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1、传感器与自动检测技术,Name:陈瑜Email:Tel:13560305885,本课程的教学目的、性质与任务,本课程是电气信息类本科专业的一门重要的专业技术主干课。该课程具有极强的综合性，属于多学科交叉的边缘学科。通过该课程的学习，使学生可了解信息获取方面的基本知识，初步掌握检测技术的各种检测手段和了解各种检测技术装备、以及获取信息的各种方法和应用方法。培养学生设计、研制和应用自动检测系统和装置的基本能力。,本课程与其他课程的关系,先修课程：高等教学、复变函数、电路理论、电子技术、自动控制原理及系统、微机原理等。,课程概述,必修课40理论8实验主要内容,检测系统概论传感器基本概念电阻式电容式电
2、感式电涡流式压电式磁电式热电式光电式（光电检测技术）霍尔式光纤传感器智能式（智能传感器）常见非电参数的检测方法检测系统抗干扰技术计算机检测技术,教材与参考书,教材：传感器与自动检测技术，余成波等编，高等教育出版社，2004参考书：传感器与检测技术，徐科军等编，电子工业出版社,，2005,教学基本要求,了解检测的基本知识掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路了解各类传感器的典型应用,传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测试装置。这一定义包含了以下几方面的含义：（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；（2）它的输入量是
3、某一被测量，如物理量、化学量、生物量等；（3）它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；（4）输出与输入间有对应关系，具有一定的精确度。,1、传感器的定义,传感器概述,在有些学科领域，传感器又称敏感元件、检测器、转换器、发信器等，这些不同的提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件的用途，对同一类型的器件使用着不同的术语而已。他们的内含是相同或相似的。,传感器的定义,2、传感器的组成,传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路（转换电路）3部分组成。,（1）敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量元件。（2
4、）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转化成电路参数。（3）转换电路：将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。,2、传感器的组成,自动检测技术概述,1、自动检测技术的重要性在科学研究过程中，一些研究成果，必须要通过实验证实，这就需要一定的测试手段完成；在工农业生产中，为了保证能正常、高效的生产，要有一定的测试手段进行生产过程的检查和监视。这些测试手段就是仪器仪表。由于微电子技术、计算机技术、通信技术及网络技术的迅速发展，对电量的测量技术相应地得到提高。但是，在工程上所要测量的参数大多数为非电量，如机械量、成分量和状态量等，因而促使人们用电测的方法研究非电量，即用电测的方法测量
5、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。,1、自动检测技术的重要性,由于非电量电测技术具有测量精度高、反应速度快、能自动连续的进行测量、能实现自动检测与转换等优点，在国民经济各部门得到了广泛的应用。例如在机械制造业、化工行业、环境保护等部门、烟草行业、现代物流行业、科学研究和产品开发等等各行各业。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。,2、自动检测技术的组成,如上图所示，自动检测系统通常由：激励信号、测试对象、传感器、信号调理电路、信号的分析与记录这几部分组成。,
6、3、自动检测技术的发展趋势,自动检测技术发展趋势主要有以下几方面：（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。,传感器多功能化是指一器多能，即用一个传感器可以检测两个或两个以上的参数。多功能化不仅可以降低生产成本、减小体积，而且可以有效地提高传感器的稳定性、可靠性等性能指标。传感器的智能化就是把传感器与微处理器相结合，使之不仅具有检测功
7、能，还具有信息处理、逻辑判断、自动诊断等功能。,3、自动检测技术的发展趋势,第一章检测系统的特征与性能指标,检测系统的动态特性与性能指标,检测系统的组成,检测系统的静态特性与性能指标,学习内容,图11检测系统原理图,1.1 检测系统的组成,1.1.1 各组成部分的特点,（1）激励信号（2）测试对象（3）传感器（4）信号调理电路（5）信号的分析与记录,1.1.2 线性时不变系统及其主要性质,当系统的输入x(t)和输出y(t)之间的关系可用常系数线性微分方程来进行描述时，则称该系统为线性定常系统。,方程中的各系数an，an-1，a1，a0和bm，bm-1，b1，b0均为不随时间变化、完全由测试装置
8、本身所决定的常数。则该方程便是常系数微分方程。所描述的系统为线性时不变系统（LTI：Linear Time-Invariant），也称定常线性系统。在工程测试实践中，大多数检测系统属于线性时不变系统。,（1）线性时不变系统定义,（2）线性时不变系统的主要性质,叠 加 原 理,叠加性意味着作用于线性装置的各个输入所产生的输出是互不影响的；一个输入绝不影响另一输入所引起的输出。在分析众多输入同时加在装置上所产生的总效果时，可以先分别分析单个输入的效果，然后将这些效果叠加起来表示总的效果。,几个输入所产生的总输出是各个输入所产生的输出叠加的结果。即若：,比例性,测试装置的输入信号扩大a倍，输出信号也
9、扩大a倍。对于任意常数a，都有,微分性,零初始条件下，一个信号求导后的输出为输入这一信号时输出的导数,积分性,在零初始条件下，一个信号积分后的输出为输入这一信号时输出的积分,（2）线性时不变系统的主要性质,频率保持特性,频率保持性也称同频性。若给测试装置输入某一频率的正（余）弦信号，则稳态输出必定是与输入相同频率的正（余）弦信号。,（2）线性时不变系统的主要性质,已知系统是线性的和其输入的频率，那么依据频率保持性，可以认定测得信号中只有与输入频率相同的成分才真正是由该输入引起的输出，而其它频率成分都是噪声。进而依据这一特性，采用相应的滤波技术，在很强的噪声干扰下，把有用的信息提取出来；由于信号
10、的频域函数实际上用信号的各频率成分的叠加来描述的。因此，同频性与叠加原理相结合，研究复杂输入信号所引起的输出时，就可以转换到频域中去研究，研究输入频域函数所产生的输出的频域函数。,频率保持特性,（2）线性时不变系统的主要性质,1.2 检测系统的静态特性与性能指标,静态特性：当被测量是恒定的、或是缓慢变化的物理量时所涉及的是系统的静态特性问题。当输入信号为一静态量时，测试装置的输出也是静态量，这时输出与输入之间的关系称为测试装置的静态特性。以下就是描述测试装置静态特性的一些重要指标。,1.2.1 测量范围,检测系统能正常测量的最小输入量和最大输入量之间的范围。,测量范围,灵敏度,当装置输入一个变
11、化量x时，产生输出的变化量y；输出的变化量y与输入的变化量x的比值称作装置的灵敏度。,1.2.2 灵敏度,1.2.3 非线性度,非线性度,亦称线性度或非线性误差。标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。指装置的输出与输入偏差线性关系的程度。,回程误差,亦称滞后或变差。实际测量系统在相同的测量条件下，当输入量由小增大，或由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量存在的差值，则定义回程误差为：,1.2.4 回程误差,稳定度,稳定度通常是相对时间而言，检测系统在规定的条件下保持其测量特性恒定不变的能力。,1.2.5 稳定度和漂移,漂 移,测试装置在外界的干扰下，输出量发生了与输入量无关的变化，主
12、要有“零点漂移”和“灵敏度漂移”，这两种漂移又可分为“时间漂移 零点或灵敏度随时间而发生缓慢的变化”和“温度漂移 零点或灵敏度随环境温度的变化而改变”。,灵敏阀,又称死区，是用来衡量检测起始点不灵敏的程度。,1.2.6 静态响应特性的其他术语,分辨率,亦称分辨力。能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示检测系统分辨输入量微小变化的能力。,精 度,可靠性,精确度的简称，表示随机误差和系统误差的综合评定指标。,与检测系统无故障工作时间长短有关的一种描述。,1.3 检测系统的动态特性与性能指标,1.3.1 微分方程,检测系统用于动态测量时，输入x（t）和输出y（t）均随时间变化，其关系用下面的微分方
13、程描述。,动态特性是指检测系统对于随时间变化的输入量的响应特性。,1.3.2 传递函数,对于动态特性，微分方程不能直接反映测试系统对不同频率信号的动态性能；方程求解运算也较复杂或困难。所以描述系统的动态特性，常常采用传递函数。,拉普拉斯变换,若y(t)为时间变量t的函数，当且仅当t0时，有y(t)=0，则y（t）的拉普拉斯变换Y(s)定义为：,s为复变量，s=p+jq，p0,零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换和输入量的拉氏变换之比称为系统传递函数，用H(s)表示，即：,（1）传递函数的定义,分母中s的幂次n代表了系统微分方程的阶数，也称为传递函数的阶次。H(s)中的分母取决于系统的结构
14、，分子则和系统同外界之间的关系有关。,（2）传递函数的特点,1）传递函数表示系统本身的动态性能与输入量大小及性质无关。2）传递函数不拘泥于被描述系统的物理结构而只反映其动态性能。3）传递函数可以有量纲，也可以无量纲。4）传递函数是复变量s的有理分式。,一阶系统,根据电压定律有：,两边作拉氏变换：,则传递函数为：,（3）常见测试装置的传递函数,2）二阶系统,（3）常见测试装置的传递函数,根据牛顿第二定律：,即：,式中 m质量块的质量；k弹簧刚度；c阻尼器的阻尼系数,令：固有频率，阻尼比，灵敏度S=1/k,上式可变为：,二阶装置,两边进行拉氏变换，并令S=1，可得：,（3）常见测试装置的传递函数,
15、二阶装置的传递函数为：,频率响应函数H(j)为输出量的傅氏变换和输入量的傅氏变换之比。频率响应函数是传递函数的特例。,对于稳定的线性定常系统，可设，根据拉氏定义有：,此式为单边傅里叶变换公式。相应地有：,定 义,1.3.3 频率响应函数,（1）频率响应函数的定义,1.3.3 频率响应函数,根据线性定常系统的频率保持性，如果输入信号为,则输出信号为，代入式(1.1)微分方程中可得，其中，,上式称为测量系统的频率响应函数。即,频率响应函数H(j)是复变函数，可表达为：,频率响应的模和相角与实部和虚部有下列关系：,物理含义,1.3.3 频率响应函数,幅频、相频特性分别表征装置对输入信号中各个频率分量
16、幅值的缩放能力和相位角前后移动能力。,模A()反映的是装置稳态输出与输入的幅值比（Y/X）与被测信号频率的对应关系，称为装置的幅频特性；其相角()反映的是装置稳态输出与输入的相位差角（y-x）与被测信号频率的对应关系，称为装置的相频特性。,1.3.3 频率响应函数,1.3.3 频率响应函数,用传递函数和频率响应函数均可表达系统的传递特性，但两者的含义不同。对于一个从t0开始所施加的简谐信号激励，采用拉氏变换解得的系统输出将由两部分组成：由激励所引起的、反映系统固有特性的瞬态输出以及该激励所对应的系统的稳态输出；而频率响应函数表达的仅仅是系统对简谐输入信号的稳态输出。因此，用频率响应函数不能反应
17、过渡过程，必须用传递函数才能反映全过程。,H(s)与H(j),1.3.3 频率响应函数,1）一阶系统的频率响应函数,根据电压定律有：,两边作傅氏变换：,则频率响应为：,幅频、相频特性表达式为：,一阶 系 统,。,当 时，；当 时，,在 处，A()为0.707（3dB)，相角为45,滞后,1.3.3 频率响应函数,1.3.3 频率响应函数,一阶 系 统,一阶系统的伯德图可用一条折线来近似描述。这条折线在 段，A()=0,在 段为一20dB/10倍频斜率的直线。点称转折频率，在该点折线偏离实际曲线的误差最大（3dB）。,根据牛顿第二定律：,即：,式中 m质量块的质量；k弹簧刚度；c阻尼器的阻尼系数
18、,1.3.3 频率响应函数,2）二阶系统的频率响应函数,1.3.3 频率响应函数,令：固有频率，阻尼比，灵敏度S=1/k,上式可变为：,二阶装置,两边进行傅氏变换，并令S=1，可得：,二阶装置的频率响应函数、幅频特性和相频特性分别为：,二阶装置,1.3.3 频率响应函数,振荡,影响二阶装置动态特性的参数有两个，即固有频率n与阻尼比，尤以固有频率的影响最为重要。,二阶装置是一个振荡环节，为此要选择恰当的固有频率和阻尼比的组合，以便获得较小的误差和较宽的工作频率范围。一般取（n越大越好），,二阶装置,1.3.3 频率响应函数,在 附近，系统幅频特性受阻尼比影响极大，发生共振现象。此时：且不因阻尼比
19、之不同而改变。,当 时，；当 时，。,二阶装置,1.3.3 频率响应函数,在 段，甚小，且和频率近似成正比增加。在 段，趋近于180度，即输出信号几乎和输入反相。在 附近，随频率的变化而剧烈变化，而且 越小，这种变化越剧烈。,二阶装置,1.3.3 频率响应函数,二阶系统的伯德图可用折线来近似。在 段，A()可用0dB水平线近似。在 段，可用斜率为-40dB/10倍频的直线来近似。,二阶装置,1.3.3 频率响应函数,1.3.4 实现不失真测量的条件,设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系：y(t)=A0 x(t-t0),该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，
20、在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。,y(t)=A0 x(t-t0)Y()=A0e-jt0X(),不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足 A()=A0=常数()=-t0,对时域条件做傅立叶变换：,1.3.4 实现不失真测量的条件,实际测量装置不可能在非常宽广的频率范围内都满足无失真测试条件，即使在某一频率范围内工作，也难以完全理想的实现不失真测试。只能努力把波形失真限制在一定的误差范围内。因此，首先要选择合适的测试装置。其次，应对输入信号做必要的前置处理，及时滤去非信号频带内的噪声。,1.3.4 实现不失真测量的条件,eg:已知输入信号,，这时一阶装置的,，,，则该装置的稳态输出表达式是？,。,作 业,1.已知某RC低通滤波器，R=1K，C=1F。（1）确定各函数式H(s)；。（2）当输入信号Ui=10sin1000t时，求输出信号Uo，并比较其幅值和相位关系。,2.某力传感器为一典型的二阶振荡系统，已知该传感器的自振频率f0=1000Hz，阻尼比为0.7，试求用它测量频率为600Hz的正弦交变力时，其输出与输入幅值比k和相位差各为多少？,The End,
