第一章传感器概论

传感器与检测技术E_mail:[e-mail]主讲人：姚兰本课程的内容与要求￭阐述传感器与检测技术的基本知识，常用传感器的工作原理、基本结构、主要性能、测量电路和应用方法，介绍检测系统中的信号处理、干扰抑制技术和若干新型传感器。￭掌握经典传感器的转换原理、基本特性、信号调节电路和设计原理，最终具备结合工程应用组建自动检测系统的能力。本课程的考核方法与教材●期末考试成绩占80%，平时作业、考勤和实验占20%。●教材：《传感器原理及应用》王化祥编著天津大学出版社。●参考书：1.《感测技术基础》（第二版）电子工业出版社孙传友、孙晓斌编著2.《传感器与信号调理》（第二版）清华大学版出版社，阿雷尼，韦伯斯特编著，张伦译。课程内容1.绪论2.电阻式传感器3.变阻抗式传感器4.光电式传感器5.电动势式传感器6.温度检测7.流量检测8.成分检测9.新技术发展基本概念、特性和标定经典传感器常用检测技术未来传感器的发展第一章绪论教学目标：1.基本知识:概念，结构，发展；2.误差分析和数据处理；3.传感器静态特性和标定方法。绪论为了了解生活，生产和科研等方面的情况，利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，对周围环境进行定性或定量掌握的一系列技术措施。什么是传感器技术？技术措施包含哪些方面？对现场信号获取，信号的转换、放大、处理、传输以及显示等。思考：传感器的作用？一、传感器的地位和作用第一节自动检测技术概述传感器是获取信息的主要途径与手段，它在工业生产中起工业耳目的作用。传感技术与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。传感技术主要负责信息采集，是三大支柱的基础。绪论什么是传感器？航天农业交通医学绪论检测技术的应用检测技术的应用绪论微波检测器流程工业设备运行状态监控在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。海浪振动检测系统浮标深海地沟家庭与办公自动化中的应用全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器PC机中的传感器绪论二、自动检测系统的组成自动检测技术系统原理框图能将温度转换为电压的传感器—热电偶①传感器：能将被测的非电量变换成电量的器件。②信号处理电路•功能：主要是将多种传感器的输出信号进行放大，转换成易于接受、显示、传输、控制的各种电压、电流信号。•方法：通常有各种交、直流电桥，阻抗匹配，放大电路、检波、整流，A/D,D/A等各种电子线路。③常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。特点：直观数字式仪表特点：准确，但最后一位经常跳动不止。热敏电阻LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高，但不利于夜间观察。LED、LCD的特点：图像显示特点——能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。示波器记录仪主要用来记录被检测对象的动态变化过程。数据处理装置主要是指计算机，将复杂的系统用到频谱分析仪。执行机构继电器插座是指各种继电器，电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。电磁阀门的控制线圈加上额定电压后，电磁阀门导通，被控对象可以是液体或气体。电磁阀门电磁阀门只有通断两种状态。流体三、检测技术的特点一般被测量（非电量）最终通过各种电力测量手段转换成易于接受、显示、传输和利用的电信号，其优点在于：•能连续自动对被测量进行测量、记录；•电子装置精度好、响应快，能测各种静态、动态和瞬态信号；•电信号便于远距离传输和集中控制；•能方便与计算机连接，形成完善的计算机系统；1.提高性能2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域3.发展集成化、功能化的传感器4.采用计算机技术，使检测技术智能化5.发展网络化传感器及检测系统四、检测技术的发展趋势1.提高测量精度[数字电压、欧姆表]将量程切换到2V时，最小显示值为1μV2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域月球车3.发展集成化、功能化的传感器可拍照的手机4.采用计算机技术，使检测技术智能化面部识别技术5.发展网络化传感器及检测系统第二节传感器的概述国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感（检测）原理：传感器工作时所依据的物理效应、化学反应、生物反应等机理。绪论一、传感器的定义①传感器是测量装置，是完成检测任务所需要的；②输入量是某一被测量，可以是物理量(也可以是化学量、生物量等)；③输出量是某种物理量（便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量），主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。DRYB-5-A型力传感器二、传感器的组成敏感元件转换元件测量电路被测量电量敏感元件:如力型传感器的弹性元件将力变转为应变（物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力）。转换元件：如力型传感器的电阻应变计将机械应变转变为电阻变化量。测量电路：如力型传感器由电阻应变计组成的电桥和放大电路，输出电压或电流信号。绪论电参数按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩三、传感器的分类能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,光电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.按与被测对象之间的能量关系:热电偶按信号变换特征:物性型:依靠元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.绪论第三节测量误差与数据处理正确认识误差的性质，分析误差产生的原因从根本上，消除或减小误差正确处理测量和实验数据，合理计算所得结果通过计算得到更接近真值的数据正确组织实验过程，合理设计、选用仪器或测量方法根据目标确定最佳系统研究误差的意义误差测得值真值＝－真值：观测一个量时，该量本身所具有的真实大小。分类：理论值：如，三角形内角之和恒为180º；约定真值：如，国际千克基准1Kg。1.测量的定义通过实验装置（仪器）对被测量进行确定量值的一组操作。2.测量的方法：直接式,间接式3.误差的定义一、误差的基本概念误差绝对误差相对误差粗大误差系统误差随机误差表示形式性质特点◆绝对误差（AbsoluteError）测得值被测量的真值，常用约定真值代替绝对误差特点：1)绝对误差是一个具有确定的大小、符号及单位的量。2)单位给出了被测量的量纲，其单位与测得值相同。L＝L－L0绝对误差测得值真值＝－◆修正值(Correction):为了消除固定的系统误差用代数法而加到测量结果上的值。修正值真值测得值－特点：1)与误差大小近似相等，但方向相反。2)修正值本身还有误差。误差－举例：用某电压表测量电压，电压表的示值为226V，查该表的检定证书，得知该电压表在220V附近的误差为5V，被测电压的修正值为－5V，则修正后的测量结果为226+(－5V)=221V。测得值真值绝对误差定义被测量的真值，常用约定真值代替，也可以近似用测量值L来代替L0相对误差特点：1）相对误差有大小和符号。2）无量纲，一般用百分数来表示。绝对误差◆相对误差（RelativeError）：绝对误差与被测量真值之比0LLr绝对误差和相对误差的比较用1μm测长仪测量0.01m长的工件，其绝对误差=0.0006mm，但用来测量1m长的工件，其绝对误差为0.0105mm。前者的相对误差为后者的相对误差为641/0.610/0.010.610rl652/10.510/11.110rl对于相同的量，可用绝对误差评定测量精度；对于不同的量，可用相对误差评定测量精度。△◆引用误差（FiducialErrorofaMeasuringInstrument）定义该标称范围（或量程）上限引用误差仪器某标称范围（或量程）内的最大绝对误差mmmxrx引用误差是一种相对误差，而且该相对误差是引用了特定值，即标称范围上限（或量程）得到的，故该误差又称为引用相对误差、满度误差。我国电工仪表、压力表的准确度等级（AccuracyClass）就是按照引用误差进行分级的，共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。当一个仪表的等级s选定后，用此表测量某一被测量时，所产生的最大绝对误差为%mmxxs%mmxxxrsxx最大相对误差为绝对误差的最大值与该仪表的标称范围（或量程）上限xm成正比选定仪表后，被测量的值越接近于标称范围（或量程）上限，测量的相对误差越小，测量越准确电工仪表、压力表的准确度等级举例某1.0级电流表，满度值（标称范围上限）为100，求测量值分别为100，80和20时的绝对误差和相对误差。1231.0100A,100A,80A,20Amsxxxx，根据题意得最大绝对误差为%1001.0%1Ammxxs相对误差分别为111100%100%1%100mxxrx221100%100%1.25%80mxxrx331100%100%5%20mxxrx可见，在同一标称范围内，测量值越小，其相对误差越大。【解】例：某待测的电压约为100v，现有0.5级、0-300v和1.0级、0-100v两个以引用误差定等的电压表，问用哪一个电压表测量比较好？%5.1%1001005.15.1)0300(%5.0maxmaxV解：用0.5级、0-300v测量时，用1.0级、0-100v测量时，%0.1%1001000.10.1)0100(%0.01maxmaxV结论：用1.0级仪表测量更准确。为了减小测量误差，提高测量准确度，就必须了解误差来源。而误差来源是多方面的，在测量过程中，几乎所有因素都将引入测量误差。主要来源测量装置误差测量环境误差测量方法误差测量人员误差二、误差的来源测量装置误差标准器件误差仪器误差附件误差以固定形式复现标准量值的器具，如标准电阻、标准量块、标准砝码等等，他们本身体现的量值，不可避免地存在误差。一般要求标准器件的误差占总误差的1/3～1/10。测量装置在制造过程中由于设计、制造、装配、检定等的不完善，以及在使用过程中，由于元器件的老化、机械部件磨损和疲劳等因素而使设备所产生的误差。测量仪器所带附件和附属工具所带来的误差。设计测量装置时，由于采用近似原理所带来的工作原理误差组成设备的主要零部件的制造误差与设备的装配误差设备出厂时校准与定度所带来的误差读数分辨力有限而造成的读数误差数字式仪器所特有的量化误差元器件老化、磨损、疲劳所造成的误差测量环境误差指各种环境因素与要求条件不一致而造成的误差。对于电子测量，环境误差主要来源于环境温度、电源电压和电磁干扰等激光光波比长测量中，空气的温度、湿度、尘埃、大气压力等会影响到空气折射率，因而影响激光波长，产生测量误差。高精度的准直测量中，气流、振动也有一定的影响测量方法误差指使用的测量方法不完善，或采用近似的计算公式等原因所引起的误差，又称为理论误差/22FKUU21.11U如用均值电压表测量交流电压时，其读数是按照正弦波的有效值进行刻度，由于计算公式中出现无理数和，故取近似公式，由此产生的误差即为理论误差。测量人员误差测量人员的工作责任心、技术熟练程度、生理感官与心理因素、测量习惯等的不同而引起的误差。为了减小测量人员误差，就要求测量人员要认真了解测量仪器的特性和测