第1章 传感器与检测技术基本概论

同学们好！自动检测技术与仪表高群[e-mail]课程邮箱：用户名（自动检测技术）：[e-mail]密码（山东工商学院）：sdgsxy1234人用手取书的反馈控制系统眼睛大脑手、手臂眼睛输入信号（书的位置）输出信号（手的位置）传感器控制器电机等设备传感器输入信号输出信号用软硬件模拟人用手取书的反馈控制系统自动检测系统的总体框图待检测物理量传感器电路信号信号调理电路A/D数字信号合适的电压或电流信号CPU键盘设定显示控制空调的显示和键盘2006全国大学生电子设计竞赛题目－－液位自动控制装置基本要求1.通过键盘可以设定B瓶里的液位（0-25cm内的任意值），并通过控制电磁阀使B瓶的液位达到设定值。2.液位误差不超过±0.3cm。3.液位超过25cm或液位低于2cm时发出警报。4.显示器能实时显示当前液位状态和瓶内液体重量，以及阀门状态。通信单片机显示键盘MC1413声光报警入水电磁阀出水电磁阀A/D转换器放大电路液压传感器B瓶继电器继电器放大电路温度测量电路液位传感器采用无补偿型压力传感器MPX10，它是一种离子注入式X型硅压力传感器，压力测量范围为0-10KPa，线性度是±1%，满量程电压35mv，零点偏移量（Offset）为0～35mV，灵敏度3.5mv/kPa，破碎压力100KPa，不带温度补偿。它能提供一个精确的、直接与外加压力成正比的线性电压输出，是标准的无补偿型压力传感器.2010山东省大学生电子设计竞赛题目－－F题宿舍智能防盗防火报警系统【本科组】一、任务设计一个报警系统（低成本），系统应用于学生宿舍，能自动监视宿舍内的安全情况，有异常情况发生时能立即发出报警和求助信息。二、要求1.基本要求（1）实现人体检测与声光报警功能。（2）实现烟雾检测与声光报警功能。（3）用键盘输入密码完成报警系统的解警等工作状况。（4）实现异地监控。（5）能反映宿舍内人员的进出情况及人数的记录。（6）宿舍无人时提示锁门。2.发挥部分（1）人体检测范围5米左右。（2）能记录最近几天的宿舍安防情况。（3）实现网络控制，可在监控点监控多个宿舍。（4）能检测本宿舍贵重物品的进出情况。热释电红外人体传感器烟雾传感器热释电传感器加上一个菲涅尔透镜，增加感应距离“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛光电组—红外车比赛的赛道“山商迅雷”队的“牛车”“山商迅雷”队的“眼睛”—RPR220“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛光电组的高级车—激光车激光车传感器“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛摄像头车摄像头车传感器测速码盘测速用的编码器“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛电磁车电磁车传感器—高精度电容和电感赛道中心黑色线下铺设有直径0.1-0.8mm漆包线，其中通有20KHz，100mA的交变电流。频率范围20K±1K，电流范围(100±20mA)。★学时：48学时。其中授课：40学时；实验：8学时★成绩考核分三部分：考试、实验、平时成绩评定：本门课程的总成绩＝期末考试成绩×70%+实验成绩×15%+平时成绩×15%★期末考试方式：闭卷考试平时成绩包括平时作业、上课情况第1章传感器与检测技术基本概论•1.0绪言•1.1传感器的基本概论•1.2检测系统的静态特性与性能指标•1.3检测系统的动态特性与性能指标检测技术在生活、生产中的应用为了了解某一生产（比如葡萄酒和化工）过程或试验的进展情况，我们必须对能表征它们特征、状态的各物理量进行测量，比如电压、电流、温度、压力、流量、液位、成分等。通过对这些参数的大小、变化速度、变化方向等进行监督和控制，就能使生产或试验过程处于最佳的状态。1.0绪言检测技术这门学科涉及的内容1.必须弄清楚物理原理（传感器的传感原理），被测量的一般是非电量：热工参数中的温度、压力、流量、液位等；机械量参数中的尺寸、位移、速度、加速度等；物性参数中的酸碱度、湿度、成分含量等。2.进行非电量电量的转换。3.对转换的信号进行调理，便于传输和处理。4.研究在终端的接受方式和显示方式。5.对整个系统的误差进行分析。1.1.1传感器的定义1.1传感器的概论1.1.2传感器及检测系统的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成。敏感元件：感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。变换元件：又称传感元件，将敏感元件感测到的物理量转换为电量信号（大多数情况下是电量信号）。有的传感器可以明显的分为敏感元件和变换元件，比如膜片和应变片组成的压力传感器；有的传感器的敏感元件同时又是变换元件，比如热电偶、热电阻等。信号调理与转换电路：把传感器输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的信号。敏感元件转换元件转换电路被测量电量1、按被测量分类：1.1.3传感器的分类电工量：电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等；热工量：温度、热量、比热、热流、热分布，压力、压差、真空度，流量、流速，物位、液位、界面等；机械量：位移、形状，力、应力、力矩，重量、质量，转速、线速度，振动、加速度、噪声等；物性和成分量：气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；光学量：光强、光通量、光照度、辐射能量等；状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。2、按测量原理分类：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、超声波式传感器、磁敏式传感器等。传感器的测量原理都是基于物理、化学、生物等各种效应和定律。这种分类方法可以从原理上认识输入与输出之间的关系。3、按信号变换特征分类：结构型：通过传感器结构参数的变化实现信号变换，比如电容式传感器。物性型：利用传感器材料本身物理属性的变化实现信号变换，比如压电式传感器、热电阻温度传感器等。4、按能量关系分类：能量转换型（有源）：传感器直接使用被测对象输入的能量工作，比如热电偶、光电池等。能量控制型（无源）：传感器从外部获得能量工作，比如电阻式传感器、电感式传感器等。1.1.4传感器技术的发展方向1、测量仪器向高精度和多功能发展。2、参数测量与数据处理向自动化方向发展。3、传感器向智能化、集成化、微型化、量子化、网络化方向发展。4、开展极端测量。1.2检测系统的基本概论一、概念1、检测：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。2、自动检测与转换技术：能自动完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。二、检测系统构成信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（分析处理部分、通信接口及总线）（1）传感器传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律转换成一个相应的便于传递的输出信号。传感器在检测系统中占有重要的位置，它获取信息的正确与否决定了检测系统的精度。（2）信号调理信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的(微弱)信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。例如，工程上常见的热电阻型数字温度检测（控制）仪表其传感器Pt100输出信号为热电阻值的变化，为便于后续处理，通常需设计一个四臂电桥，把随被测温度变化的热电阻阻值转换成电压信号；由于信号中往往夹杂着50Hz工频等噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。对信号调理电路的一般要求是：(1)能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；(2)信噪比高，抗干扰性能要好。（3）数据采集数据采集在检测系统中的作用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一系列数字信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。数据采集系统通常以各类模/数（A/D）转换器为核心，辅以模拟多路开关、采样/保持器、输入缓冲器、输出锁存器等组成。（4）信号处理信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用与功能和人的大脑相类似。现代检测仪表、检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的DSP或直接采用工业控制计算机。（5）信号显示通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况；因此，各类检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的当前值后通常均需送各自的显示器作实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一，显示器一般可分为模拟式、数字式和屏幕式三种。（6）信号输出在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后除送显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给控制器或其它执行器、打印机、记录仪等，从而构成闭环控制系统或实现打印（记录）输出。检测仪表和检测系统信号输出通常为经D/A变换和放大后的4～20mA的模拟电压、开关量、脉宽调制PWM、串行数字通信和并行数字输出等多种形式，需根据测控系统的具体要求确定。（7）输入设备输入设备是操作人员和检测仪表或检测系统联系的另一主要环节，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。最简单的输入设备是各种开关、按钮。检测技术是仪器仪表的技术基础。三、检测系统的作用1、检测技术在国民经济中起着极其重要的地位。2、检测是科学研究的基础。3、现在出现了“信息处理能力发达，检测功能不足”的局面，新型传感器有待进一步发展。四、检测技术的现状与发展1、检测方法的推进。2、检测仪器与计算机技术的集成。1.3传感器与检测系统的基本特性一、传感器的数学模型概述（参考《自控原理》的知识）1、静态模型输入信号不随时间变化情况下，传感器输出量与输入量之间的函数关系。一般可用多项式来表示。2、动态模型输入信号为随时间变化的量，传感器输出量与输入量之间的数学关系。一般可用微分方程或传递函数来表示。测量仪表测量的量一般有两种形式：一种是稳定的，不随时间变化或变化及其缓慢，称为静态信号；一种是随时间变化的，称为动态信号。因此，测量仪表的特性通常分为静态特性和动态特性两大类。二、检测系统的静态特性与性能指标静态检测是指测量时，检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化很缓慢。静态检测时，系统所表现出的响应特性称为静态响应特性。1、线性度（非线性误差）非线性误差是衡量实际特性偏离线性程度的指标，它取实际值与理论值之间的绝对误差的最大值和仪表量程之比的百分数。00max100SFLLy线性度仪器的量程输出与理论最大偏差xyS2、灵敏度灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：线性系统的灵敏度S为常数，即输入输出关系直线的斜率，斜率越大，其灵敏度就越高。非线性系统的灵敏度S是变量，是输入输出关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度。要注意灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，系统的稳定性就越差，测量范围相应就越小。3、重复性重复性表示检测系统在输入量按同一方向做全程多次测量时，所得的特性曲线不一致性的程度。%100maxFSxYE4、迟滞（变差、回程误差）迟滞特性表示检测系统在正(输入量增大)、反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象称为迟滞。%100/maxFSHHy式中△Hmax—正反行程间输出的最大差值。迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即0yx⊿HmaxyFS迟滞特性5、精确度（精度）相关的概念：a.精密度：测量仪表输出值的分散性，是随机误差大小的标志。b.正确度：它说明仪表输出值与真值的偏离程度，是系统误差大小的标志。c.精确度：它是精密度和准确度两者的总和，精确度高表示精密度准确度都比较高。以射击为例，加深对三个概念的理解。(a)准确度高，精密度低；(b)准确度低，精密度高；(c)精确度高6、分辨力能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示检测系统或仪表装置分辨输入量微小变化的能力。当被测量变化