傳感與檢測(cè)技術(shù)緒論課件

傳感器技術(shù)及應(yīng)用主講傳感器技術(shù)及應(yīng)用主講1成績(jī)計(jì)算方法考核：綜合出勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂表現(xiàn)、作業(yè)等平時(shí)占30%、期末考試占70%隨機(jī)抽點(diǎn)名缺勤三次以上無(wú)考試資格.成績(jī)計(jì)算方法考核：綜合出勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂表現(xiàn)、作業(yè)等2學(xué)習(xí)情境一:傳感器技術(shù)

導(dǎo)入新課

儀器、儀表輸入信號(hào)是什么類型的信號(hào)？

一般的儀器、儀表要求輸入的信號(hào)必須為電信號(hào)，計(jì)算機(jī)及各種電子設(shè)備只能處理電信號(hào).學(xué)習(xí)情境一:傳感器技術(shù)

導(dǎo)入新課

儀器、儀表輸入信號(hào)是什么3自然界經(jīng)常接觸到的信號(hào)是什么類型的信號(hào)？表征物質(zhì)特性或其運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)中有很多都是非電量，如大家在自然界經(jīng)常接觸到的溫度、壓力、距離、流量、重量、速度、加速度、濃度、酸堿度、濕度、光、磁場(chǎng)等。自然界經(jīng)常接觸到的信號(hào)是什么類型的信號(hào)？表征物質(zhì)特性或其運(yùn)動(dòng)4§變量分類

§變量分類5一.傳感器的作用上述的非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量，再運(yùn)用電子設(shè)備和儀器測(cè)量，實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器一.傳感器的作用上述的非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電6二、傳感技術(shù)的特點(diǎn)

1.用傳感技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，響應(yīng)速度快，精確度高，靈敏度高；2.能在特殊環(huán)境下連續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，便于自動(dòng)記錄能在人類無(wú)法存在的高溫、高壓、惡劣環(huán)境中，和對(duì)人類五官不能感覺(jué)到的信息（如超聲波、紅外線等），進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，記錄變化的數(shù)據(jù)。車載監(jiān)視器二、傳感技術(shù)的特點(diǎn)

1.用傳感技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，響應(yīng)速度快，精7二.傳感技術(shù)的特點(diǎn)

3.可與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)運(yùn)算、分析和處理傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過(guò)接口電路變成計(jì)算機(jī)能夠處理的信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算、分析和處理。二.傳感技術(shù)的特點(diǎn)

3.可與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)運(yùn)算、84.品種繁多，應(yīng)用廣泛現(xiàn)代信息系統(tǒng)中待測(cè)的信息量很多，一種待測(cè)信息可由幾種傳感器來(lái)測(cè)量，一種傳感器也可測(cè)量多種信息，因此傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛，從航空、航天、兵器、交通、機(jī)械、電子、冶煉、輕工、化工、煤炭、石油、環(huán)保、醫(yī)療、生物工程等領(lǐng)域，到農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)，以及人們的衣、食、住、行等生活的方方面面，幾乎無(wú)處不使用傳感器，無(wú)處不需要傳感器。二.傳感技術(shù)的特點(diǎn)

4.品種繁多，應(yīng)用廣泛二.傳感技術(shù)的特點(diǎn)

9三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

1．新材料的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用如：半導(dǎo)體材料、功能陶瓷材料、功能金屬、功能有機(jī)聚合物、非晶態(tài)材料、固體材料及薄膜材料等，都可進(jìn)一步提高傳感器的產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

1．新材料的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用10三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

2．新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用將半導(dǎo)體的精密細(xì)微加工技術(shù)應(yīng)用在傳感器的制造中，可極大提高傳感器的性能指標(biāo)，并為傳感器的集成化、超小型化提供技術(shù)支撐。借助半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù)、擴(kuò)散技術(shù)、光刻技術(shù)、靜電封閉技術(shù)、全固態(tài)封接技術(shù)，也可取得類似的功效。三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

2．新工藝、新技術(shù)的應(yīng)用11三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

3．向小型化、集成化方向發(fā)展由于航空技術(shù)的發(fā)展，以及醫(yī)療器件和一些特殊場(chǎng)合的需要，傳感器必須向小型化、微型化方向發(fā)展，以便減小體積和質(zhì)量。三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

3．向小型化、集成化方向發(fā)展12三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

4．傳感器的智能化將傳統(tǒng)的傳感器和微處器及相關(guān)電路組成一體化的結(jié)構(gòu)就是智能傳感器。因?yàn)樗旧韼в形⑿陀?jì)算機(jī)，具有自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)診斷、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)距離雙向通信、信息存儲(chǔ)記憶和數(shù)字信號(hào)輸出等功能。三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

4．傳感器的智能化13三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

5．傳感器的網(wǎng)絡(luò)化將傳感器和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使傳感器成為網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點(diǎn)。這種努力使多個(gè)傳感器組成網(wǎng)絡(luò)直接通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)施發(fā)布、共享，以及網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制操作。另外，通過(guò)Internet網(wǎng)，傳感器與用戶之間可異地交換信息，廠商能直接與異地用戶交流，能及時(shí)完成傳感器故障診斷，指導(dǎo)用戶維修或交換新儀器改進(jìn)的數(shù)據(jù)，軟件升級(jí)等工作。三、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

5．傳感器的網(wǎng)絡(luò)化14四、傳感器需求與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)方向

1．工業(yè)過(guò)程控制與汽車傳感器2．環(huán)保傳感器3．醫(yī)療衛(wèi)生與食品監(jiān)測(cè)傳感器4．微小型傳感器及MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）5．生物、醫(yī)學(xué)研究急需要的新型傳感器6．生態(tài)農(nóng)業(yè)傳感器四、傳感器需求與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)方向

1．工業(yè)過(guò)程控制與汽車傳感器15模塊一傳感器的基本知識(shí)任務(wù)目標(biāo)★了解傳感器的定義和組成方框圖；★了解傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用；★掌握傳感器的分類；★掌握傳感器的主要參數(shù)。模塊一傳感器的基本知識(shí)任務(wù)目標(biāo)16五、傳感器的定義與組成

傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由對(duì)被測(cè)量敏感的元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分，如應(yīng)變式壓力傳感器中的彈性膜片，就是敏感元件；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)到的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)（電壓、電流）部分，如電阻應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件。五、傳感器的定義與組成

傳感器的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并17根據(jù)以上定義可畫出傳感器的組成框圖，如圖1-1所示。圖1-1傳感器組成框圖根據(jù)以上定義可畫出傳感器的組成框圖，如圖1-1所示。圖1-118§傳感器的概念傳感器：能感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置.傳感器的共性：利用物理定律或物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物等特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量.傳感器功能：檢測(cè)和轉(zhuǎn)換.§傳感器的概念傳感器：能感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸19六、傳感器的分類與特點(diǎn)傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按被測(cè)輸入量劃分，另一種是按傳感器的工作原理劃分。1．按被測(cè)物理量劃分這一種方法是根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類，如被測(cè)量分別為溫度、濕度、壓力、位移、流量、加速度、光，則對(duì)應(yīng)的傳感器分別為溫度傳感器、濕度傳感器，壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、加速度傳感器、光電傳感器。

六、傳感器的分類與特點(diǎn)傳感器常用的分類方法有兩種，一種是按202．按傳感器工作原理劃分這一種分類方法是以工作原理來(lái)劃分，將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)，據(jù)此可將傳感器分為電阻式、電感式、電容式、阻抗式、磁電式、熱電式、壓電式、光電式、超聲式、微波式等類別。這種分類方法有利于傳感器的專業(yè)工作者從原理與設(shè)計(jì)上作歸納性的分析研究。2．按傳感器工作原理劃分21七、傳感器的基本特性

傳感器的基本特性一般是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分。通常是以建立數(shù)學(xué)模型來(lái)體現(xiàn)的，為了簡(jiǎn)化傳感器的靜、動(dòng)態(tài)特性，可以分開(kāi)來(lái)研究。1．傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指在靜態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系，其靜態(tài)特性可表示為y=a0+a1x+a2x2+…+anxn（1-1）七、傳感器的基本特性

傳感器的基本特性一般是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c22常用的靜態(tài)性能指標(biāo)包括靈敏度、精確度、測(cè)量范圍、量程、線性度及誤差等。（1）靈敏度傳感器的靈敏度K是指達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出增量與輸入增量的比值（1-3）線性傳感器的靈敏度就是其靜態(tài)特性的斜率，而非線性傳感器的靈敏度則是其靜態(tài)特性曲線某點(diǎn)處切線的斜率。常用的靜態(tài)性能指標(biāo)包括靈敏度、精確度、測(cè)量范圍、量程、23（2）線性度線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差，如圖1-2所示，即為在垂直方向上最大偏差|Δymax|與最大輸出ymax的百分比，圖中a0稱為零位輸出，即被測(cè)量為零時(shí)傳感器的指示值。（1-4）（2）線性度（1-4）24圖1-2傳感器的線性度誤差圖1-3傳感器的重復(fù)性圖1-2傳感器的線性度誤差圖1-3傳感器的重復(fù)性25（3）重復(fù)性重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得到的特性曲線的不一致程度，如圖1-3所示，用公式表示為（1-5）式中，⊿mmax取⊿m1、⊿m2中最大的計(jì)算，ymax為滿量程輸出值。傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要是由傳感器的機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)、部件內(nèi)摩擦、積塵、電路元件老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生的。（3）重復(fù)性（1-5）式中，⊿mmax取⊿m1、⊿m26（4）遲滯現(xiàn)象遲滯現(xiàn)象是傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減?。┢陂g輸出—輸入曲線不重合的程度，如圖1-4所示。圖1-4傳感器的遲滯現(xiàn)象（1-6）（1-7）遲滯現(xiàn)象反映了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造工藝上的缺陷，如軸承摩擦、間隙、螺釘松動(dòng)、元件腐蝕等。

（4）遲滯現(xiàn)象遲滯現(xiàn)象是傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向27（5）精確度傳感器的精確度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲋甘局蹬c被測(cè)量約定真值的一致程度，反映了傳感器測(cè)量結(jié)果的可靠程度。在工程應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)單表示測(cè)量結(jié)果的可靠性程度，引入精確度這個(gè)等級(jí)概念，用A表示，它表示允許的最大絕對(duì)誤差與滿度量程的比值的百分?jǐn)?shù)，即（1-8）式中A——傳感器精確度；

⊿A——測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差；

ymax——滿度量程輸出值。常用的檔次為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0。例如，0.5級(jí)的儀表表示其允許的最大使用誤差為0.5%。（5）精確度（1-8）式中A——傳感器精確度；28（6）分辨力傳感器的分辨力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量的能力。通常是以最小量程單位值表示。當(dāng)被測(cè)量的變化值小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無(wú)任何反應(yīng)。（7）穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性是指在室溫條件下經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常有長(zhǎng)期穩(wěn)定性（如年、月、日）和短期穩(wěn)定性（如時(shí)、分、秒）之分，傳感器的穩(wěn)定性常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性表示。（6）分辨力（7）穩(wěn)定性29（8）漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。（8）漂移302．傳感器的動(dòng)態(tài)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅髟跍y(cè)量快速變化的輸入信號(hào)情況下，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄的過(guò)程不受時(shí)間限制。但是在工程實(shí)踐中，檢測(cè)的是大量隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，這就要求傳感器不僅能精確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小，而且還能顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即正確的再現(xiàn)被測(cè)量波形。傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性來(lái)表示。2．傳感器的動(dòng)態(tài)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅髟跍y(cè)量快速變31在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，當(dāng)被測(cè)量作周期性變化時(shí)，傳感器的輸出值隨著周期性變化，其頻率與前者相同，但輸出幅值和相位隨頻率的變化而變化，這種關(guān)系稱為頻率特性。輸出信號(hào)的幅值隨頻率變化而改變的特性稱為幅頻特性；輸出信號(hào)的相位隨頻率的變化而改變的特性稱為相頻特性，幅值下降到穩(wěn)定幅值的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為截止頻率。

習(xí)題：1、2在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，當(dāng)被測(cè)量作周期性變化時(shí)，傳感器的輸出值隨著周期32反