徐科军主编传感器与检测技术第一章绪论

1、任课教师：,20152016学年第一学期,第一章 绪论,2,传感器原理,检测技术,变电抗式传感器,电阻式传感器,光电式传感器,电动势式传感器,温度传感器,流量传感器,成分检测传感器,课程主要内容,传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用,3,实践性强,课程特点：,期望逐步解决侧重课本教学中存在的一些问题： 1.传感器部分没有实物对象、枯燥无味； 2.信号分析理论部分深奥、难懂。,教学方法：,理论教学 案例教学 三者结合 实践教学,4,本章教学:,一、教学要求：,掌握传感器常用特性的定义和计算方法；,5,二、教学时间安排：4学时,三、主要内容： 第一节 自动检测技术概述 第二节 传感器概述 第三节 测量误差与数据处理 第四节 传感器的一般特性 第五节 传感器的标定和校准 本章重点：传感器精度分类、灵敏度、非线性误差分析； 本章难点：传感器精度分类、灵敏度、非线性误差分析。 四、教学过程：,本章教学:,6,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,7,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器是获取信息的主要途径

2、与手段。 没有传感器，现代化生产就失去了基础。 传感器是边缘学科开发的先驱。,可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。,传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,电动助力转向系统,电动转向助力系统的部件有方向盘、转向柱、方向盘转角传感器、转向力矩传感器、转向齿轮、转向助力电动机及转向助力控制单元组成,9,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,方向盘转角传感器为光电式传感器，安装于转向柱上。当转动方向盘时，转向柱带动传感器的转子随方向盘一起转动，光源就会通过转子缝隙照在传感器的感光元件上产生信号电压。由于转子缝隙间隔大小不同，故产生的信号电压变化也不同,转向力矩传感器为磁阻式传感器，其磁阻传感元件和转向小齿轮连接块为一体，当转动方向盘时，转向柱连接块和转向小齿轮连接块反向运动，即磁性转子和磁阻传感元件反向运动，因此转向力矩的大小可以

3、被测量出来并传递给控制单元,10,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,典型风力发电系统在线监测与故障诊断示意图,11,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,测控技术在交通领域监测中的应用,12,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,智能家居中应用,13,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,网络在智能建筑应用,14,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,网络化环境动态监测系统图,15,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,水源安全远程监测系统图,16,滑坡位移监测仪及远程监测系统,植物生理监控系统,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,1、自动检测技术的重要性,17,第一节自动检测技术概述,18,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,密歇根大学的机械手装配模型,机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,19,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,生产加工过程监测,切削力传感器，加工噪声

4、传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。,20,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,扬子石化50MW热电机组监测系统 阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统 荆门电厂200MW机组监测系统 青山热电厂生产信息实时查询系统 沙角电厂生产信息实时查询系统 宝钢30KW以上风机监测系统 宝钢精轧F2轧机网络化监测系统 宝钢冷轧带钢振动纹监测系统 武钢风机状态监测系统,21,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,汽车扭距测量,机床加工精度测量,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.,22,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超

5、声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,PC机中的测试技术应用,23,24,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,24,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,未来的战争一定程度上可以称之为传感器战争。未来战场将布满各种传感器，它们既包括电视摄像机、激光雷达、成像雷达、微光夜视仪、制冷和非制冷热像仪等可视设备，也包括声传感器、震动传感器、磁传感器、气象传感器和探测生化战剂的传感器，当然也可能出现目前尚未问世或成熟的其它传感器。这些传感器将为指挥人员和士兵收集大量的战场态势信息，使他们拥有全面的信息优势，从而最大限度地增强他们的攻击威力。,在军事和航天领域的应用,25,26,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,美军研制的未来单兵作战武器-OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术,激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20mm高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以精确的设定引爆时间。,27,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,美国国家导弹防御计划-NMD,监测系统

6、: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,28,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹,29,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学等,神州飞船：,185台（套）仪器装置,军事战斗力,30,1、自动检测技术的重要性,第一节自动检测技术概述,综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本之木。,31,2、自动检测技术的组成,第一节自动检测技术概述,32,3、自动检测技术的发展趋势,第一节自动检测技术概述,不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。 开发新型传感器。 开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。 微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化

7、测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。 研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。,33,1、传感器的定义,第二节传感器概述,根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87） 传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。,34,1、传感器的定义,第二节传感器概述, 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是 化学量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,包含的概念：,35,2、传感器的组成,第二节传感器概述,敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量 转换电路 上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出,36,2、传感器的分类,第二节传感器概述,物理型、化学型、生物型,构成原理,结构型:物理学中场的定律 物性型:物质定律,能量转换,能量控制型 能量转换型,物理原理：,用 途：

8、 位移、压力、振动、温度,电参量式传感器、磁电传感器、压电式传感器等,工作机理：,37,1、测量误差的概念和分类,第三节测量误差与数据处理,（1）等精度测量 （2）非等精度测量 （3）真值 （4）实际值,有关测量技术中的部分名词,（5）标称值 （6）示值 （7）测量误差,（1）系统误差,误差的分类,（2）随机误差,（3）粗大误差,38,2、精度,第三节测量误差与数据处理,反映测量结果与真值接近程度的量 (1)准确度 (2)精密度 (3)精确度 对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，但精确度高，则精密度和准确度都高。,39,3、测量误差的表示方法,第三节测量误差与数据处理,(1) 绝对误差 (2) 相对误差,40,3、测量误差的表示方法,第三节测量误差与数据处理,(1) 绝对误差,绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差为 由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为 通常以此值来代表绝对误差。,41,3、测量误差的

9、表示方法,第三节测量误差与数据处理,(1) 绝对误差-修正值,为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值，常用C表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即 A0= x+C （1.3.3） 由此得 C =A0-x （1.3.4） 在实际工作中，可以用实际值A近似真值A0，则（1.3.4）式变为 C =A-x=- x （1.3.5） 修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修正值可以消除该误差的影响,42,3、测量误差的表示方法,第三节测量误差与数据处理,(2) 相对误差,相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式： 实际相对误差: 示值相对误差。 满度（引用）相对误差,43,3、测量误差的表示方法,第三节测量误差与数据处理,(2) 相对误差-最大允许误差,指示仪表的最大满度误差不许超过该仪表准确度等级的百分数，即 （1.3.9） 当示值为x时可能产生的最大相对误差为 （1.3.11） 用仪表测量示值为x的被测量时，比值越大，测量结果的相对误差越大。选用仪表时要考虑被测量的大小越接近仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。,44,4、随机误差,第三节测量误差与数据处理,（1）正态分布 （2）随机误差的评价指标 （3）测量的极限误差,45,4、随机误差,第三节测量误差与数据处理,（1）正态分布,随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律,46,4、随机误差,第三节测量误差与数据处理,（1）正态分布-分布规律,（1）对称性。 绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。 （2）单峰性。 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。 （3）有界性。 一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。 （4）抵偿性。 随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。,47,4、随机误差,第三节测量误差与数据处理,（2）随机误差的评价指标,由于随机误差大部分按正态分布规律出现的，具有统计意义，通常以正态分布曲线的两个参数算术平均值和均方根误差作为评价指标。 （1）算术平均值 （2）标准差,48,4、随机误差,第三节测量误差与数据处理,（2）随机误差的评价指标-算术平均值,当测

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