传感器与检测技术第一章.ppt

2019年9月2日星期一,第1章 检测技术基本知识,2019年9月2日星期一,2019年9月2日星期一,知识目标： （1）了解测量的基本概念和方法。 （2）掌握各种测量误差的使用。 （3）熟悉传感器的结构、组成及基本特性。,教学目标,技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的传感器。 （2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传感器检测电路。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。,2019年9月2日星期一,情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。 （2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。,教学重难点,教学重点： 检测和传感器的含义及其基本内容。,教学难点： 传感器的特性。,2019年9月2日星期一,2019年9月2日星期一,例：曹冲称象,方法：比较法；,装置：船、石头、小秤；,测量，从而得到：,定量的结果。,2019年9月2日星期一,传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。,2019年9月2日星期一,传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。在一切科学实验和生产过程中，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的信息，都要通过传感器转换为易于传输与处理的电信号。,2019年9月2日星期一,测量系统： 在工程中，需要将传感器与多台仪表组合在一起，才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统。,信息采集的主要含义： 测量以及取得结果,2019年9月2日星期一,测量：将被测量与同种性质的标准量进行比较，从而确定被测量相对于标准量的倍数的过程。,（1-1） 式中， x为被测量；A为测量值；x0为标准量。,测量是检测技术的重要组成部分，是以确定被测量值为目的的一系列操作。,2019年9月2日星期一,测量方法：指实现被测量与标准量比较得出比值的方法。,按 测 量 过 程 的 特 点,直接测量法,间接测量法,组合测量法,按 测 量 仪 表 的 特 点,接触测量法,非接触测量法,按 测 量 对 象 的 特 点,静态测量,动态测量,2019年9月2日星期一,1.直接测量法,电子卡尺,2019年9月2日星期一,2.间接测量法,用直接测量法测得与被测量有确定函数关系的一些物理量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。,2019年9月2日星期一,3.接触测量法,2019年9月2日星期一,4.非接触测量法 例：雷达测速,车载电子警察,2019年9月2日星期一,5.静态测量法,2019年9月2日星期一,2019/9/2,17,温度计,对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。,2019年9月2日星期一,6.动态测量法,地震测量 振动波形,2019年9月2日星期一,示波器,2019年9月2日星期一,测量误差： 测量值与被测量的真值之间的差异。,真值： 是指在一定的时间及空间(位置或状态)条件下，被测量所体现的真实数值。,真 值,理论真值,约定真值,相对真值,2019年9月2日星期一,1）理论真值 理论真值又称为绝对真值，是指在严格的条件下，根据一定的理论按定义确定的数值。如三角形的内角和恒为180°。,2）约定真值 约定真值是指用约定的办法确定的最高基准值，它被认为充分接近于真值，因而可以代替真值来使用。如基准“米”的定义为光在真空中1/299 792 458 s的时间间隔内的行程。,3）相对真值 相对真值又称为实际值，是指将测量仪表按精度不同分为若干等级，高等级的测量仪表的测量值即为相对真值。,2019年9月2日星期一,按 表 示 方 法,（1）绝对误差,（2）相对误差,（1）绝对误差 绝对误差是指被测量的测量值与被测量的真值之间的差值，即,式中，为绝对误差；Ax为测量值；A0为被测量的真值，可为约定真值或相对真值。,2019年9月2日星期一,某采购员分别在三家商店购买100 kg大米、10 kg苹果、1 kg巧克力，发现均缺少约0.5 kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？,采用绝对误差表示测量误差, 不能很好说明测量质量的好坏。采用绝对误差表示测量误差, 不能很好说明测量质量的好坏。 例如, 在温度测量时, 绝对误差=1 , 对体温测量来说是不允许的, 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。 在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。,在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。,2019年9月2日星期一,(2)相对误差 相对误差是绝对误差与被测量的真值之比。相对误差有以下表现形式：,2019年9月2日星期一,几个重要公式：,Ax：被测量 Am：仪器满度（量程）,实际相对误差,标称相对误差,满度相对误差,最大满度相对误差,2019年9月2日星期一,仪表的精度等级和最大满度相对误差,2019/9/2,26,满度相对误差 最大绝对误差,例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为2.5% 。,2019年9月2日星期一,2019/9/2,27,例：用指针式万用表的10 V量程测量一只1.5 V干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？,2019年9月2日星期一,用2.5 V量程测量同一只1.5 V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？,2019年9月2日星期一,解：用精度等级为0.5 级的温度计测量时，最大标称相对误差为,用精度等级为1.0 级的温度计测量时，最大标称相对误差为,由此可得 ，显然用精度等级为1.0 级的仪表测量比 用精度等级为0.5 级的温度计测量更合适。,例1-1 现有精度等级为0.5 级，量程为0300 和精度等级为1.0 级，量程为0100 的两个温度计，要测80 的温度，试问采用哪一个温度计好？,2019年9月2日星期一,例1-2 某压力表精度等级为5.0 级，量程为01.5 MPa，测量结果显示为0.70 MPa，试求： （1）可能出现的最大满度相对误差m。 （2）可能出现的最大绝对误差m？ （3）可能出现的最大标称相对误差x。,2019年9月2日星期一,解： （1）可能出现的最大满度相对误差可以从精度等级直接得到，即m ±5.0。 （2）m ± （ 5.0%×1.5）= ± 0.075 Mpa （3）,解： （1）可能出现的最大满度相对误差可以从精度等级直接得到，即m ±5.0。 （2）m ± （ 5.0%×1.5）= ± 0.075 Mpa （3）,2019年9月2日星期一,按 误 差 出 现 的 规 律,1）系统误差,2）随机误差,3）粗大误差,2019年9月2日星期一,1）系统误差：,夏天摆钟变慢的原因是什么？,在相同条件下，多次重复测量同一被测量时，其测量误差的大小和符号保持不变，或在条件改变时，误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。,系统误差的特征包括测量误差出现的有规律性以及其产生原因的可预知性。系统 误差产生的原因和变化规律一般可通过实验和分析查处。因此系统误差可被设法确定并消除。,2019年9月2日星期一,系统误差产生的原因大体上可分为以下几种：,（1）测量所用的工具（仪器、量具等）本身性能不完善或安装、 布置、调整不当而产生的误差。 （2）在测量过程中，因温度、湿度、气压、电磁干扰等环境条 件发生变化而产生的误差。 （3）因测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善等 原因而产生的误差。 （4）因操作人员读数方式不当而造成的读数误差等。,2019年9月2日星期一,2）随机误差,当多次重复测量同一被测量时，若测量误差的大小和符号均以不可预知的方式变化，则该误差称为随机误差。随机误差产生的原因比较复杂，虽然测量是在相同条件下进行的，但测量环境中某些因素总会发生微小变化，因此，随机误差是对测量值影响微小且又互不相关的大量因素所引起的综合结果。随机误差就个体而言并无规律可循，但其总体却服从统计规律。,2019年9月2日星期一,随机误差的正态分布规律,2019年9月2日星期一,随机事例的几个例子,彩票摇奖,2019年9月2日星期一,3）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。,2019年9月2日星期一,产生粗大误差的一个例子,2019年9月2日星期一,系统误差决定了测量的精密度，表明了测量值偏离实际值的程度。系统误差越小，测量值的准确度越高。所以仪表的准确度即精度常常用来表示系统误差的大小。,随机误差决定了测量的精密度。随机误差越小，测量值的精密度越高。,如果一个测量值的精密度和准确度都很高，就称此测量的精确度很高。,2019年9月2日星期一,测量的准确度与精密度的区别，由图1.1可知，若靶心为真实值，图中黑点为测量值，则图1.1(a)表示准确却不精密的测量，图1.1(b)表示精密却不准确的测量，图1.1(c)表示既准确又精密的测量。一切测量都应同时兼顾准确度和精密度，力求既准确又精密，才能成为精确的测量。一般来说，工程测量中，占主要地位的是系统误差，应力求准确度高，所以人们习惯上又把精度称为准确度。而在精密测量中由于已经采取一定的措施(如改进测量方法，改善测量条件)减小或消除了系统误差，因而随机误差是主要的。,2019年9月2日星期一,按 使 用 条 件,1）基本误差,2）附加误差,2019年9月2日星期一,1）基本误差 基本误差是指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。所谓规定的标准条件是指一般传感器在实验室、制造厂或计量部门标定刻度时所保持的工作条件，如电源电压（220±5） V、温度（20±5） 、湿度小于80、电源频率（50±1） Hz等。基本误差是检测仪表在额定条件下工作所具有的误差，检测仪表的精确度是由基本误差决定的。,2）附加误差 当使用条件偏离规定的标准条件时，除产生基本误差外，还会产生附加误差。如由于温度超过规定的标准而引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时应叠加到基本误差上去。,2019年9月2日星期一,按 被 测 量 随 时 间 变 化 的 速 度,1）静态误差,2）动态误差,2019年9月2日星期一,1）静态误差 当被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。,2）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。,2019年9月2日星期一,由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差,2019年9月2日星期一,传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的元件或装置。,传感器的定义包含了以下几方面的含义：,（1）传感器是一种测量装置，能完成检测任务。 （2）传感器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。 （3）传感器的输出量是某种物理量，这种量可以是气量、 光量、电量，但主要是电量。 （4）传感器的输出、输入有对应关系，且有一定的精确度。,2019年9月2日星期一,举例：测量压力的电位器式压力传感器,图1-3 传感器的组成框图,2019年9月2日星期一,1.敏感元件,图1-4 气体压力传感器的示意图 1壳体； 2膜盒； 3电感线圈； 4磁芯； 5转换电路,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,2019年9月2日星期一,弹性敏感元件（弹簧管）,2019年9月2日星期一,弹性敏感元件（弹簧管）,在下图中，弹簧管将压力转换为角位移,2019年9月2日星期一,弹簧管放大图,2019/9/2,52,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。,2019年9月2日星期一,被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量,在右图中， 电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-电阻的变化（R）,2019年9月2日星期一,测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。,在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo 。,2019年9月2日星期一,传感器的种类名目繁多，分类方法也很多。常用的分类方法有：,）按被测量分类：可分为加速度、速度、位移、压力、负荷、扭矩、温度传感器等。,2）按工作原理分类：可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式、光电式、热电偶等传感器。,2019年9月2日星期一,3)按能量的传递方式分:可分为有源传感器和无源传感器。,（1）有源传感器 有源传感器可视为一台微型发电机，能将非电量转换为电量，它所配用的测量转换电路通常是信号放大器。所以有源传感器是一种能量变换器，如压电式传感器、热电式传感器(热电偶)、电磁式传感器和电动式传感器等。,（2）无源传感器 无源传感器不进行能量的转换，被测非电量仅对传感器中的能量起着控制或调节的作用，所以它必须具有辅助能源(电源)，如电阻传感器、电容传感器和电感式传感器等,4)按输出信号的性质分 传感器按输出信号的性质可分为模拟传感器与数字传感器。模拟传感器的输出信号要通过AD转换器转换为数字信号后才能交给计算机进行信号分析、加工与处理。数字传感器则可直接送到计算机进行处理。,2019年9月2日星期一,传感器的特性一般指输入、输出特性。,传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。,1.静态特性 传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时输入量与输出量的关系。只有传感器处于稳定状态时，输入量与输出量的关系式中才不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移和可靠性等。,2019年9月2日星期一,1）线性度 线性度是指传感器输入量与输出量之间的静态特性曲线偏离直线的程度，其又称为非线性误差。在实际使用中，大多数传感器的静态特性曲线是非线性的。可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段，这条直线称为拟合直线。,图1-5 几种拟合直线,2019年9月2日星期一,（17）,Lmax为最大非线性绝对误差；YFS为满量程输出值。,静态特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对误差L表示,2019年9月2日星期一,（18）,式中， y为输出量的增量； x为引起输出量增量的输入量的增量。,k=y/x,2）灵敏度 灵敏度是指传感器输出量的增量与引起输出量增量的输入量的增量的比值，用K 来表示：,2019年9月2日星期一,图1-6 非线性传感器的输入-输出特性曲线,2019年9月2日星期一,3）迟滞 迟滞是指传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的程度，对于同一大小的输入量，传感器正反行程的输出量的大小不等。,2019年9月2日星期一,迟滞误差是指对应同一输入量的正反行程输出值间的最大差值与满量程输出值的百分比，通常用H表示，即 式中，Hmax为正反行程输出值间的最大差值。,2019年9月2日星期一,图1-8 传感器的重复性,4）重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向进行全量程多次测试时，所得输入输出特性曲线不一致的程度。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差越小。,2019年9月2日星期一,重复性误差是指各测量值正反行程标准偏差的两倍或三倍与满量程输出值的百分比，通常用R 表示，即 （1-10） 式中， 为正反行程标准偏差。,2019年9月2日星期一,重复性误差也可用正反行程中的最大偏差Rmax表示，即 （1-11） 式中，Rmax为正反行程中的最大偏差。,2019年9月2日星期一,2019/9/2,67,5）分辨力 指传感器能检测到输入量最小变化的能力。对于某些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只发生阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小。当分辨力以满量程输出的百分数表示时，则称为分辨率。,2019年9月2日星期一,6）稳定性 稳定性是指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。,稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，这种差异称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。,7）漂移 漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关、不需要的变化。它包括零点漂移和灵敏度漂移,仪器自身参数的变化 周围环境对输出的影响,产生漂移的主要原因：,2019年9月2日星期一,漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。,图1-9 传感器的漂移,2019年9月2日星期一,零点漂移或灵敏度漂移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，零点漂移或灵敏度漂移随时间的缓慢变化。温度漂移是指当环境温度变化时，引起的零点漂移或灵敏度漂移。,8）可靠性 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。,（1）时间性。 （2）统计性。 （3）可比性。 （4）典型指标。,2019年9月2日星期一,衡量其可靠性的指标有：,平均无故障时间。平均无故障时间是指传感器或检测系统在 正常的工作条件下，连续不间断地工作，直到发生故障丧失 正常工作能力所用的时间。 平均修复时间。平均修复时间是指排除故障所花费的时间。 故障率。故障率也称为失效率，它是平均无故障时间的倒数。,2019年9月2日星期一,2.动态特性 传感器的动态特性就是其对于随时间变化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小，还能显示被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性之一。,为了便于比较、评价或动态定标，最常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号，与其对应的方法为阶跃响应法和频率响应法。,1）阶跃响应法 研究传感器的动态特性时，在时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析的方法称为时域分析法，这时传感器对所加激励信号的响应称为阶跃响应。,2019年9月2日星期一,图1-10 阶跃响应特性曲线,2019年9月2日星期一,衡量传感器阶跃响应特性的几项指标如下：,（1）最大超调量。最大超调量p 就是阶跃响应特性曲线偏离稳态值 的最大值。常用百分数表示。 （2）延滞时间。延滞时间td是指阶跃响应特性曲线达到稳态值的50 所需的时间。 （3）上升时间。上升时间tr是指阶跃响应特性曲线从稳态值的10上 升到90所需的时间。常用它来描述无振荡的传感器。 （4）峰值时间。峰值时间tp是指阶跃响应特性曲线从何零到第一个峰 值所需的时间。 （5）响应时间。响应时间ts是指从阶跃函数信号输入开始到其输出值 进入稳态值所规定的范围内所需要的时间,2019年9月2日星期一,（1-12）,式中，,式中，,式中，为时间函数。,2）频率响应法 频率响应法是指从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。 大部分传感器可简化为单自由度一阶系统或单自由度二阶系统，即,2019年9月2日星期一,式中， n为传感器的固有频率。,（1-13）,2019年9月2日星期一,衡量传感器频率响应特性的几项指标如下：,（1）频带。传感器的增益保持在一定频率范围内，这一频率范围 称为传感器的频带或通频带，对应有上截止频率和下截止频率。 （2）时间函数。可用时间常数来表征传感器单自由度一阶系统 的动态特性。时间常数越小，频带越宽。 （3）固有频率。传感器单自由度二阶系统的固有频率n可用来表 征其动态特性。,2019年9月2日星期一,图1-11 检测系统各组成部分之间的关系,一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量转换电路、显示与记录装置、数据处理装置和调节执行装置组成,2019年9月2日星期一,玻璃温度计不属于本教材所讲授的传感器范围。,2019年9月2日星期一,能将温度转换为电压的传感器热电偶,2019年9月2日星期一,目前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,模拟显示的特点：直观,2019年9月2日星期一,光柱也属于模拟显示,光柱显示的特点： 一目了然,2019年9月2日星期一,数字式仪表,数字式仪表的特点： 准确，但最后一位经常跳动不止。,热敏电阻,2019年9月2日星期一,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：,2019年9月2日星期一,带背光板的LCD可以在夜间观看,2019年9月2日星期一,图像显示,特点 能显示复杂的图形和曲线， 但价格昂贵。,2019年9月2日星期一,图像显示,2019年9月2日星期一,带RS-232接口的万用表及图像显示,特点 能在计算机中存储测量到的波形及数据，可随时重放，价格适中。,2019年9月2日星期一,记录仪,主要用来记录被检测对象的动态变化过程。,2019年9月2日星期一,无纸记录仪,主要用来记录和存储被检测对象的动态变化过程。,2019年9月2日星期一,数据处理装置,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。,2019年9月2日星期一,执行机构,继电器插座,所谓执行机构通常是指各种继电器，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。,2019年9月2日星期一,电磁铁能产生机械力,2019年9月2日星期一,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,2019年9月2日星期一,电磁调节阀 用于控制流量的大小,加上控制信号，电磁调节阀在电动机的控制下，可以逐渐开合,2019年9月2日星期一,小型电磁调节阀,单向使用,2019年9月2日星期一,报警器,报警灯及喇叭,2019年9月2日星期一,谢 谢,