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第1章胡向东传感器与检测技术PPT

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1检测技术的基本概念

1检测技术的基本概念

1．工程测量和精密测量

按对测量结果精确度的要求，测量可以分 为工程测量和精密测量。
1．工程测量和精密测量

工程测量是指一般工作中所进行的测量。 工程测量对测量结果往往只要求获得测量 值，不需要考虑测量误差的大小或估计测 量值的可信程度。
1．工程测量和精密测量


用于工程测量的设备或仪器，其灵敏度及 准确度都比较低，对进行测量的环境条件 几乎没有什么特殊要求，给出的测量值也 比较稳定。 工程测量中，经单次测量或多次测量所给 出的测量结果完全是一样的，所以这种测 量不需要考虑测量误差的问题。
2．测量过程


测量过程中最主要的一个环节是比较。 测量过程的实质就是将被测量与同种性质 的标准单位量进行比较的过程。 在进行测量时，把被测量与同种性质的标 准单位量进行比较，并确定被测量与标准 单位量之间的倍数，然后用这个倍数来表 示测量结果。
X0
Q u
2．测量过程

设被测量为Q，相应的标准单位量为u，则 测量过程可用如下的数学表达式来描述： Q 或


精密测量通过测量获得测量结果后，还要 求估计出测量结果的误差确切值。 精密测量在误差理论的指导下，需要经过 反复多次的重复测量过程，所用的测量仪 器和设备应该具有比较高的准确度和灵敏 度，在每次测量中能够反映出测量误差的 变化和存在。
1．工程测量和精密测量


在测量完成后把所获得的数据根据误差理 论进行处理，计算出最佳测量结果，并估 计出测量误差的确切值。 进行精密测量所要求的条件比工程测量严 格，大多数是在实验室内进行，所以也叫 实验室测量。
2．间接测量


间接测量的优点在于测量准确度比较高， 缺点在于测量过程中比较繁琐，所需的时 间比较长。 这种测量方法是在科学实验中广泛采用的 方法，在工程测量中也有应用。

传感器与检测技术_ppt课件第一章[1].

传感器与检测技术_ppt课件第一章[1].

占第［章传感器理论基础1.1传感器基础1.1.1传感器的概念传感器(Transducer/Sensor)是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用量的器件和装置。

传感器就是把非电量转换成电量的装置。

.1.2传感器的组成和分类■ 1.传感器的组成■传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成，如图—I所示。

电信号1跚卜2013-4-22 21.1.2传感器的组成与分类敏感元件(sensing element)；直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，它是传感器的核心。

转换元件(transduction element)：将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(measunng 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。

2013-4-221.1.2传感器的组成和分类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O(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參数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。

2013-4-22 46■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丫⑴和输入信号(被测 *) x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所 力\ O2013-4-22£ 1・：L ・3传感器基本特性轟器的静态特性：1. 测I 量范围：传感器所能测*到的最小输入fi 与最大输入fi 之间 的范围称为传感器的测量范围.2. 量程：传感器测《范围的上限值与下限值的代数差-称为量程・3. 精度：传感器的精度是指测fl 结果的可靠程度，是测量中各类误差 的综合反映・工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了«度尊级 的概念.精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的 儿1.1.3传感器基本特性输入fS 号xit) ------------------------------------------ 彼测量输出值号 -------------- ► N)最大允许误差，即相对误差.4.灵敏度：灵敏度是指传感器输 出的变化量与引起该变化量的输入变 化i 之比，即，如右图所示.2013-4-22 >1倚性曲线 k !2013*： ■ 5.线性度：摘其输出S 与输入*之间的关系曲线偏离理 想宜线的程度.在非线性涙差不太大的情况下，通常采用直线拟 合的方法来线性化。

传感器与检测技术第一章(共41张PPT)

传感器与检测技术第一章(共41张PPT)

1.2 检测系统的组成
信号调理模块实物图
单通道信号调理电路
1.2 检测系统的组成
3. 数据采集 基于ARM9核的嵌入式控制器
转换速度 单位次/秒； 检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测
量信。噪比高，抗干扰性数能要据好。 采集是对信号调理后的连续模拟信号离散 化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的数值信息， 状态量 颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。
检测仪表和检测系统的输出信号通常有4～20 mA的电流模拟信号和脉宽调制PWM信号及串行数字通信信号等多种形式，需根据系统的具体要
求确定。
基于ARM9核的嵌入式控制器
1 传感器与检测技术的地位与作用
检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测
应用领域主要有： ➢石化行业的自动 化控制。 如右图，有液位、 温度、压力等检测。
1.1 传感器与检测技术的地位与作用
➢城市生活污水处理
主要有流量 检测、液位检 测和成分量检 测。
1.1 传感器与检测技术的地位与作用
➢新型武器和装备的研制与测试
定位与导航，图为中国研制的DF-21和雷达。
1.1 传感器与检测技术的地位与作用
7.输入设备 输入设备用于输入设置参数，下达有关命
令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘、 条码阅读器等。通过网络或各种通信总线利用 其他计算机或数字化智能终端，实现远程信息 和数据输入的方式将会得到更多的应用。
1.2 检测系统的组成
键盘
触摸屏
1.2 检测系统的组成

传感器与检测技术第胡向东剖析PPT课件

传感器与检测技术第胡向东剖析PPT课件

l l0
(g
s )t
R K0R0 K0R0 (g s )t
第19页/共68页
由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为
Rt R R
R0
R0
0t K0(g s )t
[0 K0(g s )]t
结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化
量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数 （K0, α0, βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。
dR＝
L A
d
＋
A
dL
L
A2
dA
电阻相对变化量：dR d dL dA R LA
式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为
dL
L
第6页/共68页
dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电 阻丝的半径，微分后可得dA=2πr dr，则 ：
dA 2 dr Ar 材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸
难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。
✓ 掌握应变、应变效应的基本概念； ✓ 牚握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性； 学习要求 ✓ 掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法； ✓ 了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用； ✓ 会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。
半导体应变片
1 2
K
灵敏度取决于电阻率的变化（压阻效应 为主）
半导体敏感条
引线
第12页/共68页
衬底
压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到 外力作用时，其电阻率发生变化的现象
分析：当半导体应变片受轴向力作用时 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有

传感器与检测技术完整ppt课件

传感器与检测技术完整ppt课件
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

传感器与检测技术第1章 传感与检测技术基础PPT课件

传感器与检测技术第1章 传感与检测技术基础PPT课件

1.2.1检测系统的组成
1.检测的概念 检测就是人们借助于仪器、设备，利用各
种物理效应，采用一定的方法，将被测量 的有关信息通过检查与测量获取定性或定 量信息的过程。这些仪器和设备的核心部 件就是传感器。检测包含检查与测量两个 方面，检查往往是获取定性信息，而测量 则是获取定量信息。
检测技术是以研究检测系统中的信息提取、 信息转换以及信息处理的理论与技术为主
如果传感器的输入量从零值开始缓慢地增
（5）迟滞
在传感器内部，由于某些元器件具有储能 效应，例如：弹性形变、磁滞现象、极化 效应等，使得被测量逐渐增加和逐渐减少 时，测量得到的上升曲线和下降曲线出现 不重合的现象，使传感器特性曲线形成环 状迟，滞误这差种γH现以正象、称反为向输迟出滞量，
的最大偏差与满量程输出之比的 百分数表示，即
种传感器产品的全称由“主题词 + 四级修 饰语”构成。 主题词 —— 传感器； 一级修饰语 —— 被测量，包括修饰被测量 的定语； 二级修饰语 —— 转换原理，一般可后缀以 “式”字；
2. 传感器的代号
国家标准 GB /T7666 —2005 规定，一种传 感器的代号应包括以下四部分：
主称——传感器，代号C；
1.2检测技术基础知识
当今传感器检测技术早已无处不在，如商 场、银行的自动门，酒店自动升降电梯， 洗手间的自动水龙头等都应用了传感器检 测与控制技术。 如何有效地利用传感器实 现各种参数的自动检查和精确测量，则是 整个自动控制系统的基础。为了更好地掌 握传感器检测技术的相关知识，需要对检 测技术的基本概念、基本测量方法、检测 系统的组成、测量误差及数据处理等方面 的理论及工程应用进行学习和研究，只有
传感器的量程可用测量范围的大小来表示， 即量程就是传感器测量上限值与测量下限 值的代数差。

《传感器与检测技术》胡向东ch07-2


科尔比诺圆盘
20 0
15
10
l/b=1/3 l/b=1
5 1
01
l/b=3
B(101T )
2 3 4 5 6 7 8 9 10
3、特性
-5
-3
磁阻
700 600 500 400 300 200
100 -1 0 1
B(0.1T )
3
5
电阻（）
150 100 50
0
20
电阻率相对变化 0.273 2B2 k(B)2 0
磁敏电阻：InSb、InAs
二、磁敏电阻的原理及特性
1、原理
I
I
I
BI
BI
B
I
2、结构
0

k
(
B)
2
1


f

l b

f l —— 形状效应系数 b l —— 电阻长度
b —— 电阻宽度
（2）电压输出特性
VOUT
2.0
（3）温度特性
1.5 1.0 0.5 0 -0.1 -0.5 -1.0
B(T )
0.1 0.2 0.3 0.4
VOUT（V）
1.5
1.0
V
0.5
V
-40 -20 0 20 40 60
T（C）
（4）伏安特性
I 2kGs1.15kkGGss
1.5kGs 0.5kGs
P
I
N
H
磁场H = 0： 少量电子和空穴 在 I 区、r区复合
正向磁场 H+ ： 电子和空穴偏向 r 区， 电流因复合增大而减小
反向磁场 H- ： 电子和空穴偏向 I 区， 电流因复合减少而增大

传感器与检测技术课件第1章绪论


1. 根据被测变量的最大、最小值，求出传感器测量 范围； 2. 在国家规定的标准系列中选取适合的测量范围。 例如：压力传感器 -0.1～0; -0.1～0.06、0.15 MPa;
(0～1、1.6、2.5、4、6、10)×10n kPa（n自然正、负整数）
2008-9-18 10
返回
1.3 传感器的选用、校验
γA =
Δx Δx 100 % = 100 % A0 A
Δx 100% xn
（1.3.6）
3．引用误差
q=
（1.3.8）
xn = xmax -xmin
2008-9-18
xn—仪表量程，即仪表测量范围上限值与下限值 之差
。
3
返回
1.2 传感器的性能指标
二、按误差性质分类 1. 系统误差 2. 随机误差 3. 疏忽误差 1.2.2 性能技术指标 Δx qmax = max 100% 一、基本误差 （1.3.9） xn 二、精确度及等级 1.精密度(precision) 在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，示 值之间的一致程度。从误差角度反映的是测得值的 随机误差。
2008-9-18 16
返回
2008-9-18 15
maxq 去掉±和％号 允
返回
小
结
精度等级 由传感器的最大引用误差和最大回差所决定。 已知精度等级、量程，则可知传感器允许引用误 差和允许回差（即允许误差）。 相同等级传感器，量程越大，则允许误差越大。 二、传感器的选用、校验 1. 选择 据测量值选量程; 据误差要求选精度; 据介质性质及使用要求选类型。 2. 校验 标准表的选择原则 校验方法、注意问题。
2008-9-18 4
返回
1.2 传感器的性能指标

传感器与检测技术版胡向东PPT课件


动势。
kT 1
大小表示： eA (T ,T0 ) e
T0
nA
(t
d )
[nA
(t
)t
]
eB (T ,T0 ) ...
A
eA (T ,T0 )
热电偶回路中产生的总热电势 T eAB (T )
T0 eAB (T0 )
B
eB (T ,T0 )
eAB(T, T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0)
对测温有何好处？
讨论
EAB
t, t0

kt e
ln
nA nB
t t
kt0 e
ln
nA nB
t0 t0
•影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关
•两热电极相同时，总电动势为0
•两接点温度相同时，总电动势为0
•对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c 为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，
T0 eAB (T0 )
接触电动势（两种导体）
含义：由于两种不同导体的自由电子
A
EAB (t)
＋＋＋ －－－
密度不同而在接触处形成的电动势。 nA nB
B
接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接 触点的温度。
两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为
EAB
t
kt e
ln
nA nB
B
B
t1
C
t1
（b)
EABC (t, t0 ) EAB (t) EAB (t0 ) EAB (t, t0 )
如何证明？（三种方法）
中间导体定律的应用

传感器与检测技术课件教学配套课件下载作者胡向东检测与控制检测与控制56.docx

《检测与控制》课程主要参考书：卢本、魏华胜主编，《检测与控制工程基础》，机械工业出版社，2001年7月。

学时安排：总40学时，其中，讲课34学时，实验6学时。

第一部分检测技术（史玉升老师，1~4章，共四章。

讲课14学时）第二部分自动控制技术（樊自田老师，5~8章。

讲课18学时，总复习2学时。

）主要参考书：（同上）其它参考书：（1）秦养浩主编，《自动控制原理》，1992年3月，安徽教育出版社。

（2）任哲主编，《自动控制原理》，1997年8月，冶金工业出版社。

（3）孙亮、杨鹏主编：《自动控制原理》，1999年9月，北京工业大学出版社。

几点说明：平时成绩30-40% （到课情况、作业、实验等），课程结束考试60-70% （闭卷）。

第五章自动控制系统理论基础第一节基本概念_、概述：1、引言：自动控制理论是自动控制技术的理论基础。

自动控制理论，一般可分为：古典控制理论、现代控制理论两大部分。

（1）古典控制理论古典控制理论以传递函数为基础，研究单输入、单输出一类自动控制系统的分析与设计。

它又有：时域分析法、根轨迹法、频率特征法等。

古典控制理论局限性：只适合于单输入、单输出的线性定常系统；对变系统、复杂的非线性系统和多输入、多输出系统无能为力。

(2)现代控制理论以矩阵理论为数学工具(即以现代计算机技术为依托)，建立在状态概念之上。

可满足现代控制系统中“控制任务更加复杂、控制精度要求越来越高”的要求。

现代控制理论适合于：多输入、多输出系统，线性、非线性系统，定常、时变系统。

(3)现代控制理论的新发展模糊控制、自适应控制、预见性控制等。

2、自动控制与自动控制系统(1)定义自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制装置对被控对象进行控制，使其某些物理量能自动地按照人们所预定的规律变化，以满足人们的使用要求。

自动控制系统：由被控对象和对其实行自动控制的一些装置组成的系统。

(2)自动控制系统举例举例一：液位自动控制系统举例二：电炉炉温自动控制系统3、自动控制系统中常用的术语为了便于研究和讨论，共同确定一些术语(详见参考书：93-94)(1) 被调量(或称输出量)： (2) 被控对象(或简称对象)： (3) 给定值(或称给定信号)： (4) 扰动(或称干扰)： (5) 输入量：(6) 反馈：有正反馈、负反馈之分，自动控制系统中主要应用负反馈。

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类
按传感器的构成进行分类： 按传感器的构成进行分类：物性型和结构型 按传感器的输入量（即被测参数）进行分类 按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、 速度、温度、压力传感器等 按传感器的输出量进行分类 ：模拟式和数字式 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型 按传感器的基本效应分类 按传感器的工作原理进行分类 ：应变式、电容式、电 感式、压电式、热电式传感器等 按传感器的能量变换关系进行分类： 按传感器的能量变换关系进行分类：有源（能量控制 型）、无源（能量变换型）
1.4.3 传感器的集成化
两种情况： 一是具有同样功能的传感器集成化，即将同一类型的 单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，形 成一维的线性传感器，从而使一个点的测量变成对一 个面和空间的测量。 二是不同功能的传感器集成化，即将具有不同功能的 传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组 装成一个器件，从而使一个传感器可以同时测量不同 种类的多个参数。
1.4 传感器技术的发展
传感器性能的改善 开展基础理论研究 传感器的集成化 传感器的智能化 传感器的网络化 传感器的微型化
1.4.1 传感器性能的改善
差动技术 平均技术 补偿与修正技术 屏蔽、 屏蔽、隔离与干扰抑制 稳定性处理
1.4.2 开展基础理论研究
寻找新原理 开发新材料 采用新工艺 探索新功能
传感器与检测技术
主讲： 主讲：胡向东 教授
第1章 章
概述
课程简介
1.1.1 本课程的地位和作用
1.1.2 本课程内容体系结构
按照传感器、检测技术和自动检测系统三大模块。 传感器部分主要包括传感器的基本特性、各类传统与 新型传感器的工作原理与应用（应变式、电感式、电 容式、压电式、磁电式、热电式、光电式、辐射与波 式、数字式、智能式传感器；化学传感器、生物传感 器、微传感器等） 检测技术主要包括参数检测、微弱信号检测、软测量、 多传感器数据融合、测量不确定度与回归分析等 检测系统主要包括虚拟仪器和自动检测系统等。
1.1.3 本课程的任务及要求
“传感器与检测技术”是一门涉及到电工电子技术、传感器技术、 光电检测技术、控制技术、计算机技术、数据处理技术、精密机 械设计技术等众多基础理论和技术的综合性技术，现代检测系统 通常集光、机、电于一体，软硬件相结合。 “传感器与检测技术”课程着重培养学生掌握传感器与检测技术 基本理论、基本方法，本课程是一门实践性很强的课程，在理论 学习的同时，要求学生通过实验和实践熟练掌握各类典型传感器 的基本原理和适用场合，掌握常用测量仪器的基本工作原理和工 作性能，能合理选用常用电子仪器、测量电路等，能根据测量要 求设计各类测量系统，能对测量结果进行误差分析和数据处理等， 达到理论与实践的高度统一，突出能力的培养。
1.2 传感器的定义与组成
传感器：能感受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 传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、 生物等特性，将非电量转换成电量 传感器功能：检测和转换。 敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息 （非电量）的元件 转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响 应）信息转换为电信号的部分
1.4.4 传感器的智能化
传感器与微处理器的结合：检测、信息处理、 传感器与微处理器的结合：检测、信息处理、 逻辑判断、 逻辑判断、自诊断等 作用： 作用：
– – –
提高测量精度 增加功能 提高自动化程度
1.4.5 传感器的网络化
主要表现为两个方面 一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE 1451.2工作组建立了智能传感器接口模块 （STIM）标准 二是以IEEE 802.15.4（Zigbee）为基础的 无线传感器网络技术得以迅速发展