模拟式传感器信号的检测88页PPT

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重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。

物体的性质和成分量： • 空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、
浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色 状态量： • 工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异
常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、 断裂等）
电工量（U、I、f、R、Z、E、B ……在电工、电子等
课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。）
(2)动态误差。
第四十八页，共76页。
5．按使用条件分类
(1)基本误差。
(2)附加误差 。
6．按误差与被测量的关系分类
(1)定值误差。
(2)累积误差。
第三节 随机误差概率密度的正态分布
一、随机误差的实验结果——频率直方图
现在来研究一组无系统误差且无粗差的独立的等精度实验结果。所谓独立和等 精度测量，是指在相同条件下，对某量重复进行的独立测量。
第三页，共76页。
信息转换是将所提取的有用信息，根据下一单元需要，在幅值、功率及精度 等方面进行处理和转换。
信息处理的任务，视输出环节的需要，将变换后的电信号进行数字运算、A／D变 换等处理。
信息传输的任务是，在排除干扰的情况下经济地、准确无误地把信息进 行传递。
第四页，共76页。
检测（Detection）定义： 利用各种物理、化学效应，选择合 适的方法与装置，将生产、科研、生活 等各方面的有关信息通过检查与测量的 方法，赋予定性或定量结果的过程称为 检测技术。
模拟显示
的特点：
直观
第十三页，共76页。
光柱也属于模拟显光示柱显示
的特点：
一目了然
第十四页，共76页。
数字式仪表
数字式仪表的 特点： 准 确，但最后一 位经常跳动不 止。
热敏电阻

工业自动化领域应用案例
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温度传感器
在工业生产线上，温度传感器被广泛应用于监测 环境温度、设备温度等，以确保生产过程的稳定 性和安全性。
压力传感器
压力传感器在工业自动化领域具有重要地位，用 于监测管道压力、气缸压力等，以实现精确的流 程控制和设备保护。
流量传感器
流量传感器被用于测量液体或气体的流量，对于 化工、石油等行业的生产流程至关重要。
热电式传感器
利用热电效应，将 温度变化转换为电 信号。
传感器应用领域
智能家居
用于实现家庭环境的智能化控 制，如温度调节、照明控制等 。
医疗电子
用于监测人体生理参数，如体 温、血压、心率等。
工业自动化
用于监测和控制生产过程中的 各种参数，如温度、压力、流 量等。
汽车电子
用于监测和控制汽车的各种状 态，如车速、油量、胎压等。
智能家居领域应用案例
红外传感器
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红外传感器在智能家居中用于人体感应，如自动开关灯、自动
门等，提高家居便利性和节能性。
烟雾传感器
02
烟雾传感器是智能家居安全系统的重要组成部分，用于监测室
内烟雾浓度，及时发出警报，保障家庭安全。
温湿度传感器
03
温湿度传感器被用于智能家居环境中，监测室内温湿度变化，
为用户提供舒适的居住环境。
电感式检测
利用电感线圈在被测物体上产生的电磁感应现象，通过测量电感量 的变化来检测被测物体的位移、振动等参数。
压电式检测
利用压电元件在被测物体上产生的压电效应，通过测量电荷量的变 化来检测被测物体的压力、加速度等参数。
复合式检测技术
光电复合检测
将光学检测和电学检测相结合，利用光电转换器件将光信 号转换为电信号进行测量，具有高精度、高灵敏度等优点 。

第一节 概述
一、检测系统的功用及组成 功用: 用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、 温度、距离、变形、位置、功率等)及其变化，并将这些 信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制 与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈 给控制装置或送去显示。 组成: 实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就 构成了机电一体化产品中的检测系统。
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二、机电一体化对检测系统的基本要求
1.精度、灵敏度和分辨率高； 2.线性、稳定性和重复性好； 3.抗干扰能力强； 4.静、动态特性好。 其它要求:体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修 、耐环境性能好等。
三、检测系统设计的任务、方法和步骤 检测系统设计的主要任务： 根据使用要求合理选用传感器，并设计或选用相应的信号 检测与处理电路以构成检测系统，对检测系统进行分析与 调试，使在机电一体化产品中实现预期的计测功能。
Z
U0 2Z0 Ui
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通过具有中间抽头的变压器二次线圈对传感器的一对差动 阻抗对称供电，其输出电压与传感器阻抗变化之间的关系 为：
Z
U0 2Z0 Ui
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(三)非差动桥式电路
若传感器的基准阻抗为Z0，并 取Z＝ZR＝Z0，传感器阻抗随 被测量的变化为Δ Z，则
Z U0 4Z0 2Z Ui
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当电容传感器的电容C或电 阻传感器的电阻R变化时， 输出电压的幅值U0＝Ui／2 不变，但相位角φ 却随之变 化，其输出特性表达式为：
2arctan 1 CR
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阻感相位电桥
输出信号相位随传感器电感 L或电阻R的变化关系为:
2arctan R L
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(四)调频电路

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1.2检测技术理论基础
1.2.2 测量方法
1) 直接测量、间接测量和组合测量 (又称联立 测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后
结果，则称这样的测量为组合测量。
2) 偏差式测量、零位式测量与微差式测量
3) 等精度测量与非等精度测量
4) 静态测量与动态测量
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1.1.3 传感器基本特性
当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其 输入输出关系特性称为静态特性。
传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性 ，即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测 量）x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所 示。
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1.1.3 传感器基本特性
2．传感器的分类
（1）按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、 电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及 热电式传感器等。
（2）按照其被测量对象，传感器可分为力、位移、速度、 加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温 度和光等。
（3）按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合型 传感器。物性型传感器是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。结构型传感器是依 靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。
敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号 的元件。
测量电路(measuring circuit)： 将转换
元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如 放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特 性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功 能。

xmin 100% YFS
.
6．稳定性。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期 稳定性描述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长 的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又 用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。
7．漂移。传感器的漂移是指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）。
.
1.3.1测量误差及其分类
误差的定义
测量误差(error of measurement)是指测得值与被
测量真值之差，可用下式表示： 测量误差=测得值-真值
若定义中的测得值是用测量方式获得的被测量的测
量结果，则得到测量误差的定义为：测量误差=测量结果-真
值
若定义中的测得值是指计量仪器的示值，则得到计
1.1.3传感器的分类 1．按输入量（被测量）分类 2．按工作原理（机理）分类 3、按能量的关系分类 4．按输出信号的形式分类
.
1.2 传感器的特性
静态特性和动态特性
输入量X和输输出Y的关系通常可用多项式表示
静态特性可以用一组性能指标来描述，如线性度、灵敏度、精确度（精 度）、重复性、迟滞、漂移、阈值和分辨率、稳定性、量程等。
2替代法其实质是在测量装置上测量被测量后不改变测量条件立即用相应标准量代替被测量放到测量装置上再次进行测量从而得到此标准量测量结果与已知标准量的差值即系统误差取其负值即可作为被测量测量结果的修正先将被测量x放于天平一侧标准砝码p放于另一侧调至天平平衡则有xpl此时移去被测量x用标准砝码q代替使天平重新平衡则有qpl2l1所以有xq

控制系统的自动化水平高低。
传感器的选用主要取决于建模参数和被测 量、测量精度和灵敏度要求以及测量系统的 成本等因素。

(4) 传感器的品质参数 灵敏度 分辨率 准确度 精密度




重复性
线性度
灵敏度
灵敏度反映传感器对被测量变化的 响应能力。
O S I
输出变化量
输入变化量
分辨率
如果已知总体精度上限，要计算各部件的 误差，则假定各部件误差对总精度的影响 是均等的。
f N xi xi n
N xi f n xi
[实例]已知角速度与作用力的关系式 试求转速的不确定性。 [解]
F 5 0 0 3 1 6 . 2 3 m r 0 . 20 . 0 2 5
霍尔传感器的应用—— 测量焊接电流
在标准的园环铁芯开一 小缺口，将霍尔元件放在 缺口处，被测电流的导线 穿过铁心时就产生磁场B， 则霍尔传感器有输出。当 测出的小于 规定的焊接电流时，可 控硅的导通角增大，焊接 电流变大，测出的电压大 于规定的焊接电流时，可 控硅的导通角减，焊接电 流变小，控制焊接回路的 电流。
性；
没有机械电位器特有的滑片，彻底解决了滑 片接触不良的问题；体积小，节省空间，易于装 配；寿命长，可靠性高。
数字电位器与机械式电位器的区别
类 特 型 性 机 无 械 源 式 数 有 字 源 式 电阻变 调节 位置 自动 化规律 方法 记忆 复位 连续 变化 阶梯 变化 手动 有 没有 使用 体 寿命 积 短 大
为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿, 电路补偿的方法较多,可采用以下方法。
• 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；
• 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；

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。
➢一般用传感器对于标准动态输入信号的响应来衡量传感器 的动态特性。标准动信号为正弦信号、阶跃信号和单位脉冲 信号。
环境影响量指由外界坏境变化而引起的示值变化量。由两个因素构成，一个 是零漂、二是灵敏度漂移。表示环境影响量时，必须同时写出示值偏差及 造成这一偏差的影响因素。
例： 0.1A/U ( 表5% 示电)源电压变化5%时，将引起示值变化0.1uA.
例：某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数 字面板表，它的量程为0-10m（从面板表上可以看到， 事实上只能显示9.99m,属于3位表），非线性训差为 1.5%，使用环境温度为0-30度，温漂为0.001m/度， 请确定该产品是否能满足满度相对误差不大于2.0%的 要求。
在下图中，弹簧管将压力转换为角位 移α
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弹簧管放大图
当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿 条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生 角位移。
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其他各种弹性敏感元件
在上图中的各种弹性元件也能将压力转 换为角位移或直线位移。
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压力传感器的外形及内部结构
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测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参 量转换成易于处理的电压、电流或频率量。
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在左图中，当 电位器的两端加上 电源后，电位器就 组成分压比电路， 它的输出量是与压 力成一定关系的电 压Uo 。

作。
常见传感器及其 应用
电阻式传感器
定义：电阻式传感器是一种利用电阻值的变化来测量物理量的器件 工作原理：通过测量电阻值的变化来反映被测量的变化 应用领域：在工业自动化、汽车、航空航天等领域有广泛应用 常见类型：应变片、热电阻等
电容式传感器
工作原理：通过 测量电容器极板 间距离的变化来 感知外界物理量
传感器信号滤波技术：介绍滤波器的种类、性能指标及选择方法，如低通滤波器、高通滤波器等。
传感器信号处理电路：介绍信号处理电路的结构、工作原理及性能指标，如运算放大器、比较器 等。
传感器信号接口技术：介绍传感器与微处理器之间的接口电路设计，如AD转换器、DA转换器术：将物理量 转换为电信号，常用的转换技术 包括电阻式、电容式、电感式等。
添加标题
传感器的作用：传感器在测量技术中扮演着重要的角色，它能够将各种物理量（如温度、压力、位移、 速度等）转换为电信号，从而实现对这些物理量的测量和控制。
添加标题
传感器的分类：根据不同的工作原理和应用领域，传感器可以分为多种类型，如电阻式、电容式、电感 式、光电式、磁电式等。
添加标题
传感器的应用：传感器在各个领域都有广泛的应用，如工业自动化、航空航天、交通运输、医疗保健等。 同时，随着物联网、人工智能等技术的不断发展，传感器的应用场景也将不断扩展。
新工艺在传感器制造中的应用：探讨新型工艺如3D打印、纳米加工等在传感器制造 中的应用，降低成本，提高生产效率。
新材料与新工艺对传感器性能的影响：分析新材料和新工艺对传感器性能的影响，如 灵敏度、响应速度、稳定性等方面的提升。
新材料与新工艺在传感器应用领域的拓展：探讨新材料与新工艺在传感器应用领域 的拓展，如医疗、环保、能源等领域的应用前景。

Ui
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(二)差动电路 差动电路主要用于差动式传感器信号的转换。
当被测量发生变化时，传感器阻抗也 随之变化，设变化量为Δ Z，则 Z1＝Z0+ΔZ ，Z2＝Z0 -ΔZ ，于是
U0 Z2 Z1 Z 2 Ui Z 0 Z 2Z0 Ui
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采用对称电源供电，在传感器处 于平衡位置时，电路输出为零； 当传感器失衡后，输出电压与阻 抗的变化成正比，即:
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将Uc按傅里叶级数展开得：
Uc 1 2 2

cos c t
2 3
cos 3 c t
将ui与Uc相乘后，再用带通滤波器滤除直流分量和频率高 于3ωc的高频分量，就得到相乘调制信号
us 2

u i cos c t
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2．包络检波
是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极管 等具有单向导电性能的器件，截去调幅信号的下半部，再 用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅波包络线变化 的调制信号。
第一节 概述
一、检测系统的功用及组成 功用: 用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量(如力、 温度、距离、变形、位置、功率等)及其变化，并将这些 信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制 与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈 给控制装置或送去显示。 组成: 实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就 构成了机电一体化产品中的检测系统。
Z Z0
U0
Ui
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主要用于直流电桥中，两个阻抗元件Z的中点接地，构成 对称供电形式。当传感器处于平衡位置时，输出电压为零 ；当传感器失衡后，输出电压为:
U0 Z 2Z0 Ui

模拟式传感器信号的检测
1、 舟 遥 遥 以 轻飏， 风飘飘 而吹衣 。 2、 秋 菊 有 佳 色，裛 露掇其 英。 3、 日 月 掷 人 去，有 志不获 骋。 4、 未 言 心 相 醉，不 再接杯 酒。 5、 黄 发 垂 髫 ，并怡 然自乐 。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左

40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
谢谢你的阅读
❖Байду номын сангаас知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
模拟式传感器信号的检测
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯