传感与感测技术PPT教案课件-第一章 概论

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1、传感与感测技术杨媛媛课程简介u 性质 专业必修课u 任务 本课程旨在介绍各种现代传感器及检测技术，以及如何正确的获取各种信息 ，解决工程、生产和科研中遇到的各种具体的检测问题。u 教学内容 介绍测量及误差、误差分析与处理；介绍各种传感器的基本原理、基本特性 和应用实例，以及传感器的信号处理电路；介绍工程检测的基础知识及传感 器在工程检测中的应用。u 基本要求 教学要求学生在学习现代检测技术、电阻应变传感器、电感传感器、压电传 感器、磁电传感器、光电传感器、光纤传感器等的基本原理、基本特性基础 上，能举一反三、触类旁通，基本掌握或了解传感器在工程检测中的应用。2传感器与检测技术第1章 概论l1.

2、1 传感与检测技术基本概念l1.2 传感器的基本性能l1.3 测量误差分析基础上一页返 回下一页3传感器与检测技术上一页下一页返 回1.1 传感与检测技术基本概念 检测技术的概念检测技术是研究自动检测系统中的信息提取、信息转换 及信息处理的理论和技术。从信息科学角度考察，检测技术 任务有：1.寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号;2.确定二者间的定性|定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下 最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、 传输、存储、显示等的方法和相应的设备。4传感器与检测技术上一页下一页返 回自动检测技术的重要性l测试手段就是仪器仪表。 在

3、工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使人 们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测的方 法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速 地测得非电量的技术。l非电量电测量技术优点： 测量精度高、反应速度快（与机械设备相比）、能 自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记 录、可以与计算机联接进行数据处理、可采用微处 理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。5传感器与检测技术一 非电量电测系统的组成及特点图1-1 非电量电测系统结构框图 上一页返 回下一页传感器测量电路终端装置被测量6传感器与检测技术传感器：用来感受被测的非电量,并按一定规律 变换成电信号。不同性质非电信号需要不同类型 传感

4、器，是实现非电信号获取的关键。测量电路：对传感器输出的电信号进行必要的 加工,如信号的放大、整形与滤波、调制与解调等 ，使得被测信号满足终端输出的要求。终端装置：指示仪、记录仪、累加器、报警器 、数据处理电路等。用于被测信号的数据输出， 或记录被测信号的相关波形和数据(图形、图像、 数据等形式的显示)，或进入计算机系统再处理。上一页返 回下一页7传感器与检测技术感测技术：用专用传感器实现非电信号获取的电测 技术。感测技术的优点：l测量灵敏度高，应用范围广；l感测系统结构紧凑，安装调试方便；l测量惯性小，反应速度快，频率特性好；l可进行无接触测量和远程监测，并有较高的测量精 度；l在计算机技术的

5、支持下，具有很高的自动测试程度 ，并向智能化测试方向发展。上一页返 回下一页8传感器与检测技术二 传感器概述传感器定义传感器分类传感器技术的发展上一页下一页返 回9传感器与检测技术传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：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和装置。上一页下一页返 回10传感器与检测技术包含的概念： 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主

6、要是电量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。上一页下一页返 回11传感器与检测技术传感器的组成敏感元件传感器中能直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系 的物理量转换元件传感器中能将敏感元件感受的被测量抟换成适于传输和测 量的电路参量转换电路上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出敏感 元件转换 元件转换 电路被测量电量上一页下一页返 回12传感器与检测技术传感器分类构成原理：结构型:物理学中场的定律 （如电感式、应变式传感器） 物性型:物质定律 （如热敏式、光敏式传感器）能量传递：有源传感器 无源传感器被测物理量： 位移、压力、振动、温度上一页下一页返 回转换原理：应变式、

7、电感式、电容式、 压电式、磁电式13传感器与检测技术传感器技术的发展现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通 信技术和计算机技术, 它们分别完成对被测量的 信息提取、信息传输及信息处理。目前, 信息传 输与处理技术已取得突破性进展, 然而传感器的 发展相对滞后。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, 而且要求信号 远距离传输。上一页下一页返 回14传感器与检测技术重点研究开发方向当前，根据我国的现实国情及信息技术的发展趋 势

8、，传感器技术发展趋势及重点研究开发方向有以下 几点： 新型传感器：是发展高性能、高功能、低成本和小型化传感 器的重要途径。制作此类传感器是利用各种物理、化学效应和 定律。如高灵敏阀传感器，红外传感器，光纤传感器，微生物 传感器，仿生传感器，超声波传感器，半导体固件传感器等。 传感器的集成化：将多个功能相同、功能相近或功能不同 的传感器件集成到一个传感器上，实现传感器的小型化。如机 器人。 智能传感器：是当代高科技研究的热点，是一种带微处理器 的传感器，它兼有信息检测、存储和处理功能，并能通过软件 对传感器内部行为进行调理，使传感器工作在最佳状态。上一页下一页返 回15传感器与检测技术检测技术的

9、发展随着世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的 要求越来越高。目前，现代检测技术发展的总趋势大 体有以下几个方面： 1. 不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性 2. 传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展 3. 重视非接触式检测技术研究 4. 检测系统智能化上一页下一页返 回16传感器与检测技术1.1 传感与检测技术基本概念总结通过本章节的学习，帮助我们了解什么叫自动检测，它是一门完善的、独立的技术性学科，包含信号获取、处理、传输、显示、计算等各种技术，是基础科学、电子技术、通讯技术等学科的体现和应用。同时，它又是各种材料科学、传感器加工工艺等各方面知识综合。通过后续章节的学习，可以

10、不断进行深化，并对一些基础学科进行进一步加深。当前检测技术是各种监测、生产系统中必不可少的组成部分。没有检测技术的不断发展，就不会有各种自动化系统的发展，因为各种自动化系统必须通过传感器了解当前的各种状态，再进行处理。只有检测信号的获取，控制系统才有了工作方向，是个很重要的技术学科。17传感器与检测技术1.2 传感器的基本性能学习任务：了解什么是传感器的静态特性、动态特性及其数学表达式表达方法，掌握传感器装置的静态特性指标、动态特性及仪表等级精度的概念，并能依此适当选择测量仪器，并对传感器的标定方法有一定的了解。上一页下一页返 回18传感器与检测技术1.2 传感器的基本性能1.2.1 传感器的

11、静态特性1.2.2 传感器的动态特性1.2.3 传感器的标定上一页下一页返 回19传感器与检测技术传感器的基本特性传感器是一个二端口装置，传感器的基本特性指 的是其端口输入信号与输出信号对应关系的特性。上一页下一页返 回20传感器与检测技术1.2.1 传感器的静态特性静态特性：在稳态信号作用下，传感器输出量与输 入量之间的关系特性。上一页下一页返 回21传感器与检测技术静态特性指标一、线性度二、灵敏度三、迟滞性四、重复性五、精度六、温漂上一页下一页返 回22传感器与检测技术1、线性度输 出 量输 入 量零点输出理论灵敏度非线性项系数上一页下一页返 回定义：线性度是指传感器输出量与输入量之间关系

12、的线性程度。理想传感器的输出与输入关系特性是线性的，而各种实际的 传感器输出与输入关系为非线性。用下式表示：23传感器与检测技术1、线性度上一页下一页返 回（a）理想线性特性：a0a2=a3=an=0 y=a1x24传感器与检测技术1、线性度上一页下一页返 回（b）仅有偶次非线性项：y=a2x2 a4x4+特性曲线可取的线性范围很小，传感器设计应 尽量避免出现这种特性。25传感器与检测技术1、线性度上一页下一页返 回（c）仅有奇次非线性项：y=a1x+a3x3 a5x5+特性曲线以坐标原点对称，可获得较大的线性 范围。26传感器与检测技术1、线性度上一页下一页返 回差动传感器：y1=a1x+a

13、2x2+anxny2=-a1x+a2x2-a3x3+(-1)nanxny=y1-y2=2(a1x+a3x3+a5x5+)结论：差动传感器可使线性得到改善，同时使 输出量放大一倍。27传感器与检测技术线性化上一页下一页返 回为了标定和数据处理的方便，在使用传感器时，对于非 线性程度不大的传感器，通常用割线或切线等直线来近似的 代表实际曲线的一段，称之为传感器非线性的线性化。即：用线性函数近似表达非线性函数。28传感器与检测技术线性化端点连线法：把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xymax上一页下一页返 回yFSxm1= max/yFS100其中： 1 非线性误差，即线性度max最大非线性绝对误差

14、yFS满量程输出量此公式对最小二乘法等其他拟合方法 的线性度计算同样适用结论：端点连线法主要考虑起点和终点值的精确，与其它点关系不大，简单 、快速、明了，但误差较大。29传感器与检测技术2、灵敏度上一页下一页返 回定义：灵敏度是指传感器在稳态下输出增量对输入量之比值。对于线性传感器测量系统，其灵敏度就是拟合直线的斜率，即 K=y / x 为常数；对于非线性传感器测量系统，其灵敏度不是常数，为Kd =dy / dx一般都希望传感器有较高灵敏度，且在满量程范围内恒定不变，即传感器的输出、输入特性为直线。实际上一般都不是 常量，随工作区间、工作点、电源电压等变化。30传感器与检测技术表征传感器对输入

15、量变化的反应能力(a) 线性传感器 (b) 非线性传感器传感器的灵敏度 上一页下一页返 回31传感器与检测技术3、迟滞性正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入 曲线不重合的程度m正反行程间输出的最大差值。 迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差表示检测回 程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感 器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。上一页下一页返 回物理意义：反映了传感器装置机械结构上的缺陷问题，例如机 械摩擦，间隙、松动等因素，如弹簧的弹性迟滞。如果t 精度或线性度，则此仪表不可用，报废。32传感器与检测技术迟滞特性xHmaxY上一页下一页返 回yFS33传感器与检测技术4、重复性传感器在输入量按同一方向全量程连续多次测 试时所得特性曲线不一致的程度，是反映传感器 精密度的一个指标。正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差取较大者为上一页下一页返 回34传感器与检测技术重复特性xRmax1Rmax2y上一页下一页返 回35传感器与检测技术5、精度反映传感器系统误差和随机误差的综合误差指 标，即准确度和精密度的综合偏差程度。上一页下一页返 回准确度：表示测量结果偏离真值大小的 程度，对应系统误差的概念。精密度：表示测量结果的分散性，对应 随机误差的概念。36传感器与检