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自动检测与转换技术物理及电子工程学院杨恒Tel:15086622232Email:shanksyoung@gmail.com课程介绍自动检测与转化技术39学时（第1—13周）1J204周一第七八节1J406周四第一二节（单周）成绩产生方法:平时成绩30%(出勤、课堂问答及课后作业等)中期课程设计20%(关于传感器的课程设计，题目类型不限)期末考试50%自动检测与转换技术（也叫传感器技术）是一门以研究检测系统中信息提取、转换及处理的理论和技术为主要内容的应用技术学科。检测技术的基础知识“电五官”人体与传感测量控制系统的对应关系检测技术的基础知识5自动检测系统与人体信息测控过程的比较人眼——传感器大脑——计算机人手——执行机构检测技术的基础知识2019/12/176检测技术1、检测(Detection)：就是对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处理，即利用各种物理效应，将物质世界的有关信息通过检查与测量的方法赋予定量或定性结果的过程。例如生产设备外壳是否带电？例如工业熔炉内的温度是多少？检测技术的基础知识2019/12/177例：曹冲称象方法：比较法；装置：船、石头、秤；检查、测量，从而得到：定性、定量的结果。检测技术的基础知识2019/12/1782、检测技术：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术为主要内容的一门应用技术学科。信息采集：指从自然界诸多被测量（物理量、化学量、生物量与社会量等）中提取有用的信息。信息变换：指将所提取出的有用信息进行电量形式的幅值、功率等的转换。信息处理：将变换后的电信号进行数值运算（求均值、极值等）、模拟量-数字量变换等处理。信息传输：在排除干扰的情况下，经济地、准确无误地把信息进行远、近距离的传递。检测技术的基础知识2019/12/179检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。检测技术的基础知识测量的基本概念•1．电测法和非电测法•电测方法是指在检测回路中含有测量信息的电信号转换环节，可以将被测的非电量转换为电信号输出。除电测法以外的测量方法都属于非电测法。•2．直接测量和间接测量•直接测量就是用预先标定好的测量仪表直接读取被测量的测量结果。间接测量需利用被测量与某中间量的函数关系，先测出中间量，再通过相应的函数关系计算出被测量的数值，过程较为复杂。•3．静态测量和动态测量•根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。静态测量是测量那些不随时间变化或变化很缓慢的物理量；动态测量则是测量那些随时间而变化的物理量。•4．接触式测量和非接触式测量•根据测量时是否与被测对象相互接触而划分为接触式测量和非接触式测量。测量的基本概念•5．模拟式测量和数字式测量•根据测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。模拟式测量是指测量结果可根据仪表指针在标尺上的定位进行连续读取的方法；数字式测量是指测量结果以数字的形式直接给出的方法。测量的基本概念测量误差及其分类•1.3.1测量误差及其表示方法•在一定条件下被测物理量客观存在的实际值称为真值。真值是一个理想概念。测量值与真值之间的差值称为测量误差。测量误差可用绝对误差表示、相对误差和引用误差表示。•1．绝对误差•绝对误差是指测量值与真值之间的差值，即•由于真值的不可知性，在实际应用时，常用实际真值代替，即用被测量多次测量的平均值或上一级标准仪器测得的示值作为实际真值，故有•绝对误差是一个有符号、大小、量纲的物理量，它只表示测量值与真值之间的偏离程度和方向，而不能说明测量质量的好坏。•2．相对误差•相对误差常用百分比的形式来表示，一般多取正值。•（1）实际相对误差r：是用测量值的绝对误差△r与其实际真值L的百分比来表示的相对误差，即•（2）示值（标称）相对误差：是用测量值的绝对误差△x与测量值x的百分比来表示的相对误差，即•（3）引用（相对）误差：是指测量值的绝对误差△x与仪器的量程Am的百分比。引用误差的最大值叫做最大引用（相对）误差，即测量误差及其分类•【例1.1】某温度计的量程范围为0～500℃，校验时该表的最大绝对误差为6℃，试确定该仪表的精度等级。•解：根据题意知•从表1.1中可知，该温度计的基本误差介于1.0%～1.5%，因此该表的精度等级应定为1.5级。||6=100%=100%=1.2%A500mmmx测量误差及其分类•【例1.2】现有0.5级的0～300℃和1.0级的0～100℃的两个温度计，欲测量80℃的温度，试问选用哪一个温度计好？为什么？•解：0.5级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量80℃可能出现的最大示值相对误差分别为•1.0级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量80℃时可能出现的最大示值相对误差分别为111||==0.5%3000=1.5mmmx()11||1.5=100%=100%=1.875%80mxxx测量误差及其分类222||==1.0%1000=1mmmx()22||1=100%=100%=1.25%80mxxx计算结果，显然用1.0级温度计比0.5级温度计测量时，示值相对误差反而小。因此在选用仪表时，不能单纯追求高精度，而是应兼顾精度等级和量程，最好使测量值落在仪表满度值的2/3以上区域内。12xx测量误差及其分类•1.3.2测量误差的分类•1．按误差表现的规律划分•（1）系统误差。对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。系统误差主要是由于测量系统本身不完备或者环境条件的变迁造成的。•系统误差反映了测量值偏离真值的程度，可用”正确度”一词表征。•（2）随机误差。对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。•随机误差是由很多复杂因素的微小变化引起的，反映了测量结果的”精密度”，即各个测量值之间相互接近的程度。测量误差及其分类•对随机误差的某个单值来说，是没有规律、不可预料的，但从多次测量的总体上看，随机误差大多数服从正态分布规律。图1.1随机误差的正态分布曲线测量误差及其分类•（1）对称性：绝对值相等的正、负误差出现的机率大致相等。•（2）单峰性：绝对值越小的误差在测量中出现的概率越大。•（3）有界性：在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的界限。•（4）抵偿性：在相同的测量条件下，当测量次数增加时，随机误差的算术平均值趋向于零。•应该指出，在任何一次测量中，系统误差和随机误差一般都是同时存在的，而且两者之间并不存在绝对的界限。测量误差及其分类•（3）粗大误差。测量结果明显地偏离其实际值所对应的误差，称为粗大误差或疏忽误差，又叫过失误差。含有粗大误差的测量值称为坏值。•产生粗大误差的原因有操作者的失误、使用有缺陷的仪器、实验条件的突变等。•（4）缓变误差。数值随时间而缓慢变化的误差称为缓变误差。•缓变误差产生的原因主要是测量仪表零件的老化、失效、变形等原因造成的。这种误差在短时间内不易察觉，但在较长的时间后会显露出来。测量误差及其分类•2．按被测量与时间关系划分•（1）静态误差。被测量稳定不变时所产生的测量误差称为静态误差。•（2）动态误差。被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上却跟不上输入的变化，这时所产生的误差称为动态误差。测量误差及其分类23神舟六号回收过程中的：检测技术控制技术检测技术的常见应用2019/12/1724检测技术在卫星中的应用红外扫描区域人造卫星检测技术的常见应用2019/12/1725、检测技术在海啸预报中的应用海浪振动检测系统浮标深海地沟检测技术的常见应用2019/12/1726第一章检测技术的基础知识四川地震中的生命探测仪及其使用2019/12/1727检测技术的常见应用2019/12/1728智能电子警察监测系统检测技术的常见应用2019/12/1729检测技术的常见应用2019/12/1730自动收费系统检测技术的常见应用实现自动检测与转换的核心元件——传感器（sensor）Asensor(alsocalleddetector)isaconverterthatmeasuresaphysicalquantityandconvertsitintoasignalwhichcanbereadbyanobserverorbyan(todaymostlyelectronic)instrument.——(M.KretschmarandS.Welsby(2005),CapacitiveandInductiveDisplacementSensors,inSensorTechnologyHandbook,J.Wilsoneditor,Newnes:Burlington,MA.)传感器及其基本特性•1．传感器•传感器是能够感觉外界信息，并能按一定规律将这些信息转换成可用的输出信号的器件或装置。这一概念包含了下面3方面的含义：•（1）传感器是一种能够完成提取外界信息任务的装置。•（2）传感器的输入量通常指非电量，如物理量、化学量、生物量等；而输出量是便于传输、转换、处理、显示等的物理量，主要是电量信号。•（3）传感器的输出量与输入量之间精确地保持一定规律。•2．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三部分组成，如图所示。传感器组成框图传感器及其基本特性•1.4.2传感器的分类•1．按被测物理量分类•按被测物理量可分为温度、压力、流量、物位、位移、加速度、磁场、光通量等传感器。•2．按传感器工作原理分类•按工作原理可分为电阻传感器、热敏传感器、光敏传感器、电容传感器、电感传感器、磁电传感器等。•3．按传感器转换能量供给形式分类•按转换能量供给形式分为能量变换型（发电型）和能量控制型（参量型）两种。•4．按传感器工作机理分类•按工作机理可分为结构型传感器和物性型传感器。传感器及其基本特性•1.4.3传感器的基本特性•传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系。不随时间的变化而变化（或变化极其缓慢）的称为静态特性；随时间的变化而变化的称为动态特性。这里主要研究静态特性的指标。•衡量静态特性的主要指标有：精确度、稳定性、灵敏度、线性度、迟滞和可靠性等。传感器及其基本特性•（1）精确度。精确度是反映测量系统中系统误差和随机误差的综合评定指标。与精确度有关的指标有精密度、准确度和精确度。•（2）稳定性。传感器的稳定性常用稳定度和影响系数表示。•（3）灵敏度。灵敏度S是指传感器在稳态下输出变化量与输入变化量的比值，即•（4）线性度。线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与其理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比，即d=dyySxx»DDLmaxLFS=100%y传感器及其基本特性•（5）迟滞。迟滞是指传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输出曲线不重合的现象，如图1.6所示。•（6）可靠性。可靠性是指传感器或检测系统在规定的工作条件和规定的时间内，具有正常工作性能的能力。它是一种综合性的质量指标，包括可靠度、平均无故障工作时间、平均修复时间和失效率。图1.6传感器迟滞示意图传感器及其基本特性•1.44传感器技术的发展趋势•从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首。美国等西方国家也将其列为国家科技和国际技术发展的重点内容。我国从20世纪80年代以来在传感器技术方面取得了很大突破。•目前传感器技术已从单一的物性型传感器进入功能更强大、技术高度集成的新型传感器阶段。新型传感器的开发和应用已成为现代传感器技术