[信息与通信]第一章 传感器概述和一般特性.ppt

传感器原理及应用,本门课程的特点：,1、是大四的专业课,2、课程具有较强实践性,3、课程涉及的知识面广,4、是一门工程性、应用性都非常强的课程,课程特点,课程的重要性,1、传感器技术、通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱，它们分别是智能系统的“感官”、“神经”和“大脑”。2、传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行准确可靠的测量，就无法实现信号的转换和信息处理、无法完成最佳数据的显示和控制。,课程的重要性,课程教材和参考书,课程教材和参考书,教材：唐文彦主编传感器第4版 机械工业出版社 2007年,参考书：,1、吴建平.传感器原理及应用 机械工业出版社，2009年 2、王化祥，张淑英编著.传感器原理及应用（第三版）.天津大学出版社，2007年3、刘迎春，叶湘滨编著.传感器原理设计与应用.国防科技大学出版社,2007年,1传感器世界 http:/2仪表技术与传感器 http:/www.i-3传感器世界 http:/4中国传感器 http:/5传感器技术 http:/www.sensor-621IC中国电子网 http:/7传感技术学报网 http:/8传感器资讯网 http:/,参考网站,课程要求,课程要求1、对课程的内容分“了解、理解、掌握”三个层次提出要求；2、对各类传感器的工作原理、基本结构、应用领域中较重要的敏感技术有相当的认识；3、在未来具体工作中，在传感器和执行器选择、使用、设计以及进一步深入研究方面具备良好的基础；4、在学习过程中，应当从应用的角度出发。,检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。,第一章 绪论,“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。,传感器的地位和作用,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。,第一章 传感器概述,第一章 传感器概述,1-1 传感器与非电量测量,一、非电量与非电量测量,二、非电量电测系统,1-2 传感器的定义,第一章 传感器概述,传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。,定义包含的意思：传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一种被测量，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，这种量应便于传输、转换、处 理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光 强等物理量，但主要是电物理量；输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精 度。,第一章 传感器概述,输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。,敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。,基本转换电路：将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。,1-3 传感器的分类,第一章 传感器概述,非电学量传感器电学量,第一章 传感器概述,1按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩,磁电式，热电式，机械式，电气式，光学式，流体式等。,2按工作原理分类:,切削力测量应变片 动圈式磁电传感器,第一章 传感器概述,第一章 传感器概述,能量转换型和能量控制型.,3按信号变换特征:,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,第一章 传感器概述,4按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.,5按输出电信号类型分类,根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为：,模拟量传感器数字量传感器开关量传感器。,如：接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器。,第一章 传感器概述,第一章 传感器概述,1-4 传感器的应用领域,一、传感器技术发展的重要性,二、传感器的应用领域,1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用,超声波检测,电容指纹识别,第一章 传感器概述,第一章 传感器概述,第一章 传感器概述,这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见的红外光，又称为红外线。,电视机的遥控器中就是使用着光学传感器。,肉眼看不见,2、传感器与家用电器,这种麦克风是一种将声音信号转换为电信号的传感器。,第一章 传感器概述,唱卡拉OK时使用的麦克风，也是一种传感器。,透光率传感器,第一章 传感器概述,温湿度传感器,温度传感器,感应水龙头,电子门,第一章 传感器概述,这种温度室是一种将温度变化转换为电信号的传感器。,火灾报警器,第一章 传感器概述,机械鼠标的内部结构,第一章 传感器概述,传感器就是将光、声音、温度等物理量，转换成为能够用电子电路处理的电信号即电压与电流的器件。,第一章 传感器概述,3、汽车与传感器,第一章 传感器概述,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,第一章 传感器概述,辅助泊车传感器,双声纳,间隙检测声纳,后声纳,电源指示,转向指示,间隙警告ECU,间隙检测声纳,集成开关面板,多功能信息显示,多功能显示,侦测栅,第一章 传感器概述,主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物,第一章 传感器概述,定位、地理信息,第一章 传感器概述,汽车行驶速度测量,4、传感器在机器人上的应用,第一章 传感器概述,触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。,弧焊机器人,第一章 传感器概述,弧焊机器人,第一章 传感器概述,喷漆机器人,第一章 传感器概述,装配机器人,第一章 传感器概述,5、传感器在医疗及人体医学上的应用,第一章 传感器概述,医用传感器，是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）,6、传感器与环境保护,7、传感器与航空及航天,8、传感器与遥感技术,第一章 传感器概述,1-5 传感器的发展方向,第一章 传感器概述,1.努力实现传感器新特性,2.确保传感器的可靠性，延长其使用寿命,3.提高传感器集成化及功能化的程度,4.传感器微型化,5.新型功能材料的开发,传感器的一般特性,传感器特性主要是指输入与输出之间的关系。理想情况：呈线性关系。但一般情况下，输入输出不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输入输出对应关系的唯一确定性也不能实现。,第一章 传感器概述,传感器的静态特性和动态特性,第一章 传感器概述,传感器的基本特性：传感器的输入输出关系特 性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。输入信号分为：稳态、动态 对应传感器特性：静态特性、动态特性 对传感器的要求：高精度信号（或能量）无失真转换反映被测量的原始特征,第一章 传感器概述,一、传感器的静态特性,传感器的静态特性是指在稳态条件下（传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确定的输入输出关系。这种关系可依不同情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格来表示。,表征传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。,1、线性度 静态特性的方程表示：传感器的理想输入输出特性应是线性的，但实际传感器的输入输出关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y输出量；x输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a2、a3、an非线性项系数。,y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn,第一章 传感器概述,线性化处理的必要性：静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。,在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。在采用直线拟合线性化时，已测的输入输出的校准曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度。线性度通常用相对误差L表示：(yL)max:输出值与拟合直线间的最大偏差绝对值；yFS:满量程输出。线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数,L=(|(yL)max|/yFS)100%,第一章 传感器概述,线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较，其不一致的最大偏差与理论满量程输出值的百分比来进行计算：,式中：YFSymaxymin 满量程输出电压,拟合直线：非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。拟合方式：理论拟合；过零旋转拟合；端点连线拟合；端点连线平移拟合；最小二乘拟合；平均选点法拟合。,第一章 传感器概述,（1）端点法,实际特性上分别对应于测量下限xmin和测量上限xmax的点A和B的连线称端点拟合直线。,特点：方法简单，但由于数据依据不充分，且计算的线性度值往往偏大，因此不能充分发挥传感器的精度潜力。,A,B,第一章 传感器概述,（2）平均选点法,把传感器全量程内的所有校准数据，前后分成两组，分别求出两组的点系中心，这两上点系中心的连线，就是平均选点法的拟合直线。,特点：拟合精度较高，试验点在拟合直线两侧分布，数据 处理不复杂。,把斜率和截距代入 y=a+kx 中即得到平均选点法拟合直线方程。,设拟合直线方程：,（3）最小二乘法拟合,y=kx+b,若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为,i=yi-(kxi+b),注：最小二乘的思想就是要使得测量点和估计点的距离的平方和达到最小。这里的“二乘”指的是用平方来度量测量点与估计点的远近（在古汉语中“平方”称为“二乘”），“最小”指的是参数的估计值要保证各个观测点与估计点的距离的平方和达到最小。,即得到k和b的表达式,将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。,注：最小二乘法的拟合精度很高,但校准曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不一定最小,最大正、负偏差的绝对值也不一定相等。特点：拟合精度高，计算复杂。,2迟滞,迟滞特性说明传感器加载（输入量增大）和卸载（输入量减小）输入输出特性曲线不重合的程度。,第一章 传感器概述,产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等,第一章 传感器概述,3重复性,重复性是指传感器输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。,第一章 传感器概述,4灵敏度,5分辨力,分辨力是指传感器可能检测出被测信号的最小增量。,第一章 传感器概述,二、传感器的动态特性,1.概述,传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。,2.频率特性及其与动态品质之间的关系,在研究传感器时域动态特性时，为表征传感器的动态特性常用上升时间trs、响应时间tst、过调量c等参数来综合描述。,上升时间trs 输出指示值从最终稳定值的5或10变到最终稳定值的95或90所需的时间；响应时间tst 从输入量开始起作用到输出指示值进入稳定值所规定的范围内所需要的时间。最终稳定值的允许范围常取所允许的测量误差值zr，如tst=5S(2%)；过调量c 输出第一次达到稳定值后又超出稳定值而出现的最大偏差。,第一章 传感器概述,3.传感器的动态时域特征,4.传感器的动态频域特征,第一章 传感器概述,特性关系式：拉氏变换：变形：传递函数：,第一章 传感器概述,5.一阶传感器,具有简单能量变换的传感器，其动态性能多数可用一阶微分方程来描述。,一阶传感器的微分方程的通式:,可以改写为:,第一章 传感器概述,可得到典型一阶传感器的频率特性:,6.二阶传感器,第一章 传感器概述,典型二阶传感器的微分方程通式为：,第一章 传感器概述,第一章 传感器概述,1.3 传感器标定,传感器的标定，就是通过试验确立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。因此标定有两个含义：确定传感器的性能指标明确这些性能指标所适用的环境,1.3 传感器标定,1.3.1 静态标定1.静态标定目的：确定静态技术指标。2.静态标准条件 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。所谓静态标准是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量），环境温度一般为室温（205），相对湿度不大于85%，大气压力为1017KPa时的情况。,1.3 传感器标定,3静态特性标定的方法 对传感器进行静态特性标定，首先要创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定用仪器设备，然后才能开始对传感器进行静态特性标定。标定过程步骤如下：（1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；（2）根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准值，并记录下与各输入值相对应的输出值；（3）将输入值由大到小一点一点地减少下来，同时记录下与各输入值相 对应的输出值；（4）按（2），（3）所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的一组输出输入测试数据用表格列出或绘成曲线；（5）对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。,1.3 传感器标定,1.3.2 传感器的动态特性标定动态标定目的：传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应。与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数，二阶传感器则有固有频率和阻尼比两个参数。动态标定方法：测量传感器的阶跃响应，可以确定传感器的时间常数，固有频率和阻尼比。,习题,1传感器一般由哪几部分组成？它们分别起什么作用？2传感器分类有哪几种？它们各适合在什么情况下使用？3什么是传感器的静态特性？它由哪些主要性能指标来描述？4什么是传感器的动态特性？常用什么方法来分析？5传感器的标定有哪两种？标定的目的是什么？,最小二乘法的Matlab实现 一次函数使用polyfit（x,y,1）多项式函数使用 polyfit（x,y,n），n为次数拟合曲线 x=0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0，y=1.75,2.45,3.81,4.80,7.00,8.60。解：MATLAB程序如下：x=0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0;y=1.75,2.45,3.81,4.80,7.00,8.60;p=polyfit(x,y,2)x1=0.5:0.05:3.0;y1=polyval(p,x1);plot(x,y,*r,x1,y1,-b)计算结果为：p=0.5614 0.8287 1.1560 即所得多项式为y=0.5614x2+0.08287x+1.15560 非线性函数使用 lsqcurvefit(fun,x0,x,y),