传感器与检测技术（第2版）李增国主编+绪论和第一章

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1、传感器与检测技术（第2版）,教材和课程安排,课程安排 讲 课 26 课时 习题课 2 学时 实验课 4 学时 总 计 32 学时,目 录,0 绪论 1 传感器简论 2 传感器测量电路 3 电阻式传感器 4 电容式传感器 5 电感式传感器 6 压电式传感器,7 霍尔式传感器 8 热电偶传感器 9 光电式传感器 10 数字式传感器 11 新型传感器 12 传感器实验,0.1 传感器技术的由来、现状与发展,0.2 传感器技术的基本概念,0.3 课程性质及主要任务,第0章 绪 论,0.1 传感器技术的由来、现状与发展,0.2 传感器技术的基本概念,0.3 课程性质及主要任务,第0章 绪 论,传感器技术

2、的发展过程,传感器由探头技术发展而来，发展过程大体可分为以下三代: 第一代是结构型传感器，它利用结构参量的变化来感受和转化信号。 第二代是20世纪70年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料的某些特性制成的。 第三代传感器是近年来刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。,眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 口（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,人体系统和机器系统比较,传感器技术现状,人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给

3、肌体。 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 因此，传感器又被人们称之为“电五官”。,传感器技术现状,集成化,数字化,微型化,智能化,仿生化,传感器技术的发展方向,传感器的发展趋势将向以下五个方面突破：,0.1 传感器技术的由来、现状与发展,0.3 课程性质及主要任务,第0章 绪 论,0.2 传感技术的基本概念,传感技术的基本概念,传感器技术以传感器为核心，涉及传感器原理、传感器件设计、传感器件开发与应用的一门综合技术。,0.1 传感器技术的由来、现状与发展,0.2 传感器技术的基本概念,0.3 课程性质及主要任务,第0章 绪 论,课程

4、性质及主要任务,传感器应用现状-日常生活,传感器应用现状-工业生产,纸 品,传感器应用现状-医疗诊断,传感器应用现状-智能建筑,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,传感器应用现状-军事,美军研制的未来单 兵作战武器-OICW,美国国家导弹防御计划-NMD,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学等。,神州九号飞船：,185台（套） 仪器装置,传感器应用现状-航空航天,火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹 飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,1.1 传感器的基本概念（重点）,1.2 传感器的组成与分类,1.3 传感器的基本特性,第1章 传感器简论,1.2.

5、1 传感器的组成（重点）,1.2.2 传感器的分类,1.3.1 传感器的静态特性（重点、难点）,1.3.2 传感器的动态特性（难点）,1.1 传感器的基本概念,1.2 传感器的组成与分类,1.3 传感器的基本特性,第1章 传感器简论, 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，被测量绝大部分为非电量，常见的非电量有位移、力、速度、温度、液位和浓度等。 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，这种量通常是电量； 它的输出与输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,传感器的基本概念,传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的

6、规律转换成可用输出信号的器件和装置。,传感器应用实例:液位检测系统,传感器的基本概念,被测量：液位高度 （非电量）,输出量：指针偏转程度（电量）,测量装置：传感器,1.1 传感器的基本概念,1.2 传感器的组成与分类,1.3 传感器的基本特性,第1章 传感器简论,1.2.1 传感器的组成,传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路3大部分组成。但有部分传感器将辅助电源作为其组成部分。,图1-1 传感器组成框图,直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他物理量的元件。,将敏感元件的输出量转换成适用于传输或测量的电量后再输出。,将转换元件输出的电参量转换成电压、电流或频率量的电路。,用于提供传感

7、器正常工作能源的电源。,例：测定油箱内油面高度 R是滑动变阻器，它的金属滑片是杠杆的一端，R是定值电阻，油量表（由电压表改装而成）。油面浮标上升时，油量表示数变大；反之，油量表示数变小。,敏感元件,转换元件,转换电路,辅助电源,1.2.1 传感器的组成,1.2.2 传感器的分类,传感器的分类,按工作原理分类,按被测量性质分类,按输出量种类分类,按结构分类,参量传感器,发电传感器,特殊传感器,机械量传感器,热工量传感器,成分量传感器,状态量传感器,探伤传感器,模拟传感器,数字传感器,直接传感器,差分传感器,补偿传感器,1.1 传感器的基本概念,1.2 传感器的组成与分类,1.3 传感器的基本特性

8、,第1章 传感器简论,在科学实验、生产过程及自动化设备工作中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并不失真地变换成相应的电量这取决于传感器的基本特性。 传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性,传感器的基本特性,传感器的静态特性,静态特性是指被测量为静态信号时，传感器输出量（y）和输入量（x）之间的关系。,灵敏度,分辨力,线性度,稳定度,电磁兼容性,可靠性,重复性,迟滞,传感器的静态特性-灵敏度,图1-2 传感器灵敏度,线性传感器，灵敏度为常量,非线性传感器，灵敏度为变量,灵敏度（S） 传感器输出量增量y与被测量增量x的比值，即S = y/x。它是输出 输入特

9、性曲线的斜率。,传感器的静态特性分辨力,分辨力 传感器在规定测量范围内检测被测量的最小变化量的能力。,例如：用满量程为20kg的机械磅秤称葡萄。指示值 为1kg。如果加一颗葡萄（假设每个10克），指针不会动；加两颗，还没动静；当加第三颗时，指针动了。那么，这台机械磅秤的分辨力为30g。 那么这台磅秤的分辨率为30g/20kg=0.15%。,分辨率 将分辨力除以仪表的满度量程就是仪表的分辨率。,传感器的静态特性-线性度,线性度是指？（输出与输入之间数量关系对于理想线性的偏离程度）,关于拟合:直线拟合线性化 线性度,图1-3 传感器理想特性图,传感器的静态特性稳定度,稳定度 在所有测量条件都恒定不

10、变的情况下，传感器输出在规定的时间内能维持其示值不变的能力 。,传感器的静态特性电磁兼容性,电磁兼容 传感器在规定的电磁干扰环境中能正常工作的能力，且不向其他设备释放超过允许范围的电磁干扰。,可靠性 在传感器正常工作时由平均无故障时间来体现，在传感器出现故障时由平均故障修复时间来体现。,传感器的静态特性可靠性,图1-5 故障率变化的曲线,传感器的静态特性重复性,重复性 传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。,ymax为ymax1和ymax2这两个偏差中的较大者。,重复性,传感器的静态特性迟滞,迟滞 传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程中，输入和

11、输出特性曲线不一致的程度。,产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等。,传感器的动态特性,传感器的动态特性是指在输入发生变化时的输出特性，即输出对输入变化的动态跟随能力。,传感器的动态特性，常用阶跃响应和频率响应来表示。,阶跃响应,按照阶跃状态变化输入的响应被称之为阶跃响应。,图1-7 阶跃信号图,图1-8 阶跃响应曲线图,阶跃响应,图1-8 阶跃响应曲线图,阶跃响应的六个主要参数： （1）时间常数（T）； （2）上升时间（tr）； （3）响应时间 （ts）； （4）超调量（）； （5）振动次数（N）； （6）稳态误差（es)。,频率响应,传感量对正弦输入信号的响应特征，称为频率响应特性。,频率响应特性指标 ： (1)频带传感器增益保持在一定值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T来表征一阶传感器的动态特性。T越小，频带越宽。 (3)二阶传感器的固有频率表征了其动态特性。,一阶传感器的频率特性,频率响应,回顾,绪 论,传感器技术的由来、现状与发展,传感器技术的基本概念,课程性质及主要任务,传感器简论,传感器的基本概念,传感器的组成与分类,传感器的基本特性,作业,课本第8页的第1题、2题和5题,谢 谢！,