第2章传感器概述.ppt

传感器与测试技术,浙江理工大学信电学院,交作业时间调整,由于实验安排调整，教学日历有所调整，作业上交时间相应调整如下：第一次上交作业时间为10月24日（第8周），作业内容为：1-10、1-13、2-4、3-6、4-9、5-7、6-8，共七题。第二次上交作业时间为11月21日（第12周），内容待定。,主要内容：2.1 什么是传感器 2.2 传感器的作用和地位 2.3 传感器现状和国内外发展趋势 2.4 检测系统的组成原理 2.5 传感器的定义、组成和分类方法 2.6 传感器的静态特性 2.7 传感器的静态特性,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器;煤气灶中的煤气泄漏传感器;水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器;照相机中的光传感器;汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？来看一个短片,2.1 什么是传感器？,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.1什么是传感器,传感器与测试技术,2.1什么是传感器,眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,第2章 传感器概述,人体系统和机器系统比较,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.1什么是传感器,人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,从广义的角度来说，信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。,2.1什么是传感器,动画按扭,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例:,2.1什么是传感器,动画按扭,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,动画按扭,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,动画按扭,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,车胎压力监测,动画按扭,指纹传感器,透光率传感器,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术（信息采集）；通信技术（信息传输）；计算机技术（信息处理）；它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的 信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。,传感器与测试技术,2.2传感器技术的作用和地位,第2章 传感器概述,目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起到的作用大的多。这几乎是无可争议的事实。传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,在基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。现代工业生产尤其是自动化生产过程中，需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。,传感器与测试技术,2.2传感器技术的作用和地位,第2章 传感器概述,工业生产,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,机器人,视觉:平面、立体非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,沙漠机器人,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,超声波测流量,红外测温,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,医疗诊断,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,智能建筑,门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统,指纹门禁,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,专为您的需求所设计的湿度传感器,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,烟气 测量,传感器与测试技术,2.2传感器技术的作用和地位,第2章 传感器概述,传感器具有以下作用和功能（1）测量与数据采集（2）检测与控制（3）诊断与监测（4）辅助观测仪器（5）资源探测（6）环境保护（7）医疗卫生（8）家用电器,传感器与测试技术,2.2传感器技术的作用和地位,第2章 传感器概述,未来世界是个充满传感器的世界，还会有：智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）智能,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.2传感器技术的作用和地位,传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视这一领域的发展。,传感器与测试技术,2.3传感器现状和国内外发展趋势,第2章 传感器概述,传感器现状据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6000余家。其中以美、日、俄等国实力较强，美、日、俄等 国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类 的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生 产能力达到几千万支到几亿支。1998年全世界传感器市场销售额已达325亿元，2006年销售额增至506亿美元。,传感器与测试技术,2.3 传感器现状和国内外发展趋势,第2章 传感器概述,我国的传感器技术及产业在国家“大力加强传感器 的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策 导向和资金的支持下，近年来也取得了较快发展。目前有1680多家传感器研发机构，产品约6000种，年产量13.2亿多支，其中约有12产品销往国外。到“十五”期末，敏感元器件与传感器年总产量 达到20亿支，销售总额达120亿元。,传感器与测试技术,2.3传感器现状和国内外发展趋势,第2章 传感器概述,传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、欧洲等发达国家。许多自动化方面的专家呼吁：目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器自身在智能化和网络方面的落后。,传感器与测试技术,2.3传感器现状和国内外发展趋势,第2章 传感器概述,传感器发展趋势：20世纪70年代以来以电量为输出的传感器得到飞 速发展，现代传感器已是测量仪器、智能化仪表、自动控制系统等装置必不可少的感知元件。几十年来传感技术的发展分为两个方面：2.提高与改善传感器的技术指标；2.寻找新原理、新材料、新工艺。为改善传感器性能采用多种技术途径：差动技术；平均技术；补偿修正技术；隔离抗干扰抑制、稳定性处理等等。,传感器与测试技术,2.3传感器现状和国内外发展趋势,第2章 传感器概述,目前传感器总的发展趋势是：（1）发展、利用新效应；（2）开发新材料；（3）提高传感器性能和检测范围；（4）微型化与微功耗；（5）集成化与多功能化；（6）传感器的智能化；（7）传感器的数字化和网络化。,传感器的数字化和网络化,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.3 传感器现状和国内外发展趋势,传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数字化、集成化、智能化和网络化的发展趋势。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.4检测系统的组成原理,各种传感器其输出信号的形式因传感器而异。检测仪器的输出或送控制器用以调节控制，或送至计算机作进一步处理。现代传感技术是自动检测和自动控制系统以及机电一体化的第一基础。,自动控制系统框图,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.4检测系统的组成原理,实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；化学领域中有浓度、成分、pH值等；工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量；工业领域的光泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.4检测系统的组成原理,另一方面，测量仪器的输出信号必须转化为电压、电流或数字量中的一种。由于传感器的种类很多，传感器的输出有各种形式，如热电偶、pH电极等输出为直流电压；热敏电阻、应变计、半导体气体传感器输出为电阻，。信号处理就是通过信号转换、放大、解调、A/D转换得到所希望的输出信号过程。这是检测系统中使用的共同技术。,普通电测仪表基本组成,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.4检测系统的组成原理,就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但无法实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自动检测与控制。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.4检测系统的组成原理,无论是电量测量还是非电量测量，数字电压表问世 以来，模拟式仪表逐渐被数字式仪表取代。微型计算机出现后形成崭新的微机自动化测试系统;单片微机对采集的数据进行处理并提供显示和记录 同时，也对整个测试过程进行控制。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.4检测系统的组成原理,动画按扭,自动检测系统实例,传感器与测试技术,2.5 传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义,第2章 传感器概述,广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准（GB766587）对传感器（Sensor/transducer）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和装置,传感器与测试技术,2.5传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义,第2章 传感器概述,测量仪器一般由信号检出器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其它物理量变化的器件，就是传感器。,传感器与测试技术,2.5 传感器的定义、组成和分类方法（1）传感器定义,第2章 传感器概述,以上定义表明传感器有以下含义：它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系；按使用的场合不同又称为:变换器、换能器、探测器。,传感器与测试技术,2.5传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成,第2章 传感器概述,传感器由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成：,敏感元件感受被测量;转换元件将响应的被测量转换成电参量;基本电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作理。,传感器与测试技术,2.5 传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成,第2章 传感器概述,传感器与测试技术,2.5传感器的定义、组成和分类方法（2）传感器的组成,第2章 传感器概述,传感器与测试技术,2.5 传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类,第2章 传感器概述,传感器分类方法较多,大体有以下几种：1）按传感器检测的范畴分类 物理量传感器 化学量传感器 生物量传感器,）按传感器的输出信号分类 模拟传感器数字传感器,传感器与测试技术,2.5 传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类,第2章 传感器概述,）按传感器的功能分类 单功能传感器 多功能传感器 智能传感器,）按传感器的工作机理分类 结构型传感器 物性型传感器 复合型传感器,传感器与测试技术,2.5 传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类,第2章 传感器概述,6）按传感器的能源分类 有源传感器 无源传感器,）按传感器的转换原理分类 机电传感器 光电传感器 热电电传感器 磁电传感器 电化学传感器,传感器与测试技术,2.5传感器的定义、组成和分类方法（3）传感器的分类,第2章 传感器概述,国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化学量、生物类传感器三大门类；含12个小类：力学量、热学量、光学量、磁学量、电学量、声学量、射线、气体、离子、温度传感器以及生化量、生理量传感器。各小类按两个层次又分若干品种,传感器与测试技术,2.6 传感器静态特性,传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。快变信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性；慢变信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。,第2章 传感器概述,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.6 传感器静态特性,当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信 号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特 性，输入输出关系称静态特性。静态特性可以用函数式表示为,静态特性包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：,2.6 传感器静态特性,其中：X 输入量，Y 输出量；a0 x=0 时的输出值 a1 理想灵敏度 a2,a3.an 非线性项系数,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.6 传感器静态特性,传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差 表示：,最大非线性绝对误差 满量程输出 线性度,（1）线性度,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.6 传感器静态特性,各种直线拟合方法,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（2）迟滞,传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不 重合的现象称迟滞。,2.6 传感器静态特性,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（2）迟滞,迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：,2.6 传感器静态特性,例：一电子秤增加砝码 10g 50g 100g 200g电桥输出 0.5 mv-2mv-4mv-10mv减砝码输出 1 mv-5mv-8mv-10mv,为正、反 行程输出值间的最大差值,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（3）重复性,2.6 传感器静态特性,传感器输入量按同一方向作多次测量时，输出特性不一致的程度。重复性误差属于随机误差,可用标准偏差表示：,或用最大重复偏差表示：,标准差；（23）置信度；,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（3）重复性,2.6 传感器静态特性,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（4）灵敏度,2.1 传感器静态特性,在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S=Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量：S=dy/dx,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（5）漂移,2.1 传感器静态特性,在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（5）漂移,2.1 传感器静态特性,最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20）时的输出值的变化量与温度变化量之比()来表示，即,t工作环境温度t偏离标准环境温度t20之差，即t=t-t20；yt传感器在环境温度t时的输出；y20传感器在环境温度t20时的输出。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（6）分辨率和阈值,2.1 传感器静态特性,分辨率 传感器能够检测到的最小输入增量；阈值 输入小到某种程度输出不再变化的X值；门槛灵敏度 指输入零点附近的分辨能力。,当输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,用频域法表示为：,当输入量随时间变化时,如:加速度、振动等，讨论传感器的动态特性。这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。用时域法表示成：,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的 响应特性：除理想状态，多数传感器的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差；传感器输出对时间变化的输入量的响应既反映了传感器的动态特性。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,例：动态测温 设环境温度为T0,水槽中水的温度为T,而且 T T0 传感器突然插入被测介质中；用热电偶测温,理想情况测试曲线T是阶跃变化的；实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（1）传递函数,2.7 传感器动态特性,当输入量随时间变化时，略去影响小的因素，假设传感器输入、输出在线性范围变化，它们的关系可用高阶常系数线性微分方程表示：,式中：Y输出；X输入；ai、bi 为常数,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数,定义拉氏变换,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,传感器的传递函数：,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（2）一阶系统的动态响应（惯性系统）,2.7 传感器动态特性,一阶系统传递函数,时间常数,静态灵敏度,K=1时传递函数可简化为：,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,一阶传感器的阶跃响应（瞬态响应）,2.7 传感器动态特性,由拉氏反变换得到单位阶跃响应信号为：,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,讨论：暂态响应是指数函数，输出曲线逐渐达到稳定；理论上t时才能达到稳定，当t=时即达到 稳定值的63.2%，可见时间常数越小越好，是 反映一阶传感器的重要参数；实际运用时t=4时工程上认为已达到稳定；由曲线看出它与动态测温相似，所以动态测温 是典型的一阶系统。,一阶传感器的阶跃响应,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,一阶传感器的阶跃响应,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,一阶传感器的频率响应,2.7 传感器动态特性,输入正弦信号 拉氏变换后,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,一阶传感器的频率响应,2.7 传感器动态特性,反变换后得出输出的振幅和频率变化特性,输出Y(t)有个两部分，瞬态响应成分、稳态响应成分，瞬态响应随时间t逐渐消失。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,忽略瞬态响应，稳态响应整理后为：,幅频特性：,相频特性：,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,讨论：一阶系统在时间常数 1才近似零阶系统特性，A（）k,（）0;输出y(t)反映输入x(t);当=1 时，传感器灵敏度下降3dB，如果灵敏度 下降到3db时的频率为工作频率上限，则：上限频率 为WH=1/，所以时间常数越小，WH越高工作频率 越宽，响应越好；,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,（2）二阶系统的动态响应（振动系统）,二阶系统传递函数,2.7 传感器动态特性,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,二阶传感器的阶跃响应,2.7 传感器动态特性,输入阶跃信号时拉氏变换为,输出拉氏变换,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,二阶传感器的阶跃响应,2.7 传感器动态特性,反变换为：,式中：,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,用 y(t)作图，不同阻尼比值曲线形式不同,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,一阶、二阶两条典型的阶跃响应曲线,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,讨论：根据阻尼比大小可分四种情况：2.=0，零阻尼等幅振荡，产生自激永远达不到 稳定；2.1过阻尼，稳定时间较长。实际取值稍有一点欠阻尼调整,取0.60.8 过冲量不太大，稳定时间不太长。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,二阶传感器的频率响应,2.7 传感器动态特性,一个起始静止的二阶系统,输入正弦信号,频率为时输出拉氏变换为：,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,二阶传感器的频率响应,2.7 传感器动态特性,幅频特性,相频特性,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,讨论：当时，幅值A()1，（）0；当1,且=(/n=1)时，在/n=1附 近有个峰值，会产生共振，相位差900-1800；传感器固有频率n至少应大于被测信号频率 的35倍n（35），保证增益避免共 振。,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,2.7 传感器动态特性,幅频特性,相频特性,传感器与测试技术,第2章 传感器概述,本章小结：,1.传感器的作用、发展、定义、组成、分类方法。2.传感器的静态特性指标包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度、稳定性。2.传感器的动态特性参数有：瞬态响应特性，频 率响应特性。3.分别讨论一阶传感器、二阶传感器的传递函数、传感器幅频特性、相频特性。,