传感器与检测技术(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。

2024/2/29
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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。

2024/9/29
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霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS） 中旳应用
带有微
型磁铁
霍尔
旳霍尔
传感器
钢质
若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生 危险。用霍尔转速传感器来检测车轮旳转 动状态有利于控制刹车力旳大小。
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ABS旳工作原理
1—车速齿轮传感器 2—压力调整器 3—控制器
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霍尔转速表
在被测转速旳转轴上安装一种齿盘，也可 选用机械系统中旳一种齿轮，将线性型霍尔器 件及磁路系统接近齿盘。齿盘旳转动使磁路旳 磁阻随气隙旳变化而周期性地变化，霍尔器件 输出旳微小脉冲信号经隔直、放大、整形后能 够拟定被测物旳转速。
线性霍尔
NS
磁铁
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霍尔式接近开关
当磁铁旳有效磁 极接近、并到达动作 距离时，霍尔式接近 开关动作。霍尔接近 开关一般还配一块钕 铁硼磁铁。
SL3501T
N
mA
DC
DC
VCC 12V
10mA
1
3
V
2
+
_
·
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8.2.2 线性集成霍尔传感器
2.线性集成霍尔传感器旳主要技术特征
输出电压UOUT（V）
2.5
2.0
R=0
1.5
R=15Ω
1.0
R=100Ω
0.5
0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 磁感应强度B（T）
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8.2.1 开关型集成霍尔传感器
3. 开关型集成霍尔传感器旳工作特征

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

变磁通式磁电传感器
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2
1
NS
(a)
31
A 6
A
7
5
5
6
(b)
(a) 开磁路； (b) 闭磁路
图（a）为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量 齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中 产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的 乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上 加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。
7.1.2
当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电
流Io为
I0
=
E R Rf
NBLv
=
R Rf
式中： Rf——测量电路输入电阻； R——线圈等效电阻。
I0
传E
感
器R
指示器
Rf
传感器的电流灵敏度为
SI
I0 v
NBL R Rf
而传感器的输出电压和电压灵敏度分别为
U0
I0Rf
NBLvRf R Rf
R3
R4
Rw
R3
R4
Rw
d
d
d
d
b
b
（a）不对称补偿
b
b
（b）对称补偿
寄生直流电动势的补偿
元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接 触，并做到均匀散热。
欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面 的电阻值远小于半导体本身的电阻。
霍尔元件的温度误差及其补偿
Ip
IH
Rp
I
UH
KH KH 0 (1 T )
7.1.1工作原理

XYXY0 a1
YXY0 YRY0
XR
10-16
式中 YX—被测目标参量X为输
入量时的输出值；
YR—标准值XR为输入量 时的输出值；
Y0—零点标准值X0为输入 量时的输出值.
图10-12 检测系统自校准原理框图
9
第10章 智能传感技术 三噪声抑制技术 如果信号的频谱和噪声的频谱不重合,则可 用滤波器消除噪声；当信号和噪声频带重合或噪 声的幅值比信号大时就需要采用其他的噪声抑制 方法,如相关技术、平均技术等来消除噪声.
30
第10章 智能传感技术
图10-48 基于IEEE1451.2的 网络传感器结构
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第10章 智能传感技术
其中STIM由符合标准的变送器自身带有内部信息包 括制造商、数据代码、序列号、使用的极限、未定量及 校准系数等组成.当电源接通时,这些数据可提供给NCAP 及系统其他部分.当NCAP读入一个STIM中TEDS数据时 ,NCAP可知道这个STIM的通信速度、通道数及每个通道 上变送器的数据格式,并知道所测物理量的单位及怎样将 所得到的原始数据转换为国际标准单位.
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第10章 智能传感技术
§10-3 网络传感器
一、网络传感器及其特点 网络传感器是指在现场级就实现了TCP/IP协议这里 ,TCP/IP协议是一个相对广泛的概念,还包括UDP、HTTP 、SMTP、POP3等协议的传感器,这种传感器使得现场 测控数据能就近登临网络,在网络所能及的范围内实时 发布和共享.
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第10章 智能传感技术
网络传感器就是采用标准的网络协议,同时采用模块 化结构将传感器和网络技术有机地结合在一起的智能传 感器.它是测控网中的一个独立节点,其敏感元件输出的模 拟信号经A/D转换及数据处理后,能由网络处理装置根据 程序的设定和网络协议封装成数据帧,并加上目的地址,通 过网络接口传输到网络上.反之,网络处理器又能接收网络 上其他节点传给自己的数据和命令,实现对本节点的操作. 网络传感器的基本结构如图10-46所示.

uN
ur
T2 （a) C1 C2
uM
ur
t
t
T1
uN
ur
t
t
T2
（b) C1 C2
u0＝(uAB )DC
C1 C2 C1 C2
um
变极距型：u0
d d0
um
A
变面积型：u0 A0 um
差动脉冲宽度调制电路适用于变极板距离和变面积式 差动电容传感器，且为线性特性。
5.3 电容式传感器的应用
特点：
结构简单、体积小、分辨率高； 可实现非接触式测量； 动态响应好； 能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作； 电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干
扰产生不稳定现象。
5.1 电容式传感器的工作原理
A
d r
C＝ A＝0r A
d
d
在实际使用中，通常保持其中两个参数不变， 而只变其中一个参数，把该参数的变化转换成 电容量的变化，通过测量电路转换为电量输出。
C0
2
d d0
2
d d0
3
2
d d0
5
C C0
＝2
d d0
1
d d0
2
d d0
4
d d0
6
K C C0 2 d d0
3
＝
2
d d0
2
d
100 %
100 %
2 d
d0
d0
差动的好处
灵敏度得到一倍的改 善
C d 2
C0
d0
线性度得到改善
2
d d0
C0
d0
1
d d0
C ＝d C0 d0

〔3〕集成化
〔4〕采用“驱动电缆〞(双层屏蔽等位传输)技 术
〔5〕采用运算放大器法；
S&M Ch4
4.4 电容传感器的设计要点
4．防止和减小外界干扰
屏蔽和接地。
增加原始电容值以降低容抗。
导线和导线要离得远，以减小导线间分布电 容的静电感应。导线要尽可能短，最好成 直角排列，必须平行排列时可采用同轴屏 蔽线。
C 2 l
ln(r2 / r1)
l—外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； r2、r1 —圆筒内半径和内圆柱外半径。
当两圆筒相对移动Δl时，电容变化量ΔC为
2 l2 (l l) 2 l l
C ln r 2/r 1 ()ln r 2/r 1 () ln r 2/r 1 () C 0l
S&M Ch4
尽可能一点接地，防止多点按地。地线要用 粗的良导体或宽印刷线。
尽量采用差动式电容传感电路，可减小非线
性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电
容的影响和干扰。
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4.5 电容式传感器的转换电路
1. 电桥电路
图4-13 电容式传感器构成交流电桥的一些形式
S&M Ch4
4.5 电容式传感器的转换电路
u0 11(jjC Cx)uC Cx u
C
Cx
∑ -A
～u
uo
代入 Cx (S)/
u0
uC S
运算放大器式 电路原理图
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4.6 电容式传感器的应用举例
❖压力测量：差压传感器、变面积传感器、 荷重传感器
❖水分检测：粮食、油 ❖液位测量 ❖加速度测量
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4.6 电容式传感器的应用举例

图3.15 等效电路
图3.16 等效电路
3.3.1 电涡流传感器的工作原理 金属导体被置于变化着的磁场中，或在磁场中运动，导体内就会产生感应电流，该感应电流被称为电涡流或涡流，这种现象被称为涡流效应。 一般地，线圈电感量的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数、激励电流频率，以及线圈与被测导体之间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则电感量就成为此参数的单值函数。如只改变线圈与金属导体间的距离，则电感量的变化即可反映出这二者之间的距离大小变化。
图3.22 调频式测量电路
图3.23 电桥法原理图
3.4 变磁阻式传感器的应用
3.4.1 自感式传感器的应用 1．压力测量 2．位移测量
图3.26 差动变压器式加速度传感器原理图
1—罩壳；2—差动变压器；3—插头；4—膜盒；5—接头；6—衔铁 图3.27 差动变压器式压力传感器原理图
3.4.3 电涡流式传感器的应用 1．测位移
图3.29 主轴轴向位移测量原理图
图3.29 主轴轴向位移测量原理图
图3.11 变间隙式
3.2.3 测量电路 1．差动整流电路 图3.12所示为典型的差动全波整流电压输出电路。这种电路把差动变压器的两个次级输出电压分别全波整流，然后将整流电压的差值作为输出，电阻R0用于调整零点残余电压。 图3.13所示为差动全波整流电压输出波形。
图3.18 高频反射式电涡流传感器
图3.19 低频透射式电涡流传感器
3.3.3 测量电路 1．载波频率改变的调幅调频式 测量电路由3个部分组成：电容三点式振荡器、检波器和射极跟随器。
图3.20 调频调幅式测量电路
2．调频式测量电路 3．电桥电路

（2）数据融合的空间性
数据融合的空间性表示对同一时刻不同空间位置的多传感器观测值进行数据融合。
利用多传感器在同一时刻的观测结果进行数据融合时，要考虑数据融合的空间性。
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实际应用中，为获得观测目标的准确状态，往往需要同时考虑 数据融合的时间性与空间性。具体情况有： 1)先对每个传感器在不同时间的观测值进行融合，得出每个传感器 对目标状态的估计，然后将各个传感器的估计进行空间融合，从而 得到目标状态的最终估计。 2)先对同一时间不同空间位置的各传感器的观测值进行融合，得出 各个不同时间的观测目标估计，然后对不同时间的观测目标估计按 时间顺序进行融合，得出最终状态。 3)同时考虑数据融合的时间性与空间性，即上述(a)、(b)同时进行， 这样可以减少信息损失，提高数据融合系统的实时性。但同时进行 的难度大，只适合于大型多计算机的数据融合系统。
数据融合可分为三个层次：像素级融合17、特征级融合和决策级融合: （1）像素级融合
直接在采集到的原始数据层上进行的融合为像素级融合。这种融合在各种传感 器的原始观测信息未经预处理之前就进行数据综合分析，是最低层次的融合。 （2）特征级融合
6
看门狗电路 （NE555）
+5V稳压电源 （7805）
电磁干扰 滤波器
图11.2 由智能温度传感器构成温度测控系 统的电路框图
220V 50Hz电源
2. 分布式光纤温度传感器系统9
分布式光纤温度传感器系统是一种能实时测量空间温度场的高新 科技产品。它能连续测量光纤沿线所在处的温度，信号传输距离 可达几千米，空间定位精度为1m。它具有精度高、数据传输速度 快、自适应能力强等优点，可取代传统的电缆式温感火灾探测系 统。最近，我国自行开发的分布式光纤温度传感器系统采用先进 的半导体激光技术、光纤光学滤波技术、高速光电转换和信号采 集技术。其测量原理是在给光纤注入一定能量和宽度的激光脉冲 时，它就在传输的同时不断产生后向散射光波。这些后向散射光 波的状态与所在光纤散射点的温度有关，将散射回来的光波经过 波分复用、检测、解调后，再进行信号处理便可获得温度信号， 最终显示出实时温度值。

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 。