1、传感器与检测技术 学分：3总学时：51其中：授课42学时 实验2次6学时 机动3学时教材传感器与检测技术 徐科军 王化祥 主编 电子工业出版社参考书n 传感器原理与应用 黄贤武 郑筱霞 编箸 电子科技大学出版社n 传感器原理及技术孟立凡郑宾主编国防工业出版社教学管理n课代表/联系方式n平时/考试成绩n实验课安排n习题课第一章绪论 1-1-1 自动检测技术概述自动检测技术概述1-2 传感器的定义、组成与分类传感器的定义、组成与分类 1-3 传感器的特性传感器的特性 1-4 传感器的标定与校准传感器的标定与校准1-5 测量误差与数据处理测量误差与数据处理第一章绪论1-1-1 自动检测技术概述自动检
2、测技术概述1-2 传感器的定义、组成与分类传感器的定义、组成与分类 1-3 传感器的特性传感器的特性 1-4 传感器的标定与校准传感器的标定与校准1-5 测量误差与数据处理测量误差与数据处理1-11-1自动检测技术概述自动检测技术概述n检测技术的重要性检测技术的重要性n自动检测系统的组成自动检测系统的组成n课程的特点课程的特点检测检测技术的重要性检测技术的重要性n信息技术的最前端;n广泛应用于机械制造、交通、能源、环保、化工行业（机械手、啤酒发酵、隧道通风照明）检测-监测、控制 非电量电量 没有有效准确的检测，控制、计量、生产成为无本之木、无源之水 信息化制造专业的必修课 自动检测系统的组成自
3、动检测系统的组成n 检测系统的组成本课程的特点本课程的特点n交叉学科：物理、力学、数学、化学、生 物、电子电路；n实践性：动手、试验n高速发展n设计者/使用者1-1-1 自动检测技术概述自动检测技术概述1-2 传感器的定义、组成与分类传感器的定义、组成与分类 1-3 传感器的特性传感器的特性 1-4 传感器的标定与校准传感器的标定与校准1-5 测量误差与数据处理测量误差与数据处理第一章绪论1-21-2传感器的定义、组成与分类传感器的定义、组成与分类n传感器的定义传感器的定义 n传感器的分类传感器的分类 n被测量与能量变换被测量与能量变换 一、传感器的定义一、传感器的定义 1、定义n所谓传感器是
4、来自“感觉”一词传感器技术属现代高新技术（电五官）n根据GB7665-87，【传感器】（TransducerSensor）的定义定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的定义传感器的定义2、传感器的组成n敏感元件敏感元件（Sensing element）直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。n转换元件转换元件（Transduction element）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部分。例：应变式压力传感器（P45)：弹性元件、应变片分别为敏感元件、转换元件。传感器的定义传感器的定义
5、3、传感器的特征参数传感器的特征参数n被测量传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。n输出量含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式。传感器的定义传感器的定义4、传感器的传感器的应用从被检测对象中获取原始信号（1）用于自动监测系统 传感器的定义传感器的定义4、传感器的传感器的应用续（2）用于自动控制系统 二、传感器的分类二、传感器的分类 1 1、按传感器输入量（用途）分类、按传感器输入量（用途）分类 生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感器、粘度传感器、浓度传感器、。
6、传感器的分类传感器的分类 2、按传感器工作机理分类（1）物性型传感器 是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。（2）结构型传感器 是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测量转换为电量。如：电容式加速度传感器，图3.3.15。传感器的分类传感器的分类 3、按传感器输入量（性质）分类按传感器输入量（性质）分类 按被测量性质分成三大类，机械制造专业物理传感器较多。传感器的分类传感器的分类 3、按传感器输入量（性质）分类按传感器输入量（性质）分类化学传感器 是利用不同化学物质的特性和化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分
7、、浓度等转换为电信号的传感器。如：CO浓度传感器。生物传感器是利用生物活性物质选择性分子识别作用，测定生物化学物质的传感器。如血液成份分析仪、葡萄糖传感器。传感器的分类传感器的分类 3、化学传感器气敏传感器常用于检测如CO2、CO、O2、CH4等气态物质的化学传感器气体与半导体陶瓷在表面吸附时，产生氧化还原反应，导致电阻（电导率）发生变化，如SnO2在加热时与CH4 作用，CH4失去电子成为正离子，SnO2为N型半导体，得到电子使载流直浓度增加，电阻减小。传感器的分类传感器的分类 3、生物分子传感器例子 酶、抗原抗体、激素、细胞、组织切片等具有良好的生物分子识别作用。将其作为敏感元件固定在高分
8、子膜上。如酶电极。酶：蛋白质、催化剂（特定物质）被测量：葡萄糖、氨基酸等生物分子输出量：电压/电流、发热、发光生物分子酶传感器反应物浓度变化化学电极电流电压变化生物分子酶传感器热变化热敏电阻电阻/电压变化传感器的分类传感器的分类 3、生物传感器例子续复合酶膜：葡萄糖葡萄糖氧化酶（GOD）H2O2浓度变化H2O2酶发光光敏二极管电流变化传感器的分类传感器的分类 4、按信息能量变换方式分类在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量的流动。（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压电式、电磁感应式等。（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能量，用于控制激励源，
9、故又称有源型传感器。如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、。传感器的分类传感器的分类 5、按物理原理分类（1）电参量式（电阻、电容、电感）（2）磁电式（磁电感应、霍尔式、磁栅）（3）压电式（4）热电式（5）光电式（6）辐射式：红外、超声波传感器三、被测量与能量变换三、被测量与能量变换1 1、示容变量和示强变量、示容变量和示强变量(1)示容变量或称为流通变量、扩展量(Extensive)示容变量是与空间分布成比例的量，表示能容纳多少的量。如：长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电流、热流、熵、。被测量与能量变换被测量与能量变换 1、示容变量和示强变量(2)示强变量或跨越变量,密集量(
10、Intensive)示强变量是指在某种场合下，表示作用程度的量。如：力、压力、温度、温差、电压、磁通、光通、气体浓度、湿度。被测量与能量变换被测量与能量变换 1、示容变量和示强变量示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的。如：力与位移之积是功、力与速度之积是功率、压力与体积之积是气体力学能量、温度与熵之积是热能、温差与热流之积是热功率、电压与电荷之积是电能、电压与电流之积是电功率。被测量与能量变换被测量与能量变换 2、传感器能量变换 传感器的工作过程可以视为是将示容量与示强量由一种组合变成另一种组合。被测量与能量变换被测量与能量变换 3 3、能量变换与误差、能量变换与误差（1）传感器从被测物
11、体拾取能量时对被测物体的状态产生了影响，从而导致了误差。如：热电偶测温时，输入的热流是被测物体传递的，若热电偶的热容量过大，将使被测物体的温度下降，从而产生误差。（2）传感器输出端的负载（测量电路）消耗传感器的能量，对传感器的输出造成误差。传感器对被测物体的影响越小，负载对传感器输出的影响越小，测量精度就越高。被测量与能量变换被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性（1）传感器的输入特性传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测对象的影响程度。其主要参数是广义输入阻抗Zi，定义为由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量W（或功率），则有能量或功率：被测量与能量变换被测量与能量变换 5、传感器的输
12、入与输出特性可知：当被测量为示强变量时（如：被测量为力、压力、温度等），传感器广义输入阻抗越大，从被测对象吸收的能量就越小，误差也就越小。当被测量为示容变量时（如：位移、速度、加速度等），传感器广义输入阻抗则越小越好。例如：用万用表测电压和电流。测电压时，万用表输入阻抗高，测电流时输入阻抗低。被测量与能量变换被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性（2）传感器的输出特性（阻抗匹配）传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载能力大小的重要参数。主要参数是广义输出阻抗Zo，定义为 从提高负载能力出发，Zo 越小越好，承载能力强；从获得最大功率出发，Zo 等于负载阻抗。总的要求是：希望从被测对象处
13、获取较小的能量，而输出大的有用信号。被测量与能量变换被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性-2 如图，传感器输出电压U,其输出阻抗为r，带上负载R后，负载电压为:R0=UR/(R+r),可见当r/R越小，带负载能力越强。负载功率为 当R=r时，负债功率最大。四、传感器的发展趋势四、传感器的发展趋势n发现新现象n开发新材料n集成化n智能化n网络化n仿生传感器第一章绪论1-1-1 自动检测技术概述自动检测技术概述1-2 传感器的定义、组成与分类传感器的定义、组成与分类 1-3 传感器的特性传感器的特性 1-4 传感器的标定与校准传感器的标定与校准1-5 测量误差与数据处理测量误差与数据处理1
14、-3 传感器的特性传感器的特性n传感器的静态特性传感器的静态特性 n传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器的特性就是对输入输出关系的描述，理想的特性是在任何情况下输入与输出都是一一对应的。分静态特性和动态特性。1-3 传感器的特性传感器的特性一、传感器的静态特性【静态特性】：输入不随时间变化时（在稳态信号作用下），传感器输出与输入之间的关系。、变换函数（静态特性的一般数学模型）、变换函数（静态特性的一般数学模型）变换函数反映传感器输入与输出间的关系式，y=f(x)其中x为输入量，y为输出量。几种典型的变换函数如下表一、传感器的静态特性、变换函数 通常，要求传感器在静态情况下的输入与输出保持线
15、性关系，实际上，如上表所示，很难满足理想的线性关系，一般用多项式表示 只有当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系。一、传感器的静态特性 2、灵敏度当输入变化为x时，有：其中k(x)称为灵敏度，是传感器在工作点上的微商（dydx），是静态特性的最主要指标。当k(x)为定值时，即y与x成比例，由测量值y便可直接求得x。设计传感器通常要求大的灵敏度。一、传感器的静态特性 3、精度传感器的精度用以衡量在相同条件下测量结果的可重复程度和误差。定义为：传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比，其中，A为测量范围内的最大绝对误差。在应用中，为了简化传感器的精度的
16、表示方法，引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高 一、传感器的静态特性 4、线性度（非线性误差）在规定条件下，传感器实际特性曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度。线性度：拟合方法：最小二乘法。P17图1.4.1 一、传感器的静态特性 5、最小检测量和分辨率 是指传感器能确切反映被测量的最低极限量 x，小于这个量的区域称为死区。对于数字传感器，常用分辨率来表示。最小检测量(或感度)的影响因素二：(1)输入的变动量x在传感器内部被吸收 如：带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺母间、齿轮和齿
17、条间存在间隙，当输入变量x小于这一间隙时，便被传感器内部吸收。一、传感器的静态特性 5、最小检测量和分辨率续1(2)传感器输入、输出端均存在噪声干扰，x过小时，被外界噪声所淹没。对于数字式传感器，则用输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分辨率。一、传感器的静态特性 6、迟滞在输入量增加过程中测得的某一点输出值，与在输入减少过程测得的同一点值不一样，这种现象称为迟滞。图中曲线称为迟滞特性曲线。一、传感器的静态特性 6、滞后性续1对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为滞环误差 或 如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持一一的对应
18、关系，因此应尽量使之变小。产生滞后性的原因主要是材料的物理性质所造成的。一、传感器的静态特性 7、重复性重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。一、传感器的静态特性 7、重复性续1不一致性一般用各测量值正、反行程标准偏差最大值的两倍或三倍值与满量程输出值的百分比来表示（或称为回差）或 其中，为标准偏差。一、传感器的静态特性 8、零点漂移传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点飘移，用百分比表示：其中，y0为最大零点偏差（或相应偏差）。一、传感器的静态特性 9、温度漂移温漂表示温度变化时
19、，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1时，输出最大偏差与满量程的百分比表示：其中，max为输出最大偏差，T为温度变化范围。1-2 传感器的特性传感器的特性二、传感器的动态特性【传感器动态特性】传感器的响应特性。【传感器响应】当输入信号随时间变化时，输出信号随之变化的情况。二、传感器的动态特性 1、传感器的一般数学模型 绝大多数传感器属于连续系统，可采用n阶线性常系数微分方程表示为：式中，y(t)为输出信号，x(t)为输入信号，a0,a1,an及b0均为常数。二、传感器的动态特性 1、数学模型-拉氏变换 1、傅里叶级数 周期为T的连续函数f(t)，可以展开为傅里叶级数。即：其中 n=0,1,
20、2.n=1,2,3 )sincos(2)(10tnbtnaatfnnnT222cos)(2TTntdtntfTa22sin)(2TTntdtntfTb二、传感器的动态特性 1、数学模型-拉氏变换 利用欧拉公式可以写成复指数形式：其中 二、传感器的动态特性 1、数学模型-拉氏变换 当 时推广到非周期函数。即：其中 傅里叶变换对。二、传感器的动态特性 1、数学模型-拉氏变换 当考虑到f(t)的定义域与绝对可积，推广到拉氏变换。即：其中 拉氏变换对。二、传感器的动态特性 1、数学模型-拉氏变换 拉氏变换的性质1、线性性质2、微分性质 二、传感器的动态特性 1、数学模型-拉氏变换 拉氏变换的应用1、常
21、见函数拉氏变换表2、求解微分方程 例子 P81 二、传感器的动态特性 1、传感器的一般数学模型续1对上式两边进行拉氏变换，得 则得系统的传递函数如下 当n=0时，称为比例环节；当n=1时，称为一阶系统（即惯性环节）；当n=2时，称为二阶系统（即振荡环节）。传感器的动态特性 2、零阶传感器的数学模型 零阶传感器的微分方程只有a0、b0两个系数，方程为:或 其中k为静态灵敏度，所以零阶系统的动态特性即就是系统的静态特性。传感器的动态特性 2、零阶传感器的数学模型-续1典型的零阶系统如线性电位器输出电压与电刷位移之间的关系：传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型(惯性环节)n一阶系统的方程式为 或
22、 其中(a1/a0)，称为时间常数，(b0/a0)为静态灵敏度。n一阶系统函数（传递函数）传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型-续1 典型的一阶传感器如热电偶传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型-续2 微分方程如下:其中:Rmc，为热电偶的时间常数，R 为介质与热电偶之间的热阻，m 热电偶质量，c 为热电偶的比热，mc 为热电偶的热容量。传感器的动态特性4、二阶传感器的数学模型(振荡环节)n二阶系统的微分方程为n二阶系统函数（拉氏传递函数）传感器的动态特性4、二阶传感器的数学模型-续1式中 ，为静态刚度；，无阻尼固有频率；，阻尼比。上述三个量称为二阶传感器的特征量。典型的二阶传感器有光
23、线示波器的振动子、铠装热电偶（即带保护套管的热电偶）。传感器的动态特性5、传感器的动态特性【时域方面】采用瞬态响应法（阶跃响应）【频域方面】采用频率响应法（正弦响应）（1）单位阶跃响应函数为传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应1（2）一阶传感器的阶跃响应 其中，为时间常数。P20图1.4.5传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应2二阶系统的阶跃响应超调量衰减度传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应3（3）二阶传感器的阶跃响应 1、二阶系统分欠阻尼系统（1）、过阻尼系统（1）和临界阻尼系统（1），一般传感器为欠阻尼系统，兼顾上升时间和超调量，值一般在0.7左右。2、超调量：只
24、与有关 3、有阻尼频率和无阻尼固有频率 4、上升时间和响应时间 传感器的动态特性5、传感器的动态特性频率响应1频率响应：指在一系列不同频率的正弦信号的作用下，传感器的输出特性，分幅频特性和相频特性。式中 A()=|H(j)|,()=arctgHI()/HR()。传感器的动态特性5、传感器的动态特性频率响应2 传感器的频率响应 零阶系统的频率响应函数 一阶系统的频率响应函数 幅频特性 相频特性 传感器的动态特性5、传感器的动态特性频率响应3一阶系统的频率响应曲线传感器的动态特性5、传感器的动态特性频率响应4n二阶系统的频率响应函数n幅频特性n相频特性 传感器的动态特性5、传感器的动态特性频率响应
25、5n二阶系统的频率响应曲线传感器的动态特性5、传感器的动态特性结论n零阶系统：理想地真实再现输入信号。n一阶系统：特性指标为时间常数，越小越好。n二阶系统：阻尼比0.6-0.8，固有频率至少应大于被测信号频率的3-5倍。传感器的动态特性例题 某二阶传感器的数学模型为：计算该传感器的幅频特性和相频特性。当用此传感器测量一个角频率=10Hz信号时，其振幅误差和相位差各是多少？第一章绪论1-1-1 自动检测技术概述自动检测技术概述1-2 传感器的定义、组成与分类传感器的定义、组成与分类 1-3 传感器的特性传感器的特性 1-4 传感器的标定与校准传感器的标定与校准1-5 测量误差与数据处理测量误差与
26、数据处理1-5 传感器的标定与校准传感器的标定与校准n标定与校准n静态标定和动态标定n静态标定条件、标定仪器设备精度等级n静态特性标定方法及步骤n动态特性标定方法一阶：时间常数 1.5.1、1.5.2二阶：阻尼比、固有频率1.5.5、1.5.9、1.5.101-5 传感器的标定与校准传感器的标定与校准数据处理数据处理n作图法n最小二乘法1-5 传感器的标定与校准传感器的标定与校准实验一：传感器的标定实验一：传感器的标定1-1-1 自动检测技术概述自动检测技术概述1-2 传感器的定义、组成与分类传感器的定义、组成与分类 1-3 传感器的特性传感器的特性 1-4 传感器的标定与校准传感器的标定与校
27、准1-5 测量误差与数据处理测量误差与数据处理第一章绪论1-5 测量误差与数据处理测量误差与数据处理 传感器的基本结构传感器的基本结构传感器的输入输出关系y=f(x)理想情况 y=Kx测量噪声：环境燥声、测量器件电噪声等，造成测量误差（零点漂移）。灵敏度漂移：温度变化、器件稳定性等1-5 测量误差与数据处理测量误差与数据处理 传感器的基本结构传感器的基本结构设S为传感器的灵敏度，S为环境因素引起的灵敏度变化，N为外界干扰的等效噪声，则可以用如下框图来表示传感器在实际工作的情况，传感器两种基本结构形式：直接变换型，差动型。现按这两种形式来讨论其误差。传感器的误差及信噪比 一、直接变换型n直接变换
28、型是典型的开环系统。n系统的变换函数为（输入/放大/输出级）其中，Si0 表示没有干扰时的灵敏度输入级：阻抗、信噪比，输出级：带负载传感器的误差及信噪比 一、直接变换型、灵敏度变化的影响、灵敏度变化的影响 假设在环境作用下，S1发生了变化，为S1=S10S1，此时的输出为 则有 当多个变换环节的灵敏度发生变化时，若忽略二阶小以上的项，则传感器的相对灵敏度为 传感器的误差及信噪比 一、直接变换型n直接变换型的传感器相对灵敏度为 n由此可得出如下两点结论 n灵敏度变化所引起的相对误差等于各个环节灵敏度相对变化值的代数和；n可以利用各环节灵敏度变化的符号不同而相互补偿（即正负相消）。传感器的误差及信
29、噪比 一、直接变换型、外界噪声的影响、外界噪声的影响假设第二个环节受外界噪声影响，则引起的误差为 则有 同理，在忽略二阶以上无穷小时，可得全部环节噪声所引起的相对误差传感器的误差及信噪比 一、直接变换型或 由以上二式，可得出如下结论n由噪声引起的误差等于各环节噪信比的总和；n在传感器总灵敏度一定的情况下，提高前面各环节的灵敏度有利于减少环节中噪声的影响（因分母变大）；n传感器第一个环节输入端噪声的影响，只取决入口处的噪信比，与整个系统各环节的灵敏度无关，故第一个环节是十分重要的。传感器的误差及信噪比 二、差动型n差动型结构是由两个相同的通道和一个减法器组成。n传感器的变换函数为：传感器的误差及
30、信噪比 二、差动型假定两个通道完全对称，即S1o=S2o，则可导出如下三个特点：n差动型结构的灵敏度是单个系统的两倍，即 n差动型结构有很好的补偿作用外噪声的作用对两个通道是相同的，有N1N2传感器的误差及信噪比 二、差动型n对非线性具有一定的补偿作用，假定灵敏度是输入x0的函数，即 将上式代入前述噪声误差公式，经整理后，有 从公式中可看出，奇次非线项消除了，传感器线性得到了改善。误差数据处理基本概念 n真值、实际值、测量值（示值/标称值）和误差n误差的分类：系统误差、随机误差、粗大误差n准确度（均值）、精密度（方差）、精确度（极限误差、精度）n误差的表示方法：绝对误差（修正值/公式）、相对误
31、差 1、实际相对误差 2、示值相对误差(测量值达到仪表上限误差较小）3、满度相对误差（仪表精度等级1.3.9，与示值相对误差的关系1.3.11）误差数据处理随机误差处理n不可避免、不可预测、符合统计规律n正态分布n均值、标准差的钜估计、贝塞尔公式n处理方法：增加测量次数，取平均值。误差数据处理系统误差处理n系统误差存在判据：1.3.31n累进系统误差存在判据：1.3.28n周期性系统误差存在判据：1.3.29、1.3.30n误差处理：原理上消除修正：修正值、表、曲线补偿：例子图1.3.4、1.3.5误差数据处理粗大误差处理n偶然误差。n误差处理：3准则，剔除坏值。测试数据处理的基本方法n列表法n作图法n曲线拟合 残差平方和最小最小二乘法小结：n传感器的分类：1、按输入量分类：位移、速度、压力、温度 2、按物理原理分类：电参量式、磁电式、压电式、热电式、光电式、辐射式n传感器的静态特性主要指标：测量范围、精度、灵敏度、线性度n传感器的动态特性比例环节：理想地真实再现输入信号。一阶系统：特性指标为时间常数，越小越好。二阶系统：阻尼比0.6-0.8，固有频率至少应大于被测信号频率的3-5倍。n灵敏度与噪声对测量系统的影响：差动型提高灵敏度、抑制噪声、显著改善非线性n准确度、精密度、精确度n误差的分类：系统误差、随机误差、粗大误差 存在的判据及其处理方法。补偿法及例子 P14
