的精度要求，同时还要具有可靠性高、通用性强，有尽可能高的静态性能和动态性能以及较强的适应环境的能力而又具有较高的性价比和良好的经济性。,传感器基础知识6精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是,检测的基本概念,一测
24、量、计量、测试与检测,测量、计量，测试、检测是4个密切相关的技术术语。测量是以确定被测对象的量值为目的的全部操作。测试是具有实验性质的测量，或者可以理解为测量和实验的综合。计量是实现测量单位统一和量值准确可靠。唯有计量部门从事的测量才被称作计量。检测(Detection)就是对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处理，即利用各种物理效应，将物质世界的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。,检测的基本概念 一测量、计量、测试与检测 测量、计量，测试,检测的基本概念,二 检测技术的任务,检测技术是以研究检测与控制系统中
25、信息的提取、转换以及处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术科学。检测技术的任务是以测量系统的输出来评价被测物理量(测量系统的输入量)，也就是在工程实践和科学实验中要正确及时地掌握各种信息，即获取被测对象信息(被测量)的大小。所以信息采集的主要含义就是测量和取得测量数据。,检测的基本概念 二 检测技术的任务检测技术是以研究检测与,检测的基本概念,三、检测的分类,1电量与非电量检测技术,2.检测原理的分类,物理原理：检测仪器(或设备)按一定的物理规律或效应对被测量进行检测，如按电阻、电容、电感等变化规律进行检测，按电磁感应原理、电磁力定律、涡流原理等进行检测。化学原理：检测仪器(或设备)按一定的
26、化学规律或效应对被测量进行检测，如化学反应原理、摩尔原理等。光学原理：检测仪器(或设备)按一定的光学规律或效应对被测量进行检测，如光电效应等。生物原理：检测仪器(或设备)按一定的生物规律对被测量进行检测，如生物免疫原理、酶的催化反应原理等。,检测的基本概念 三、检测的分类 1电量与非电量检测技术 2,检测的基本概念,3检测方法的分类,检测方法是指在实施测试中所涉及的理论运算和实际操作方法。检测方法可按多种原则分类，如：按是否直接测定被测量的原则分类，可分为直接测量法和间接测量法。按测量时是否与被测对象接触的原则，可分为接触式测量和非接触式测量。按被测量是否随时间变化的原则，可分为静态测量和动态
27、测量。按被测量的性质可分为时域测量、频域测量、数据域测量和随机测量。,检测的基本概念 3检测方法的分类检测方法是指在实施测试中所,检测的基本概念,4检测对象的分类,按检测对象是否随时间变化分为静态检测对象和时变检测对象。按动态检测对象随时间变化的快慢，又可分为快速变化的检测对象和缓慢变化的检测对象。按动态检测对象随时间变化的规律可分为周期变化对象和随机变化对象。按检测对象是否为电量可分为电量检测对象和非电量检测对象。,检测的基本概念 4检测对象的分类按检测对象是否随时间变化分,检测的基本概念,四 检测系统的组成,一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几
28、部分组成。,传感器是感受被测量(物理量、化学量、生物量等)的大小，并输出相对应的可用输出信号(一般多为电量)的器件或装置。变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号，大多数变送器的输出信号是统一的标准信号(目前多为4mA20mA直流电流)。信号标准是系统各环节之间的通信协议。,测量电路将传感器输出的信号进行处理和变换。如对信号进行放大、运算、线性化、(模数A/D)或(数模D/A)转换等，使其输出信号便于显示、记录。,检测的基本概念 四 检测系统的组成一个完整的检测控制系统,闭环自动检测系统,显然，这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定，放大器等环节特性的变化不会造成检测误差，或
29、者说造成的误差很小。,闭环自动检测系统显然，这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的,本 章 小 结,(1)传感器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。一般处于研究对象或检测控制系统的最前端，是感知、获取与检测信息的窗口。由敏感元件、转换元件、信号调理电路三部分组成。(2)传感器的静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。(3)传感器中的弹性敏感元件是指具有弹性变形特性的物体。弹性敏感元件的基本特性有刚度、灵敏度、弹性滞后、固有振荡频率等。,本 章 小 结(1)传感器是指能感受规
30、定的被测量并按照一定,(4)检测(Detection)就是对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处理，即利用各种物理效应，将物质世界的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过 程。检测技术是以研究检测与控制系统中信息的提取、转换以及处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术科学。(5)一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几部分组成。检测系统按信号在系统中的传递情况可以分为开环检测系统和闭环检测系统。(6)检测的方法有多种，在实际应用中应该从被测量本身的特点、检测所要求的精确度、灵敏度、检测环境等多方面因素综合考虑。,本 章 小 结,(4)检测(Detection)就是对系统中各被测对象的信,
