學(xué)習(xí)傳感器與檢測技術(shù)概述

傳感器原理及應(yīng)用,（自動檢測技術(shù)/非電量測量技術(shù)）一、本課程的專業(yè)地位：專業(yè)必修課。二、本課程的主要內(nèi)容1、傳感器、測量及誤差的基本知識；2、常用傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、測量電路及應(yīng)用；3、傳感器在工程檢測中的應(yīng)用。三、課程要求1、掌握傳感器、測量及誤差的基本理論；2、掌握常用傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)、特點、基本測量電路及應(yīng)用；,3、學(xué)會工程中常見的非電量測量方法，了解傳感器在工程檢測中的應(yīng)用方法；4、學(xué)會分析和設(shè)計傳感器的應(yīng)用電路。四、課程特點綜合性：傳感器技術(shù)是材料學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、精密機械、仿生學(xué)、測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、乃至系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、自動化技術(shù)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)；零散性：各章內(nèi)容之間沒有前后因果關(guān)系；應(yīng)用性：重點掌握各種傳感器的應(yīng)用方法。,五、參考資料傳感器與檢測技術(shù)朱自勤機械工業(yè)出版社傳感器原理及工程應(yīng)用郁有文西安電子科技大學(xué)出版社傳感器原理及應(yīng)用王化祥天津大學(xué)出版社傳感器原理及應(yīng)用王雪文北京航空航天大學(xué)出版社傳感器原理及其應(yīng)用手冊孫寶元機械工業(yè)出版社非電量檢測技術(shù)嚴鐘豪機械工業(yè)出版社現(xiàn)代傳感技術(shù)魏文廣東北大學(xué)出版社傳感器技術(shù)信息產(chǎn)業(yè)部電子第四十九研究主辦光電子技術(shù)與信息中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所、中國光學(xué)學(xué)會光電技術(shù)專業(yè)委員會主辦激光與紅外華北光電技術(shù)研究所主辦儀表技術(shù)與傳感器沈陽儀器儀表研究所主辦,儀器儀表網(wǎng)（http:/www.china_）儀器商城網(wǎng)（）傳感器網(wǎng)（http:/www.S）傳感器技術(shù)（）中國傳感器（）中國工控網(wǎng)（）中國機器人網(wǎng)（.)電子設(shè)計應(yīng)用（）電子產(chǎn)品世界（）,第1章傳感器與檢測技術(shù)概述,1.1傳感器的概念、組成和分類1.2傳感器的基本特性,返回主目錄,第1章傳感器與檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)1.1傳感器的概念、組成和分類,一、傳感器的概念、組成與應(yīng)用1、現(xiàn)代信息技術(shù)的三大要素：信息獲取傳感器技術(shù)信息傳輸通信技術(shù)信息處理計算機技術(shù)在工程實踐和科學(xué)試驗中，信息采集的主要含義是測量取得測量數(shù)據(jù)。,2、測量的概念測量是人類對自然界客觀事物獲得數(shù)量觀念的一種認識過程，即借助于專門設(shè)備，求出被測量的數(shù)值大小。3、測量的分類電子測量電子測量儀器；非電量測量傳感器；4、自動測量系統(tǒng)的組成圖11自動測量系統(tǒng)組成,5、自動測量技術(shù)的作用以電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的自動測量技術(shù)，是衡量一個國家科技水平的重要標志之一。而傳感器是測量系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，它能否獲得信息和獲取信息的正確與否，關(guān)系到整個測量系統(tǒng)的精確度，傳感器的性能在很大程度上決定著整個信息技術(shù)的性能，因此世界各國都將傳感器技術(shù)列為重點發(fā)展的新技術(shù)。6、傳感器的定義（GB7665-87)能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。,7、傳感器的組成通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換（傳感）元件組成。傳感器組成框圖如圖1-2所示。,圖1-2傳感器組成框圖,敏感元件：直接感受被測非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其它量的元件。,傳感元件：又稱轉(zhuǎn)換元件/轉(zhuǎn)換器。能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。,信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路/測量電路：能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理、和控制的有用電信號的電路。,敏感元件,傳感元件,壓力傳感器示例,8、傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域（1）機械制造業(yè)：智能機械：數(shù)控機床、加工中心、機器人等（2）工業(yè)過程檢測與控制：石油、化工、電力、冶金等行業(yè)中熱工工藝參數(shù)檢測和控制；（3）汽車：車速、里程、燃油、排氣、車燈、關(guān)門、防盜、防撞等；（4）環(huán)保：有毒、有害、易燃、易爆氣體檢測，重金屬、污水檢測，防酒后駕車等；（5）醫(yī)療衛(wèi)生：血壓、心音、脈搏檢測，心臟監(jiān)護儀、彩超、核磁共振等；（6）航空航天：衛(wèi)星、火箭、飛船、外星探測器等；（7）國防工業(yè)：飛機、導(dǎo)彈、雷達、智能化電子武器等；（8)家用電器：空調(diào)、洗衣機、電冰箱、微波爐、電飯煲、電熨斗、安全報警器等。,傳感器的主要應(yīng)用,在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運行狀態(tài)關(guān)系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。,石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。,自動檢測與自動控制系統(tǒng),在汽車、機床、電機、發(fā)動機等產(chǎn)品出廠時，必須對其性能質(zhì)量檢測。,圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。,汽車扭距測量,機床加工精度測量,汽車與傳感器,高級轎車需要用傳感器對溫度、壓力、位置、距離、轉(zhuǎn)速、加速度、濕度、電磁、光電、振動等進行實時準確的測量，一般需要30100種傳感器。,傳感器與家用電器,自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風(fēng)干器、電熨斗、電風(fēng)扇、洗衣機、洗碗機、照相機、電冰箱、電視機、錄像機、家庭影院,全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。,指紋傳感器,透光率傳感器,鼠標:光電位移傳感器,攝象頭:CCD傳感器,PC機中的測試技術(shù)應(yīng)用,軟驅(qū):速度,位置伺服,麥克風(fēng):電容傳聲器,樓宇控制與安全防護,為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。,圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。,煙霧傳感器,亮度傳感器,人體探測器,機械手、機器人中的傳感器:轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。,傳感在機器人上的應(yīng)用,密歇根大學(xué)的機械手裝配模型,廣州中鳴數(shù)碼的機器狗,機器人服務(wù)員,沙漠機器人,超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。,香港理工AGV模型,AGV自動送貨車,自動導(dǎo)引運輸車（AutomatedGuidedVehicle）,AGV自動送貨車,2003年9月，全球現(xiàn)場直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘進程，可能揭開古埃及金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)之謎。一個小機器人通過了埃及最大的金字塔內(nèi)一條狹窄的通道，試圖揭開4600年前的秘密。它的探秘之行以發(fā)現(xiàn)了又一道封閉的石門而告終。,圖坦卡蒙的詛咒“不論是誰騷擾了法老的安寧，死神之翼將在它的頭上降臨?！?“金字塔漫游者”，511，地面探測雷達、超聲波傳感器（測石頭厚度）。,傳感器在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,醫(yī)學(xué),對人體的健康狀況進行診斷需要進行多種生理參數(shù)的測量。國內(nèi)已經(jīng)成功地開發(fā)出了用于測量近紅外組織血氧參數(shù)的檢測儀器。人類基因組計劃的研究也大大促進了對酶、免疫、微生物、細胞、NA、RNA、蛋白質(zhì)、嗅覺、味覺和體液組份以及血氣、血壓、血流量、脈搏等傳感器的研究。,光纖流速傳感器,熒光材料制作的電子鼻傳感器,生物酶血樣分析傳感器,傳感器與航空及航天,飛行器：控制在預(yù)定軌道上,速度、加速度、飛行距離測量、周圍環(huán)境、內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控、本身狀態(tài)參數(shù)的測量。,陀螺儀、陽光傳感器、星光傳感器、地磁傳感器,傳感器與環(huán)境保護,保護環(huán)境和生態(tài)平衡，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須進行大氣監(jiān)測和江河湖海水質(zhì)檢測，需要大量用于污水流量、PH值、電導(dǎo)、濁度、COD、BOD、TP、TN、礦物油、氰化物、氨氮、總氮、總磷、金屬離子濃度特別是重金屬離子濃度以及風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、工業(yè)粉塵、煙塵、煙氣、SO2、NO、O3、CO等參數(shù)測量的傳感器，這些傳感器中大多數(shù)亟待開發(fā)。,煙塵濁度測量,紅外線分布差異,礦藏埋藏地區(qū),傳感器與遙感技術(shù),紅外接收傳感器,傳感器在軍事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,先進的科學(xué)技術(shù)總是最先被應(yīng)用于戰(zhàn)爭。以坦克、飛機、軍艦為標志的作戰(zhàn)平臺是傳統(tǒng)的主戰(zhàn)兵器，各類傳感器不過是配屬的保障設(shè)施。,海灣戰(zhàn)爭中，伊拉克在科威特戰(zhàn)區(qū)部署了4280輛坦克，多國部隊只有3800輛坦克。但結(jié)果是伊拉克的坦克89被毀，而多國部隊的坦克僅損失20輛。這種懸殊的損毀比，正是由于雙方信息優(yōu)勢及精確制導(dǎo)武器方面的明顯差距造成的。,智能武器把巨大的殺傷力和極高的精確性相結(jié)合，將會使軍事機構(gòu)思考未來戰(zhàn)爭的方式發(fā)生革命。高技術(shù)常規(guī)武器成為比核武器更可靠的手段，打了不用管的制導(dǎo)炮彈能像導(dǎo)彈那樣捕捉和跟蹤目標，射程遠，威力大，價格低，命中率高，具有子母彈的打擊能力，以及破甲彈、動能彈的攻擊方式。,農(nóng)業(yè)將是知識密集、技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè)，設(shè)施農(nóng)業(yè)可以有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和增強抗災(zāi)能力，借助溫室及其配套裝置來調(diào)節(jié)和控制作物生產(chǎn)環(huán)境條件，擺脫自然制約，以達到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)。信息獲取手段是實現(xiàn)高水平設(shè)施農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，設(shè)施農(nóng)業(yè)用傳感器的品種較多，主要用于溫度、濕度、土壤干燥度、CO2、光照度、土壤養(yǎng)分等參數(shù)的測量。信息獲取技術(shù)還在農(nóng)田和果園生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生物學(xué)研究、農(nóng)藥殘留量檢測等方面得到了廣泛的應(yīng)用。,傳感器與農(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè),二、傳感器的分類1、按被測量分類（相應(yīng)的傳感器一般以被測量命名）：（1）熱工量傳感器：溫度、熱量、比熱；壓力、差壓、真空度；流速、流量；物位（液位、料位）。（2）機械量傳感器：位移、尺寸（長度、厚度、寬度、角度）；力、力矩；重量、質(zhì)量；速度、加速度、轉(zhuǎn)速。（3）物性和成分量：成分量（化學(xué)成分、濃度、酸堿度、鹽度等）；物性（密度、比重、粘度等）。（4）狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、表面粗糙度等）。,2、按傳感器的工作原理分類（1）物理型傳感器：利用某些敏感元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料的特殊物理性能制成。如：應(yīng)變式、電容式、磁電、光電、壓電傳感器等。（2）化學(xué)型：利用電化學(xué)反應(yīng)原理制成。如：氣敏傳感器、濕度傳感器、離子傳感器等。（3）生物傳感器：利用酶、微生物、抗體、細胞及組織等作為敏感材料與適當?shù)膿Q能器結(jié)合而成，利用特有的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)技術(shù)對生物化學(xué)物質(zhì)進行測定。如：酶傳感器、免疫傳感器等。,3、按輸出信號的性質(zhì)分類（1）模擬傳感器：輸出模擬信號；（2）數(shù)字傳感器：輸出數(shù)字信號（脈沖、頻率、二進制數(shù)碼），抗干擾能力強。,三、傳感器的發(fā)展趨勢1、三新：新材料、新工藝、新效應(yīng)（原理）；2、四化：集成化、多維化、多功能化、智能化。,1.2傳感器的基本特性即輸出輸入之間對應(yīng)關(guān)系，又稱為輸出輸入特性，可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。一、傳感器的靜態(tài)特性（一）靜態(tài)特性：是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系；即輸入量與輸出量之間的關(guān)系式中不含有時間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度,遲滯和重復(fù)性等。（二）傳感器的靜態(tài)特性表達式1、理想傳感器：y=a1x2、實際傳感器：y=a0+a1x+a2x2+anxn式中:a0輸入量x為零時的輸出量;a1,a2,an非線性項系數(shù)；x輸入量；y輸出量。1、傳感器的零偏（零點）：輸入信號為零時傳感器的輸出值。,2、傳感器的測量范圍與量程（1）測量范圍：指正常工作條件下，傳感器能夠測量的被測量的總范圍，通常用測量范圍的下限值和上限值來表示。（2）量程：測量范圍的上限值（或?qū)?yīng)的輸出值）與下限值（或?qū)?yīng)的輸出值）的代數(shù)差。a0零點；xF.S滿量程輸入；XF.S輸入量程；XF.S=xmax-xminyF.S滿量程輸出；YF.S輸出量程。YF.S=ymax-ymin注：僅知道量程時，無法確定測量范圍。,傳感器的靜態(tài)特性曲線,1、線性度（非線性度/非線性誤差）：傳感器的實際靜態(tài)特性曲線與擬合直線（規(guī)定直線）之間，在垂直方向上的最大偏差與輸出量程的百分比稱為線性度。通常用相對誤差L表示,即式中:|(yL)max|最大非線性絕對誤差的絕對值;YFS輸出量程。,(三）主要靜態(tài)特性指標,2、靈敏度靈敏度K是指傳感器的輸出量變化量y與引起此變化的輸入變化量x的比值,即K=y/x靈敏度反映了傳感器對被測參數(shù)變化的靈敏程度。對于線性傳感器,它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率,即K=y/x為常數(shù),而非線性傳感器的靈敏度為一變量,用K=dy/dx表示。傳感器的靈敏度如圖所示。,多環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的測量系統(tǒng)的靈敏度為：K=K1K2Kn例1：某線性位移測量儀，當被測位移由4.5mm變到5mm時，位移測量儀的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的靈敏度。若再接一個放大器（放大倍數(shù)為10）后驅(qū)動筆式記錄儀（靈敏度為0.2cm/V），試求系統(tǒng)的總靈敏度。解：K1=y/x=（3.5-2.5）V/(5-4.5)mm=-2V/mmK2=10K3=0.2cm/VK=K1K2K3=-2V/mm100.2cm/V=-4cm/mm,3、精確度測量誤差被測參數(shù)的測量值與真實值不一致的程度用測量誤差表示。測量誤差就是被測量的測量值與真實值之間的差值，它反映了測量質(zhì)量的好壞。（1）測量誤差的表示方法絕對誤差：可用下式定義:x=x-x0式中:x絕對誤差;x測量值;x0約定真值。,對測量值進行修正時,要用到絕對誤差。修正值是與絕對誤差大小相等、符號相反的值,C=-x=x0-x，實際值等于測量值加上修正值。即x0=x+C。絕對誤差不能很好說明測量質(zhì)量的好壞，只適用于被測量值相同的場合。例如,在溫度測量時,絕對誤差=1,對體溫測量來說是不允許的,而對測量鋼水溫度來說卻是一個極好的測量結(jié)果。相對誤差：定義由下式給出:=x/x0100%式中:相對誤差,一般用百分數(shù)給出;x絕對誤差;x0約定真值。,相對誤差比絕對誤差能更好地說明測量精確度，但它只能說明不同測量結(jié)果的準確度，無法衡量傳感器本身在整個測量范圍內(nèi)的質(zhì)量，（如一臺溫度傳感器測100的相對誤差為2%，另一臺測1000的相對誤差為1%）為此又采用了引用誤差的概念。引用誤差：是儀表中通用的一種誤差表示方法。它是相對儀表滿量程的一種誤差,一般也用百分數(shù)表示，即=x/XF.S100%=x/(xmax-xmin)100%式中:引用誤差；x絕對誤差；XF.S儀表輸入量程（測量范圍上限測量范圍下限）;xmax儀表量程的上限值；xmin儀表量程的上限值；,基本誤差：是指儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差。例如,儀表是在電源電壓(2205)V、電網(wǎng)頻率(502)Hz、環(huán)境溫度(205)、濕度65%5%的條件下標定的。如果這臺儀表在這個條件下工作,則儀表所具有的誤差為基本誤差。測量儀表的精度等級就是由基本誤差決定的，一般用引用誤差表示。附加誤差：是指當儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。例如,溫度附加誤差、頻率附加誤差、電源電壓波動附加誤差等。精確度：表示傳感器測量結(jié)果與真值之間的偏離程度。,精確度等級：是根據(jù)最大引用誤差來確定的。工程中以一系列標準數(shù)值作為儀表基本誤差的最大允許值來分檔表示儀表的精確度，稱為精確度等級。常用的精確度等級有0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級、2.0級、2.5級、4.0級、5.0級。注：精確度等級已知的儀表只有在被測量值接近滿量程時，才能發(fā)揮它的測量精度。因此選用儀表時應(yīng)根據(jù)被測量的大小和測量精度的要求，合理選擇儀表量程和精確度等級。例3：測800要求誤差4，現(xiàn)有以下測溫儀表，應(yīng)選哪一種？（1）0500,1.0級；（2）01000，0.5級；（3）01000，0.2級；（4）02000，0.2級。,解：（1）不能測；（2）測800可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為1000（0.5%）=5；（3）測800可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為1000（0.2%）=2；（4）測800可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為2000（0.2%）=4；應(yīng)選第（3）種。,例3：測800要求誤差4，現(xiàn)有以下測溫儀表，應(yīng)選哪一種？（1）0500,1.0級；（2）01000，0.5級；（3）01000，0.2級；（4）02000，0.2級。,二、傳感器的動態(tài)特性輸入信號變化時，引起輸出信號也隨時間變化，這個過程叫響應(yīng)。傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。當被測量隨時間變化,是時間的函數(shù)時,則傳感器的輸出量也是時間的函數(shù),其間的關(guān)系要用動特性來表示。一個動態(tài)特性好的傳感器,其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律,即具有相同的時間函數(shù)。實際上除了具有理想的比例特性外,輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù),這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。,實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用實驗方法求得，即根據(jù)傳感器對一些標準信號的響應(yīng)來評定它的動態(tài)特性。在時域內(nèi)