传感器与检测技术

现代检测技术大作业学院：电子与控制工程学院专业：控制工程与控制理论姓名：学号：任课教师：冯晓明二〇一四年一月目录一：概述--------------------------------------------1二：检测技术的特点----------------------------------1三：传感检测技术的地位和作用------------------------2四：传感器的基本原理--------------------------------2五：传感器的分类-------------------------------------3六：传感器的特性及主要性能指标-----------------------4七：基本特性的评价-----------------------------------6八：传感器的应用----------------------------------8现代检测技术一：概述随着现代科学技术的不断发展、社会的日益进步，现代化生产的规模越来越大，管理的形式和方式趋于多样性，管理也更加科学。人们对产品的产量和质量的要求也越来越高，这就导致常规的检测参数、检测手段、检测仪表难以满足现代生产和生活的需求。从一般的单参数测量到相关多参数的综合自动检测，从一般的参数量值测量到参数的状态估计，从确定性测量到模糊的判断等，已成为当前检测领域中的发展趋势，正受到越来越广泛的关注，从而形成了各种新的检测技术和新的检测方法，这些技术和方法统称为现代检测技术。二：检测技术的特点(1)从待测参数的性质看，现代检测技术主要用于非常见的参数的测量，对于这些参数的测量目前还没有合适的传感器对应，难以实现常规意义的“一一对应”的测量，另一种情况是待测参数虽已有传感器，但测量误差比较大，受各种因素的影响比较大，不能满足测量要求。(2)从应用的领域看，现代检测技术主要用于复杂设备、复杂过程的影响性能质量等方面的综合性参数的测量，如高速运动机械的故障分析、油品质量的检测、多相流系统中的流动参数的测量等。对于这样的被测对象或测量要求，很难用单一传感器来完成。(3)从使用的技术或方法看，现代检测技术主要利用了新型的传感技术或传感器。信号进行处理得到特征量，通过建立传感器的输出与待测量之间的模型，通过应用专业知识、数据库、规则等进行推理，根据被测量的信息获取待测量。三：传感检测技术的地位和作用1、地位，传感检测技术是一种随着现代科学技术的发展而迅猛发展的技术，是机电一体化系统不可缺少的关键技术之一。2、作用，能够进行信息获取、信息转换、信息传递及信息处理等功能。应用：计算机集成制造系统CIMS、柔性制造系统FMS、加工中心MC、计算机辅助制造系统CAM。四：传感器的基本原理利用某种转换功能将物理的、化学的、生物的等外界信号变成可直接测量的信号的器件称为传感器。由于电信号易于放大、反馈、滤波、微分、存储和远距离传输，加上计算机只能处理电信号。所以，从狭义上说，传感器又可以定义为可唯一而重视性好的将外界信号转换成电信号的元器件;从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置，简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件，感知元件和转换器件组成。①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件如弹性敏感元件将力，力矩转换为位移或应变输出。②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数，电阻、电感、电容、及电流或电压等电信号。③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为：①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。五：传感器的分类1、按被测量对象分类（1）内部信息传感器主要检测系统内部的位置，速度、力、力矩（2）外部信息传感器主要检测系统的外部环境状态，它有相对应的接触式、触觉传感器、滑动觉传感器、压觉传感器和非接触式、视觉传感器、超声测距、激光测距。2、传感器按工作机理（1）物性型传感器是利用某种性质随被测参数的变化而变化的原理制成的，主要有：光电式传感器、压电式传感器。（2）结构型传感器是利用物理学中场的定律和运动定律等构成的，主要有①电感式传感器②电容式传感器③光栅式传感器。3、按被测物理量分类如位移传感器用于测量位移，温度传感器用于测量温度。4、按工作原理分类主要是有利于传感器的设计和应用。5、按传感器能量源分类（1）无源型，不需外加电源。而是将被测量的相关能量转换成电量输出，主要有：压电式、磁电感应式、热电式、光电式又称能量转化型。（2）有原型，需要外加电源才能输出电量，又称能量控制型主要有：电阻式、电容式、电感式、霍尔式。6、按输出信号的性质分类（1）开关型，二值型是“1”和“0”或开(ON)和关（OFF（2）模拟型，输出是与输入物理量变换相对应的连续变化的电量，其输入/输出可线性也可非线性。（3）数字型，①计数型又称脉冲数字型，它可以是任何一种脉冲发生器所发出的脉冲数与输入量成正比。②代码型又称编码型。输出的信号是数字代码，各码道的状态随输入量变化。其代码“1”为高电平“0”为低电平。六：传感器的特性及主要性能指标1、传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系：有静态特性和动态特性。2、传感器的静态特性是当传感器的输入量为常量或随时间作缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系叫静态特性，简称静特性。表征传感器静态特性的指标有线性度、敏感度、重复性等。3、传感器的动态特性是指传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为动态特性，简称动特性。传感器的动态特性取决于传感器的本身及输入信号的形式。传感器按其传递转换信息的形式可分为①接触式环节②模拟环节③数字环节。评定其动4、传感器的主要性能要求是：（1）高精度、低成本。(2)高灵敏度。(3)工作可靠。(4)稳定性好,应长期工作稳定,抗腐蚀性好。（5）抗干扰能力强。（6）动态性能良好。（7）结构简单、小巧使用维护方便等。七：基本特性的评价1、测量范围是指传感器在允许误差限内，其被测量值的范围量程，则是指传感器在测量范围内上限值和下限值之差。2、过载能力，一般情况下在不引起传感器的规定性能指标永久改变条件下，传感器允许超过其测量范围的能力。过载能力通常用允许超过测量上限或下限的被测量值与量程的百分比表示。3、灵敏度是指传感器输出量Y与引起此变化的输入量的变化X之比。4、灵敏度表示传感器或传感检测系统对被测物理量变化的反应化量越小，即被测量稍有微小变化，传感器就有较大输出。K值越大，对外界反应越强。5、反映非线性误差的程度是线性度。线性度是以一定的拟合直Lmax与理论量程输出值Y=ymax—ymin的百分比进行计算。6、稳定性在相同条件，相当长时间内，其输入/输出特性不发生变化的能力，影响传感器稳定性的因素是时间和环境。7、温度影响其零漂。零漂是指还没输入时，输出值随时间变化而变化。长期使用会产生蠕变现象。8、重复性是衡量在同一工作条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标，分散范围小，重复性越好。9、精确度简称精度，它表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度，是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。10、分辨力是指传感器能检出被测量的最小变化量。11、动态特性反映了传感器对于随时间变化的动态量的响应特性传感器的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真测量条件。一般地，时间快，工作频率范围宽。12、环境参数指传感器允许使用的工作温度范围以及环境压力、环境振动和冲击等引起的环境压力误差，环境振动误差和冲击误差。八：传感器的应用温度传感器的智能测温仪温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用，利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发，随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域。一种数字式温度计以数字温度传感器作感温元件，它以单总线的连接方式，使电路大大的简化。传统的温度检测大多以热敏电阻为传感器，这类传感器可靠性差，测量温度准确率低且电路复杂。因此，本温度计摆脱了传统的温度测量方法，利用单片机对传感器进行控制。这样易于智能化控制。1主要应用元器件及基本要求该设计是以单片机STC89C52为控制核心，通过温度传感器DS18B20感受温度，实现温度测量功能并显示在LCD1602上。2单片机简介单片机简介STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机总控制电路如下图1：其性能指标为：工作电压：5.5v~3.3v(5v单片机)/3.8v~2.0v(3v单片机)工作频率范围：0~40MHZ,相当于8051的0~80MHZ,实际工作频率可大48MHZ。用户应用程序空间为8K字节，片上集成512字节RAM。通用I/O口（32个）,复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0是漏极。开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口使用时，需加上拉电阻。具有EEPROM功能与看门狗功能。具有3个16位的定时器/计数器。及定时器T0.T1.T2。3DS18B20简介DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。4LCD1602简介液晶显示屏LCD1602（如图3）以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越来广泛的应用。这里介绍的是字符型液晶模块是一种5*7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示内容可分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，本设计用的是常用的2行16个字的1602液晶模块。5传感器设计原理三个重要组成部分：温度检测模块、信号控制模块、液晶显示模块。（1）温度检测模块：温度检测模块主要使用的是DS18B20为传感器。该芯片性价比很高，可达到精度11位的精度，即最小分辨率可达0.0625摄氏度，测温范围为(-55,125)。MCU与其通信只需要一个线，使用很方便，电路连接上也是非常简单。（2）信号控制模块信号控制模块：STC89C52RC单片机，是整个系统的核心文件，用来存储和控制输出温度信号。（3）液晶显示模块液晶显示模块主要用来显示是测得的当前的温度值，选用1602，该模块还配有3个按键，可设置温度控制值。见图35DS18B20工作原理DS18B20的工作原理如图4所示，是用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55℃的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温