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1、传感器原理及应用,（自动检测技术/非电量测量技术）一、本课程的专业地位：专业必修课。二、本课程的主要内容1、传感器、测量及误差的基本知识；2、常用传感器的原理、结构、测量电路及应用；3、传感器在工程检测中的应用。三、课程要求1、掌握传感器、测量及误差的基本理论；2、掌握常用传感器的基本原理、结构、特点、基本测量电路及应用；,3、学会工程中常见的非电量测量方法，了解传感器在工程检测中的应用方法；4、学会分析和设计传感器的应用电路。四、课程特点综合性：传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统
2、科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术；零散性：各章内容之间没有前后因果关系；应用性：重点掌握各种传感器的应用方法。,五、参考资料传感器与检测技术 朱自勤 机械工业出版社传感器原理及工程应用 郁有文 西安电子科技大学出版社传感器原理及应用 王化祥 天津大学出版社传感器原理及应用 王雪文 北京航空航天大学出版社传感器原理及其应用手册 孙宝元 机械工业出版社非电量检测技术 严钟豪 机械工业出版社现代传感技术 魏文广 东北大学出版社传感器技术 信息产业部电子第四十九研究主办光电子技术与信息 中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国光学学会光电技术专业委员会主办激光与
3、红外 华北光电技术研究所主办仪表技术与传感器 沈阳仪器仪表研究所主办,仪器仪表网（http:/）仪器商城网（）传感器网（http:/）传感器技术（）中国传感器（http:/）中国工控网（）中国机器人网（http:/.)电子设计应用（http:/www.）电子产品世界（http:/www.）,第1章 传感器与检测技术概述,1.1 传感器的概念、组成和分类1.2 传感器的基本特性,返回主目录,第1章 传感器与检测技术的理论基础 1.1 传感器的概念、组成和分类,一、传感器的概念、组成与应用1、现代信息技术的三大要素：信息获取传感器技术 信息传输通信技术 信息处理计算机技术 在工程实践和科学试验中，
4、信息采集的主要含义是测量取得测量数据。,2、测量的概念 测量是人类对自然界客观事物获得数量观念的一种认识过程，即借助于专门设备，求出被测量的数值大小。3、测量的分类 电子测量电子测量仪器；非电量测量传感器；4、自动测量系统的组成 图11 自动测量系统组成,5、自动测量技术的作用 以电子技术、传感器技术、计算机技术为基础的自动测量技术，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。而传感器是测量系统的第一个环节，它能否获得信息和获取信息的正确与否，关系到整个测量系统的精确度，传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，因此世界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。6、传感器的定义（GB7665-
5、87)能够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，通常由敏感元件和转换元件组成。,7、传感器的组成 通常传感器由敏感元件和转换（传感）元件组成。传感器组成框图如图 1-2 所示。,图 1-2 传感器组成框图,敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。,传感元件：又称转换元件/转换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。,信号调节与转换电路/测量电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。,敏感元件,传感元件,压力传感器示例,8、传感器的应用领域（1）机械制造业：智能机械：数控机床、
6、加工中心、机器人等（2）工业过程检测与控制：石油、化工、电力、冶金等行业中热工工艺参数检测和控制；（3）汽车：车速、里程、燃油、排气、车灯、关门、防盗、防撞等；（4）环保：有毒、有害、易燃、易爆气体检测，重金属、污水检测，防酒后驾车等；（5）医疗卫生：血压、心音、脉搏检测，心脏监护仪、彩超、核磁共振等；（6）航空航天：卫星、火箭、飞船、外星探测器等；（7）国防工业：飞机、导弹、雷达、智能化电子武器等；（8)家用电器：空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电饭煲、电熨斗、安全报警器等。,传感器的主要应用,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上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
7、监测系统。,石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。,自动检测与自动控制系统,在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测。,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,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301 00种传感器。,传感器与家用电器,自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机
8、、家庭影院,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,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,软驱:速度,位置伺服,麦克风:电容传声器,楼宇控制与安全防护,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,烟雾
9、传感器,亮度传感器,人体探测器,机械手、机器人中的传感器:转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,传感在机器人上的应用,密歇根大学的机械手装配模型,广州中鸣数码的机器狗,机器人服务员,沙漠机器人,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。,香港理工AGV模型,AGV自动送货车,自动导引运输车（Automated Guided Vehicle）,AGV自动送货车,2003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部
10、结构之谜。一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开4600年前的秘密。它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。,图坦卡蒙的诅咒“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,“金字塔漫游者”，511，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。,传感器在生物医学上的应用,医学,对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、NA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。,光纤流速传感器,荧光材料制作的电
11、子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,传感器与航空及航天,飞行器：控制在预定轨道上,速度、加速度、飞行距离测量、周围环境、内部设备监控、本身状态参数的测量。,陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器,传感器与环境保护,保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。,烟尘浊度测量,红外线分布差异,矿藏埋藏地区,传感器与
12、遥感技术,红外接收传感器,传感器在军事技术领域的应用,先进的科学技术总是最先被应用于战争。以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。,海湾战争中，伊拉克在科威特战区部署了4280辆坦克，多国部队只有3800辆坦克。但结果是伊拉克的坦克89被毁，而多国部队的坦克仅损失20辆。这种悬殊的损毁比，正是由于双方信息优势及精确制导武器方面的明显差距造成的。,智能武器把巨大的杀伤力和极高的精确性相结合，将会使军事机构思考未来战争的方式发生革命。高技术常规武器成为比核武器更可靠的手段，打了不用管的制导炮弹能像导弹那样捕捉和跟踪目标，射程远，威力大，价格低，命中率高，
13、具有子母弹的打击能力，以及破甲弹、动能弹的攻击方式。,农业将是知识密集、技术密集的产业，设施农业可以有效提高农业生产效益和增强抗灾能力，借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件，摆脱自然制约，以达到高产、高效、优质。信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一，设施农业用传感器的品种较多，主要用于温度、湿度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检测等方面得到了广泛的应用。,传感器与农业,农业,二、传感器的分类1、按被测量分类（相应的传感器一般以被测量命名）：（1）热工量传感器：温度、热量、比热；压力、差压、真空度
14、；流速、流量；物位（液位、料位）。（2）机械量传感器：位移、尺寸（长度、厚度、宽度、角度）；力、力矩；重量、质量；速度、加速度、转速。（3）物性和成分量：成分量（化学成分、浓度、酸碱度、盐度等）；物性（密度、比重、粘度等）。（4）状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面粗糙度等）。,2、按传感器的工作原理分类（1）物理型传感器：利用某些敏感元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成。如：应变式、电容式、磁电、光电、压电传感器等。（2）化学型：利用电化学反应原理制成。如：气敏传感器、湿度传感器、离子传感器等。（3）生物传感器：利用酶、微生物、抗体、细胞及组织等作为敏感材料与适当的换能
15、器结合而成，利用特有的化学反应和电化学技术对生物化学物质进行测定。如：酶传感器、免疫传感器等。,3、按输出信号的性质分类（1）模拟传感器：输出模拟信号；（2）数字传感器：输出数字信号（脉冲、频率、二进制数码），抗干扰能力强。,三、传感器的发展趋势1、三新：新材料、新工艺、新效应（原理）；2、四化：集成化、多维化、多功能化、智能化。,1.2 传感器的基本特性 即输出输入之间对应关系，又称为输出输入特性，可用静态特性和动态特性来描述。一、传感器的静态特性（一）静态特性：是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系；即输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度,
16、迟滞和重复性等。（二）传感器的静态特性表达式 1、理想传感器：y=a1x 2、实际传感器：y=a0+a1x+a2x2+anxn式中:a0输入量x为零时的输出量;a1,a2,an非线性项系数；x输入量；y输出量。1、传感器的零偏（零点）：输入信号为零时传感器的输出值。,2、传感器的测量范围与量程（1）测量范围：指正常工作条件下，传感器能够测量的被测量的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。（2）量程：测量范围的上限值（或对应的输出值）与下限值（或对应的输出值）的代数差。a0 零点；xF.S满量程输入；XF.S输入量程；XF.S=xmax-xminyF.S满量程输出；YF.S输出量程。YF
17、.S=ymax-ymin注：仅知道量程时，无法确定测量范围。,传感器的静态特性曲线,1、线性度（非线性度/非线性误差）：传感器的实际静态特性曲线与拟合直线（规定直线）之间，在垂直方向上的最大偏差与输出量程的百分比称为线性度。通常用相对误差L表示,即 式中:|(yL)max|最大非线性 绝对误差的绝对值;YFS输出量程。,(三）主要静态特性指标,2、灵敏度 灵敏度K是指传感器的输出量变化量y 与引起此变化的输入变化量x的比值,即 K=y/x 灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度。对于线性传感器,它的灵敏度就是它的静态特性的斜率,即K=y/x为常数,而非线性传感器的灵敏度为一变量,用K=dy
18、/dx表示。传感器的灵敏度如图所示。,多环节串联而成的测量系统的灵敏度为：K=K1K2Kn 例1：某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。若再接一个放大器（放大倍数为10）后驱动笔式记录仪（灵敏度为0.2cm/V），试求系统的总灵敏度。解：K1=y/x=（）V/(5-4.5)mm=-2V/mm K2=10 K3=0.2cm/V K=K1K2K3=-2V/mm10 0.2cm/V=-4cm/mm,3、精确度 测量误差 被测参数的测量值与真实值不一致的程度用测量误差表示。测量误差就是被测量的测量值与真实值之间的差值，它反映
19、了测量质量的好坏。（1）测量误差的表示方法绝对误差：可用下式定义:x=x-x0 式中:x绝对误差;x测量值;x0约定真值。,对测量值进行修正时,要用到绝对误差。修正值是与绝对误差大小相等、符号相反的值,C=-x=x0-x，实际值等于测量值加上修正值。即 x0=x+C。绝对误差不能很好说明测量质量的好坏，只适用于被测量值相同的场合。例如,在温度测量时,绝对误差=1,对体温测量来说是不允许的,而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。相对误差：定义由下式给出:=x/x0 100%式中:相对误差,一般用百分数给出;x绝对误差;x0约定真值。,相对误差比绝对误差能更好地说明测量精确度，但它只能说明不
20、同测量结果的准确度，无法衡量传感器本身在整个测量范围内的质量，（如一台温度传感器测100的相对误差为2%，另一台测1000 的相对误差为1%）为此又采用了引用误差的概念。引用误差：是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对仪表满量程的一种误差,一般也用百分数表示，即=x/XF.S 100%=x/(xmax-xmin)100%式中:引用误差；x绝对误差；XF.S 仪表输入量程（测量范围上限 测量范围下限）;xmax 仪表量程的上限值；xmin仪表量程的上限值；,基本误差：是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。例如,仪表是在电源电压(2205)V、电网频率(502)Hz、环境温度(205)、湿度6
21、5%5%的条件下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作,则仪表所具有的误差为基本误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的，一般用引用误差表示。附加误差：是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。例如,温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差等。精确度：表示传感器测量结果与真值之间的偏离程度。,精确度等级：是根据最大引用误差来确定的。工程中以一系列标准数值作为仪表基本误差的最大允许值来分档表示仪表的精确度，称为精确度等级。常用的精确度等级有0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级、4.0级、5.0级。注：精确度等级已知的仪表只有在被测量值接近满量程时，才
22、能发挥它的测量精度。因此选用仪表时应根据被测量的大小和测量精度的要求，合理选择仪表量程和精确度等级。例3：测800 要求误差4，现有以下测温仪表，应选哪一种？（1）0500,1.0级；（2）01000，0.5 级；（3）01000，0.2级；（4）02000，0.2级。,解：（1）不能测；（2）测800 可能出现的最大绝对误差为1000（0.5%）=5；（3）测800 可能出现的最大绝对误差为1000（0.2%）=2；（4）测800 可能出现的最大绝对误差为2000（0.2%）=4；应选第（3）种。,例3：测800 要求误差4，现有以下测温仪表，应选哪一种？（1）0500,1.0级；（2）01
23、000，0.5 级；（3）01000，0.2级；（4）02000，0.2级。,二、传感器的动态特性 输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程叫响应。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化,是时间的函数时,则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。一个动态特性好的传感器,其输出将再现输入量的变化规律,即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外,输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,实际工作中，传感器的动态特性常用实验方法求得，即根据传感器对一些标准信号的响应来评定它的动态
24、特性。在时域内，常用阶跃信号来分析传感器的动态特性瞬时响应特性。在频域内，则采用正弦输入信号来分析传感器的动态特性频率响应特性。1、瞬时响应特性指标时间常数：当输入产生阶跃变化时，输出信号从初始值变化到63.2%所需的时间。越小，传感器的响应速度越快。,一阶传感器的单位阶跃响应,二阶传感器的单位阶跃响应曲线,延时时间td：二阶传感器输出达到稳定值的50%所需的时间。上升时间tr：二阶传感器输出达到稳定值的90%所需的时间。建立时间（响应时间）ts：二阶传感器输出进入稳态值规定范 围之内所需的时间。,峰值时间tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值 所需的时间。超调量 p：输出超过稳定值的最大
25、量。p=A1/y()100%衰减比d：二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比,即A1/A2。,传感器的频率响应特性指标包括：（1）频带：传感器增益保持在一定值（由所需测量精确度确定的公差带）内的频率范围为传感器频带或通频带,对应有上、下截止频率。(2)时间常数：用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小,频带越宽。(3)固有频率n：二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性，n 越大，动态误差越小，频带越宽。,2、频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性,称为频率响应特性。传感器的频率响应特性包括幅频特性和相频特性。,作业：P19 1-4、1-5 补充作业,1、某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.35/电桥：0.01V/放大器：100笔式记录仪：0.1cm/V求：（1）测温系统的总灵敏度；（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。2、有三台测温仪表，量程均为0600，精确度等级分别为2.5级、2.0级、1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过 2.5%，选哪台仪表合适？,
