1第一章检测技术的基础知识

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1、传感器与智能检测技术主讲：李琦2012联系方式： 办公室：教 5-109 电话： 13809196675 邮件信箱 13809196675163 com： .2主要参考教材 ：1. 宋文绪等编著 .传感器与检测技术 北京：高等教育出版社2. 郁有文等编著 .传感器原理及工程应用（第三版） .西安：西安电子科技大学出版社 2008，3. 王俊杰 曹丽等编著 .传感器与检测技术 北京：清华大学出版社 2011，4. 周杏鹏主编 .传感器与检测技术 北京：清华大学出版社，2010请大家准备参考教材，建议大家借阅即可。，。3 为了将授课内容及作业方便与大家沟通，希望每位上课同学给我发 个邮件 在一 个

2、邮件 ， 在主题栏注明：姓名，学号 。 不用写具体内容。 今后同学也可以通过邮件将自己感兴趣的问题发给我，共同讨论。 收到邮件后会及时回复大家。 邮件信箱 ： 13809196675163 com： .4实际应用现场测试问题举例 ：度 系 水位、温 度 、流量测量与控制 系 统 列车轴温测量问题 机械效率检测系统 发动机性能测试系统 卷曲机对中检测系统 带材速度检测 材料表面缺陷检测问题 板型检测问题5水位 温度 流量测量与控制系统、 、6列车轴温测量问题7机械效率检测系统8发动机性能测试系统9卷曲机对中检测系统10 带材厚度检测 带材速度检测 带材表面缺陷检测 板型检测问题11第 一 章 检

3、测技术的基础知识第章检测技术的基本概念1.1 1.1.1 检测系统 检测技术是 以研究自动检测系统中的信息提取 信息转换以及信息处理的理论和技提取 、术为主要内容的 一门应用技术科学 。检测系统由被测量 敏感元件 测量电路 检测系统由被测量 、 敏感元件 、和输出单元构成。13本课程的地位现代信息技术的三大重要支柱发展滞后信息采集传感技术发展滞后信息传输 通信技术信息处理 计算机技术突破性进展14突破性进展112智能检测技术1.1.2 是 门应用科学 研究自动检测系统中的信息提是 一 门应用科学 ，取、信息转换、信息处理的理论和技术。从信息科学角度考察检测技术的 任务 是是 ：寻找与自然信息具

4、有对应关系的种种表现形式信号，及确定两者间定量 /定性关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出所处条件的最为合适的表现形式 ， 以寻求找最佳的采，集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法和相应设备 。15敏感元件 转换元件 信号调理转换电路传感 器辅助电源器被测对象 输出单元自动检测系统激励信号16检测技术的发展在今天信息时代，各种控制系统对自动化程度、复杂性以及环境适应性（如高温、高速、野外、地下、高空等）的要求越来越高，需要获取的信息量也越来越多，它不仅对传感器测量精度 响应速度 可靠性提出了很、 、高的要求，而且需要信号远距离传输。现代检测技术发展总体发展趋势 ： 不断拓展测量范围，努

5、力提高检测精度和可靠性 传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展 重视非接触式检测技术研究 检测系统智能化17113传感器发送器 、 传送器 、 变送器 、 换能器1.1.3 是检测系统的第 一 个重要环节 ；、 、 、个重要环节 ； 是与人的感觉器官相对应的元件； 能够感受规定的被测量并按照 一 定的规律转换成可定的规律转换成可输出信号的器件或装置； 通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成。被测量敏感元件 转换元件 信号调理转换电路输出辅助电源18传感器的数学描述信为 传感 输 为 系数为设测量 信 号 为 x ， 器 输 出 为 y , 比例 k则有： y=kx (理想状态）考虑非线性、

6、零位： y=f(x)设环境因素为 N 则： y=( x , N )由于环境对输出的影响为：NffNxxy+=灵敏度 漂移191.2 传感器的基本特性 在检测系统和控制系统中，要完成对各种参数进行检测和控制 必须要求传感器能够将感受到非，电量的变化不失真的变换成相应的电量。 传感器能否完成不失真的转换，这取决于传感器的基本特性，也就是输入输出特性。 传感器的基本特性是由其内部结构参数所决定的一 种外部特性 ，通 常 可 分 为 静 态 特性 和 动 态 特性 。常分 静特性 动特性201.2.1 传感器静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，系统的输出与输入之间的关系。 灵敏度

7、、 线性度 、 迟滞 、 重复性 、 稳定、 、 、 、性211）灵敏度 灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电学量 ） 对输入量 （一 般为非电学量 ） 敏感程度的特性参数。 其定义为 : 传感器输出量的变化值与相应 的被测量（输入量）的变化值之比 , 用公式表示为yk=x221）灵敏度 对于线性传感器，灵敏度就是传感器静态特性的斜率 即 为常， 即 k=y/x数，而对于非线性传感言 其度器而 言 ， 其 灵敏 度 为一变量，可用 k=dy/dx表示示 。 传感器的灵敏度如图所示。人们一般希望传感器的灵敏度较高，在量23程范围内为线性。2）线性度理想的传感器输出与输入呈线性关系。线性度定义为

8、传感器的输 : 出 输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比 , 称为该传感器的线性度或称 “ 非非线性误差 ”。 通常用相对误差 表示其大小 ：%100max=LYL24FS 理论线性度 : 拟合直线为理论直线 , 通常以 0%作为直线起始点 , 满量程输出 100%作为终止点。 端基线性度 : 以校准曲线的零点输出和满量程输出值连成的直线为拟合直线。 独立线性度 : 作两条与端基直线平行的直线 使之 , 恰好包围所有的标定点 , 以与二直线等距离的直线作为拟合直线 。 最小二乘法线性度 : 以最小二乘法拟合的直线为拟合直线 。253）迟滞 输入逐渐增加到某一值 , 与

9、输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等 , 叫迟滞现象。迟滞差表示这种不相等的程度。 其值以满量程的输出YFS的百分数表示。%100maxH=FSHY264）重复性 重复性是指传感器在相同工作条件下，输入量沿同一方向变化时，在全量程范围内连续多次测量，所得到各特性曲线不一致程度。R%100max=FSRY275）稳定性 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。 理想的情况是 , 不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化 。 实际上 , 随着时间的推移 , 大多数传感器的特性会改变 这是因为传感元件或构成传感器。的部件的特性随时间发生变化 , 产生的这种变化现象也叫漂移

10、 。281.2.2 传感器动态特性 动态特性就是描述传感器随时间变化对输入量的响应特性情况，反映输出值真实再现变化着的输 入 量的能力 。量的能力 响应特性即动态特性 , 是传感器的重要特性之一 。291）瞬态响应特性在时域研究传感器瞬态响应特性时 般采用 ，一的激励信号是阶跃函数信号。 理论上阶跃信号的大小不对过渡过程产生影响，但实验时应保持阶跃信号的幅值在传感器输入信号的线性范围内 。（ 1）一阶传感器的单位阶跃响应设 x（ t） 和 y（ t） 分别为传感器的输入量和输出量 ， 均为时间的函数 ， 则传感器的传递函数为量 ， ，( )()( )ksYsH =301ssX + 时间常数 具

11、有时间的量纲 反映传感器惯性大，小， k为静态灵敏度。在线性传感器中 k为常数，在进行动态分析时 k只是一个倍数关系 因， ， 因此，为方便起见，在讨论时设 k=1。当传感器的初始状态为零 输入为单位阶跃信 、号时， X(s)=1/s，传感器输出的拉氏变换为s11s1H(s)X(s)Y(s) += 则一阶传感器的单位阶跃响应为 t1 e)s(YL)t(y= 131 由图可见一阶传感器响应特性为 一 阶惯性环节 ，阶惯性环节 ，响应曲线不是立即反映输入的变化，而是按斜率为 1/的指数规律上升 ，最终到达稳态之。 理论上 t趋于无穷时传感器的响应才能达到稳态值 。 一般认为 t=（ 34） 时传感

12、器的响应已达到稳态态 。32阶传感器的单位阶跃响应特点一 一阶传感器的时间常数 越小，响应速度越快，响应曲线越接近输入的阶跃曲线，动态误 差 越小 。越小 因此， 一阶传感器的时间常数 越小越好。33（ 2）二阶传感器的单位阶跃响应 设传感器静态灵敏度 k=1，二阶传感器的传递函数为( )( )2sYH式中 为传感器的固有频率 为传感器的阻()2n2nns2ssXs +=，n，尼比。对于初始状态为零的传感器 当输入为单位阶跃 ，信号时， X(s)=1/s，传感器输出的拉氏变换为2)s2s(s)s(X)s(H)s(Y2nn2n+=34 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比 和固有频

13、率n。固有频率 n由传感器主要结构参数所决定 , n越高 , 传感器的响应越快。当 为常数时 传感器的 当 n, 响应取决于阻尼比 。阻尼比 直接影响超调量和振荡次数。35 =0, 为无阻尼 , 超调量为100% 产生等幅振荡 达不到, , 稳态。 1, 为过阻尼 , 无超调也无振荡 但达到稳态所需时间较长荡 , 。 1 H(j )=1/j 系统相当于一当 , ,个积分器。其中 A()几乎与激励频率成反比 ， 相位滞后近 90o 。， 。*减小 可改善传感器的频率特性 *39（ 2）二阶传感器的频率响应2() ()222)(njjjHnn+=()2221)(= jHA幅频特性：21+nn()2

14、2arctan)(=njH相频特性：1n()( )由相频取决于阻尼比值开始衰减至零，有无峰由时，从当010 A40。由，41 传感器的频率响应特性的好坏主要取决于传感器的固有频率 n和阻尼比 。 当 n时， A()1， () 0，此时，传感器的输出 y(t)再现了输入 x(t)的波形。 当 = n时， A()=1/2， () -/2，幅频特性受阻尼比 影响极大，当 过小时系统将产生共振 在实际测量时应避免这种情况振 。 。 当 n时， A()0， () -，输出信号与输入信号反向 。 通常情况下被测信号频率 应在固有频率n的 1/3 1/5 以下 , 即 (1/3 1/5) n4213测量概述

15、1.3 在工业生产以及工程检测中，为了完成对各种工程测量参数的检测与控制，首先需要通过传感器将工程测量参数（非电量）转化成便于传输的电信号。这些众多的工程测量参数有 温度、压力、流量 位移 速度 磁场 等、 、 、 等 。43常见工程测量 （ 非电量 ） 量（ ） 量物理量名称 常用符号 单位名称 单位符号 备注力 F 牛【顿】 N 基本物理量， 1 N=1 kgm/s2压力 p 帕【斯卡】 Pa 垂直作用在单位面积上的力， 1 Pa=1 N/m2长度 L 米 m 基本物理量速度 v 米每秒 m/s 表示物体运动的快慢程度加速度 a 米每二次方秒 m/s2速度变化量与发生这一变化所用时间的比值角速度 弧度每秒 rad/s 连接运动质点和圆心的半径在单位时间内转过的弧度转速 n 转每