《传感器技术及其应用 第2版 教学课件 ppt 作者 陈黎敏 1 传感器技术基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器技术及其应用 第2版 教学课件 ppt 作者 陈黎敏 1 传感器技术基础（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Technology & Application of Sensor,机械工业出版社,传感器技术及其应用,1仪表技术与传感器 http:/www.i- 2传感器世界 http:/ 3中国传感器 http:/ 4传感器技术 http:/www.sensor- 521IC中国电子网 http:/ 6传感技术学报网 http:/ 7传感器资讯网 http:/,参考网站,传感器原理,检测技术,温度传感器,磁敏传感器,光电传感器,位移传感器,力传感器,电学式传感器,环境量传感器,物位传感器,數字传感器,新型传感器,传感器接口电路,课程主要内容,传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,传感
2、器技术 及其应用,颜色传感器TCS230-DB,人类仿生电子皮肤,乐高机器人,电阻式远传压力表,感应式流量表,称重 传感器,CCD传感器,质子旋进式磁敏传感器,压阻式液位传感器,光敏传感器,温度传感器,风力参数传感器,地震检波器,反射式光敏传感器,磁、气、力敏传感器,超声 传感器,传感器技术的应用,面部识别技术,目 录,第1章 传感器技术基础 第2章 温度传感器 第3章 力传感器 第4章 光电式传感器 第5章 物位传感器 第6章 位移传感器 第7章 环境量检测传感器 第8章 新型传感器 第9章 传感器接口电路及抗干扰技术,第1章 传感器技术基础,1.1 概述 1.2 传感器的基本特性 1.3
3、传感器的测量误差与准确度,世界是由物质组成的，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。传感器是将非电量转换成与非电量有一定关系的电量的器件。自动检测和自动控制系统处理的大都是电量, 需通过传感器对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量。,1.1 概述 1.1.1 自动测控系统自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律进行定性了解和定量掌握以及预期效果控制所从事的一系列的技术措施。自动测控系统通常可分为开环与闭环两种自动测控系统 。,测量电路,传感器,电源,指示仪,记录仪,伺服控制,开环自动测控系统框图,被测量,调节元件,给定元件,信息处理,检测电路,执行元件,传感器,对象,输出,
4、显示,记录,闭环自动测控系统框图,一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。,1.1.2 传感器的定义传感器的定义是：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，通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。,敏感元件,转换元件,辅助电源,接口电路,传感器组成框图,非电物理量,电信号,举例:测量压力的电位器式压力传感器,压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等是敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器。 传感
5、器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的。,传感器技术就是掌握和完善这些转换的方法和手段。涉及：传感器能量转换原理传感器材料选取与制造传感器器件设计传感器开发和应用等多项综合技术,1.1.3 传感器的分类传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种： 一种是按被测输入量来分； 另一种是按传感器的工作原理来分。,1. 按被测量分类这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。这种分类方法把种类繁多的被测量分
6、为：基本被测量和派生被测量两类。,基本被测量和派生被测量,2. 按传感器工作原理分类这一种分类方法是以工作原理划分，将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据。这种分类法：优点是对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。缺点是不便于使用者根据用途选用。,具体划分为： 1. 电学式传感器电学式传感器是应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 2. 磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成。主要用于位移、转矩等参数的测量。,3. 光电式传感器光电式传感器是利用
7、光电器件的光电效应和光学原理而制成。主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4. 电动势型传感器电动势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍耳效应等原理而制成。主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。,5. 电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理而制成。 主要用于力及加速度的测量。 6. 半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理而制成。主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。,7. 谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理而制成。主要用来测量压力。 8. 电化
8、学式传感器电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成，可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、级譜式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、溶于液体的固体成分、液体酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。,还有：按能量的关系分类，即将传感器分为有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。数字式传感器输出为数字量，便于与计算机联用，且抗干扰性较强，例如：盘式角度数字传感器，光栅传感器等。,1.2 传感器的基本特性传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。 1.2.1 静态特性 1. 线性度线性度是
9、传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。,传感器的线性度(a) 端基线性度 (b)平均选点线性度 (c)最小二乘法线性度,常用的计算线性度的方法有：理论直线法、端点线法、割线法、最小二乘法和计算程序法等。 2. 灵敏度灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。,传感器的灵敏度 （a）线性测量系统 (b)非线性测量系统,3. 迟滞现象传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。,1反向特性 2正向特性 传感器迟滞特性示意图,4. 重复性重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度
10、。 传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。,传感器的重复性,5. 分辨力传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。 6. 稳定性稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。,7. 漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移
11、又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。,1.2.2 传感器的动态特性在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。,阶跃响应特性给传感器输入一个单位阶跃函数信号：,其输出特性称为阶跃响应特性。,传感器阶跃响应特性,(1)时间常数,(2)上升时间,(3)响应时间,(4)超调量,(5) 延迟时间,(6) 衰减度,衡量阶跃响应
12、的几项指标:,1.3传感器的测量误差与准确度,1、测量的方法及分类,静态测量,对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。,最高、最低 温度计,静态测量,动态测量,地震测量 振动波形,便携式仪表,可以显示波形的手持示波器,直接测量,电子卡尺,间接测量,对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。,接触式测量,非接触式测量,车载电子警察,例：雷达测速,离线测量,产品质量检验,在线测量,在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。,2、测量误差及分类,绝对误差：=Ax0,某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，
13、但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？,相对误差及精度等级,几个重要公式：,示值相对误差,满度相对误差,准确度(精度),仪表的准确度等级和基本误差,例：某指针式电压表的准确度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的最大满度相对误差为2.5% 。,某公司生产测量温度的仪表，满度误差均在1.11.6之间，该系列产品属于哪一级温度表？,某车间希望测量温度的仪表满度相对误差控制在1.11.6之间，应购买哪一级温度表？,例：某指针式万用表的面板如图所示，问：用它来测量直流、交流（）电压时，可能产生的满度相对误差分别为多少？,例：用指针式万用表的10V量程测量一只1.5V干电池的电压，示值如图所示，
14、问：选择该量程合理吗？,用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？,误差产生的因素：1.粗大误差,明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。,产生粗大误差的一个例子,在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通
15、过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,2.系统误差：,夏天摆钟变慢的 原因是什么？,3.随机误差,测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。也可以采用如下的表达：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。 存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。,随机误差的正态分布规律,长度相对测量值,次数统计,随机误差的正态分布规律,长度相对测量值,次数统计,随机事例的几个例子,彩票摇奖,4.动态误差,由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差,当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。,1）集中性： 大量的测量值集中分布于算术平均值附近。,随机误差的正态分布规律,2）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。,）有界性：在一定的条件下，测量值有一定的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，即出现绝对误差很大的情况很少 。粗大误差的测量值应予以剔除。,
