1、自动化学院测量科学与仪器系1传感器与检测技术21 教学目的(1)目的在于让学生掌握传感器的基本理论，要求掌握有关测量中常用的各种传感器的工作原理、输入输出特性、误差分析与补偿方法、相关检测电路；(2)使学生能合理地选择和使用传感器，并进一步掌握传感器的实验研究方法；(3)熟悉常用传感器在信息采集系统中使用时需注意的问题，同时了解传感器的国内外研究概况与发展动向。传感器与检测技术自动化学院测量科学与仪器系32 教材和参考书目教材：传感器原理及应用 王化祥 天津大学出版社参考书目：传感器原理及其设计基础 徐恕宏 华中理工大学出版社 新编传感器技术手册 李科杰主编 国防工业出版社 Sensors a
2、nd signal conditioning.Pallas Areny,Ramon.New York传感器与检测技术自动化学院测量科学与仪器系4传感器与检测技术 3 考核方法总成绩主要由如下3部分组成：考试卷面成绩（约70%）实验成绩（约15%）作业等 （约15%）自动化学院测量科学与仪器系5第一章 总 论 自动化学院测量科学与仪器系本章主要内容 传感器与检测技术的地位与作用 传感器技术的发展趋势 传感器的定义与分类 传感器的基本特性 传感器性能与结构的关系6自动化学院测量科学与仪器系1 传感器与检测技术的地位与作用7（1）是测控系统中的关键环节是测控系统中的关键环节信号处理记录、显示、通信传
3、输微处理系统自动化学院测量科学与仪器系信息不增信息不增定理 传感器传感器决定了获取的信息量，一旦获取信息后，在以后的数据处理、特征提取和识别中，只能对它进行变换，使之成为更易于识别的形式，但不能产生表征信息源本质的新信息。8支持的反馈反馈是控制控制科学的基本思想（1）是测控系统中的关键环节是测控系统中的关键环节自动化学院测量科学与仪器系（2）促进基础学科研究）促进基础学科研究9*1912年魏格纳提出了大陆漂移假说大陆漂移假说，并于1915年在海陆的起源一书中全面系统的阐述了这个理论。*1928年，大陆漂移的内在动力被发现：地幔对流*1961年左右核磁共振磁力仪古地磁学研究*其它先进传感器的出现
4、声纳探测、人工地震波等海洋研究突飞猛进。大陆漂移学说大陆漂移学说自动化学院测量科学与仪器系10（3）推动经济发展、社会进步）推动经济发展、社会进步生物磁测量 Josephson效应SQUID量子级磁测量仪器 人体心磁图、脑磁图（2）促进基础学科研究）促进基础学科研究自动化学院测量科学与仪器系112 传感器发展的趋向 n“三新”l新材料的开发应用l新工艺技术的应用l新效应的发现n“四化”l固态化l集成化和多功能化l图像化l智能化自动化学院测量科学与仪器系12传感器的固态化传感器的固态化物性型传感器亦称固态传感器，目前发展最快。它包括半导体、电介质和强磁性体三类，其中半导体传感器的发展最引人注目。
5、它具有灵敏度高、响应速度快、小型轻量等优点，而且便于传感器的集成化和多功能化。传感器的集成化和多功能化传感器的集成化和多功能化所谓的集成化，就是将敏感元件、信息处理或转换单元以及电源等部分利用半导体技术将其制作在同一芯片上。所谓的多功能化，则意味着传感器具有多种参数的检测功能，如半导体温湿敏传感器，多功能气体传感器等。自动化学院测量科学与仪器系13传感器的图像化传感器的图像化传感器的应用不仅限于对某一点物理量的测量，而面向从一维、二维到三维空间的测量问题。传感器的智能化传感器的智能化智能传感器是一种带有微型计算机兼有检测和信息处理及通讯功能的传感器。它是将信号检测、驱动回路和信号处理回路等外围
6、电路全部集成到一块基片上，具有自诊断、自动调整零点和量程、以及通信的功能、。自动化学院测量科学与仪器系14传感器的智能化（续）传感器的智能化（续）自动化学院测量科学与仪器系信号处理记录、显示、通信传输微计算机系统SensorSmartSensorIntelligentSensor网络+Microcomputer+Communication自动化学院153 传感器的定义、组成与分类3.1 定义定义物理量、化学量、生物量物理量、化学量、生物量/其他其他便于处理和传输的信号便于处理和传输的信号人的五官：人的五官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌头舌头 皮肤皮肤视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉视觉、听觉、
7、嗅觉、味觉、触觉能将规定的被测量按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。16自动化学院测量科学与仪器系传感器的主要内涵和特征：输入端_一个指定的传感器只能响应某一规定的规定的被测量。输出端_可用信号。可用信号。便于后续部件接收和处理的信号。最常用的是电信号，广义角度看也可以是其它信号。输入输出之间的关系_具有规律性。具有规律性。同同一个传感器转换规律具有复现性，不同传感器转换规律不同。17传感器一般由敏感元件敏感元件（预变换器）、转换元件转换元件和测量电路测量电路三部分组成，有时候还需要加辅助电源。3.2 组成组成自动化学院测量科学与仪器系18在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能
8、利用现有手段直接变换为电量，往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量，然后再变换为电量。敏感元件敏感元件（预变换器）测量应变测量力学量敏感元件预变换单元自动化学院测量科学与仪器系19转换元件转换元件测量电路测量电路l能将敏感元件感受到的非电量直接转换为电量的器件。l敏感元件的输出是它的输入，它把输入转换成电路参数，送给测量电路。自动化学院测量科学与仪器系l将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用信号的电路。20 按被测量被测量分类温度、压力、流量、位移等3.3 分类分类按测量原理测量原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、光电式等按信息能量变换方式能量变换方式分
9、类能量转换型、能量控制型按传感器的构成构成 物性型、结构型自动化学院测量科学与仪器系nnxaxaxaay2210214 传感器的基本特性稳态工作条件下的输出输入关系。稳态工作状态是指传感器的输入量恒定或缓慢变化而输出量也达到相应的稳定时的工作状态。自动化学院测量科学与仪器系4.1 传感器的静态特性传感器的静态特性输入输入X传感器传感器输出输出Ynnxaxaxaay221022主要指标主要指标：精度精度、灵敏度、线性度、迟滞、死区、重复性、噪声电平、分辨率（力）、测量范围和量程测量范围和量程自动化学院测量科学与仪器系4.1 传感器的静态特性传感器的静态特性23（1）测量范围与量程）测量范围与量程
10、自动化学院测量科学与仪器系v测量上限：传感器所能测量的最大被测量的数值（xmax)。v测量下限：传感器所能测量的最小被测量的数值(xmin)。v测量范围：-50150、050、-50+50、20100v量程：测量上限和测量下限的代数差。量程=xmax-xmin如：量程如：量程=150-（-50）=200-500c+1500c24（2）线性度）线性度线性度（非线性误差）用来说明静特性曲线偏离某种拟合直线的程度，通常以其最大偏差ym与满刻度输出值yFS的比值来表示：ym校准曲线与拟合直线间的最大偏差yFS传感器满刻度输出。|100%mLFSyy自动化学院测量科学与仪器系25n线性度是以一定的拟合直
11、线或理想直线为基准直线算出来的,基准直线（拟合直线）不同，线性度不同。n选择拟合直线的主要出发点：获得最小的非线性误差计算简便，使用方便自动化学院测量科学与仪器系26几种直线拟合方法示意图(a)理论拟合；(b)过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；(d)端点平移拟合几种常用直线拟合方法：几种常用直线拟合方法：(a)理论拟(b)过零旋转拟合(c)端点连线拟合（端基法）(d)端点平移拟合(e)最小二乘法最小二乘法自动化学院测量科学与仪器系27（3）灵敏度）灵敏度 灵敏度灵敏度定义为输出量的微小增量与相应的输入量微小增量的比值。自动化学院测量科学与仪器系28灵敏度的高低是选择和设计传感器的重要依据之一；
12、当传感器输出是几种因素作用的结果时，可以分别对各个因素确定其灵敏度；构成系统时，灵敏度与电路的放大倍数类同，即环节串联时灵敏度相乘，并联时灵敏度相加。自动化学院测量科学与仪器系or100%2mHFSyy100%mHFSyy29表示传感器在正、反行程期间输出一输入曲线的不重合程度。（4）迟滞）迟滞ymyx自动化学院测量科学与仪器系max100%RFSymax30（5）重复性）重复性表示传感器在同一工作条件下，输入按同一方向作全量程、连续多次重复测量时所得特性曲线的一致程度。：正反行程标准偏差最大值；自动化学院测量科学与仪器系firi：系数，通常取23。：正行程输入为xi点的标准偏差：反行程输入为
13、xi点的标准偏差31(6)死区死区指输入信号变化而输出信号没有相应变化的范围。(7)回差回差当传感器同时具有死区和滞环两种非线性因素时，其综合影响是复杂的，通常称为回差。自动化学院测量科学与仪器系yx（8）噪声电平）噪声电平(N)用于衡量传感器内部固有的噪声大小，常用折算到输出端的噪声电压表示。它表明系统可以探测的最小信号。32（9）最小检测量和分辨力最小检测量和分辨力分辨力分辨力是传感器能感测到的测量值的最小变化量。其中：M为最小检测量，N为噪声电平，K为传感器的灵敏度，C为噪声系数（一般取15）。CNMK自动化学院测量科学与仪器系最小检测量最小检测量是传感器能确切反映被测量的最低极限值。3
14、3n你会打靶吗？（a）正确度高而精密度低（b）正确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。（10）精确度（精度、误差）精确度（精度、误差）自动化学院测量科学与仪器系222RHL34精确度（精度）精度是反映系统误差和随机误差的综合误差指标正确度精密度：它说明测量结果的分散性(随机误差）正确度：它说明测量结果偏离真值大小的程度(系统误差)精确度：它含有精密度和正确度之和的意思，即测量的 综合优良程度。自动化学院测量科学与仪器系常用的总误差计算公式：精密度35n 仪表精度的表示：仪表精度的表示：工程中，为了表示测量结果的可靠程度，引入精确度等级精确度等级概念，用A表示。这个数
15、值是传感器和测量仪表在规定条件下，其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分比的分子。自动化学院测量科学与仪器系36仪表的精度等级仪表的精度等级AA=0.005,0.01,0.02,0.05；0.1,0.2,（0.4）,0.5；I级标准表级标准表1.0,1.5,2.5，（4.0）；等工业用表仪表的最大允许绝对误差：max=%RA自动化学院测量科学与仪器系量程：Range37解：解：该测温仪表的实际引用误差为：去掉%后，该表的精度值为0.6，介于国家规定的精度等级中0.5和1.0之间，而0.5级表和1.0级表的允许误差表允分别为0.5%和1.0%。则这台测温仪表的精度等级只能定为1.0级。n例
16、例某台温度检测仪表的测温范围为100600，校验该表时得到的最大绝对误差为3，试确定该仪表的精度等级。m3100%100%0.6%600 100quotedR自动化学院测量科学与仪器系38n例例现需选择一台测温范围为0500的测温仪表。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过4，试问：应选哪一级精度等级的仪表？解：解：工艺允许误差为去掉%后，该表的精度值为0.8，也是介于0.51.0之间，而0.5级表和1.0级表的允许误差表允分别为0.5%和1.0%。应选择0.5级的仪表才能满足工艺上的要求。4100%100%0.8%5000mAR自动化学院测量科学与仪器系394.2 传感器的动态特性传感器的
17、动态特性反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。自动化学院测量科学与仪器系222()2nnnH sss11)(ssH404.2.1 动态数学模型动态数学模型微分方程微分方程：一阶传感器：二阶传感器：)()()()()(00111txbdttxdbtyadttydadttydammmnnnnnn自动化学院测量科学与仪器系传递函数：传递函数：输入标准信号：输入标准信号：正弦输入：频域响应特性（稳态响应、频域响应）阶跃输入：时域响应特性（瞬态响应）414.2.2 频率特性及其动态品质之间的关系频率特性及其动态品质之间的关系一阶传感器自动化学院测量科学与仪器系二阶传感器1()1H ss222()2
18、nnnH sss424.2.2 频率特性及其动态品质之间的关系（续）频率特性及其动态品质之间的关系（续）频域性能指标：频域性能指标：自动化学院测量科学与仪器系通频道通频道（transmissionband）是指在规定的衰减值下，能通过的频率范围。一般采用3分贝带宽（幅度下降到0.707）。工作频带工作频带（workingband）是指满足精度指标要求下，能通过的频率范围。相位误差相位误差（Phaseerror）434.2.3 时域响应特性及其动态品质指标时域响应特性及其动态品质指标自动化学院测量科学与仪器系动态品质指标：动态品质指标：时间常数一阶系统:444.2.3 时域响应特性及其动态品质指
19、标（续）时域响应特性及其动态品质指标（续）自动化学院测量科等学与仪器系二阶系统:上升时间tr：稳态值的10%上升到90%的时间稳定时间ts：从阶跃输入开始到系统开始稳定在给定精度指标的时间峰值时间、超调量、震荡周期等动态品质指标：动态品质指标：455 传感器性能与结构的关系传感器性能与结构的关系直接变换型差动型平衡型含有反馈环节冗余型自动化学院测量科学与仪器系46 结构结构与传感器抗干扰能力抗干扰能力的关系？在此问题定义下，设环境对传感器的影响表现为灵敏度变化S和个等效的噪声N。S+SxyN自动化学院测量科学与仪器系iiisss047（1）直接变换型问题：整个系统的性能指标与各环节性能指标的关
20、系？各环节性能的运筹？灵敏度扰动模型：加性噪声信号模型自动化学院测量科学与仪器系48元件灵敏度发生变化元件灵敏度发生变化在理想条件下：忽略灵敏度扰动高阶无穷小结论：结论：灵敏度变化引起的相对误差等于各个环节相对误差的代数和可相互补偿0102000nys ss x0iiisss01 20nyyys ss x 0mnss12010200nnsssyysss自动化学院测量科学与仪器系49在有噪声情况下：在有噪声情况下：结论：总误差等于各变换环节输入端的噪信比总和总灵敏度一定，提高前面元件灵敏度可降低总噪声尽量降低第一个元件的噪信比010200100010012001010200110111nnnnn
21、nNsssNSyyxssNNNxsssNNNxxx自动化学院测量科学与仪器系50（2）差动型问题：差动系统有何优点？自动化学院测量科学与仪器系0000022ssxsxsyy002102012)()(sxxssxsxsy23401234ssa xa xa xa x1235024()222ys xsxs xa xa x51设两通道完全对称，即S1=S2=S系统灵敏度灵敏度发生变化灵敏度的非线性补偿1x4332210 xaxaxaxsxsy直接变换型直接变换型:差动型差动型:自动化学院测量科学与仪器系02)(0210 xsNNsyy52在有噪声情况下,若N1=N2,则结论：差动系统的灵敏度是单个系统
22、的两倍。可补偿偶次非线性误差。对于相同条件引起的误差有很好的抑制作用。自动化学院测量科学与仪器系53（3）平衡型问题：如何在有限的条件下实现高品质的传感器？0123001234012340041,()S S S SyXS S S SSS S S SyXS(-)自动化学院测量科学与仪器系54自动化学院测量科学与仪器系55自动化学院测量科学与仪器系56小结：小结：1.前向通道灵敏度足够大。（特别是S1）2.闭环环节特性（灵敏度、线性度、稳定性等）主要取决于反馈环节S4。3.系统噪声引起的误差主要取决于S1的噪信比。自动化学院测量科学与仪器系57（4）冗余型问题：如何实现高可靠性的传感器？结论：通过
23、冗余配置传感器实现高可靠性。自动化学院测量科学与仪器系自动化学院580.00200.20150.40050.60000.79951.00000.00300.20200.40200.60100.80050.00250.20200.40100.60000.79950.99950.00350.20300.40200.60150.80050.00350.20200.40100.60000.79950.99900.00400.20300.40200.60100.8005正行程反行程正行程反行程正行程反行程123012345次数)(Vyi)(105Paxi设有压力传感器的校准数据列于下表，试求（1）端基拟合直线；（2）端基线性度；（3）滞环误差；（4）重复性误差（=3）；（5）精度。作业：1.作业：1-7、1-9iiisss0自动化学院59噪声扰动模型：分别考虑系统各环节有灵敏度变化和有加性噪声输入时，系统输出信号的相对误差
