第1章-检测技术的基础知识

传感器与检测技术SensorandMeasurementTechnology机电工程学院自动化教研室教材简介:名称:传感器与检测技术作者:宋文绪杨帆出版社:高等教育出版社章节:共十章结论:传感器处于外界环境与检测系统的接口位置，是检测系统获取信息的窗口。感官（视、听、嗅、味、触）信息加工处理传感器信息处理传感器的作用：引言人类活动：外界信息大脑肌体自动检测系统：外界信息计算机执行机构基础知识定义、分类发展趋势选用原则一般特性传感器原理检测技术应变传感器温度传感器压电传感器超声波传感器电感传感器电容传感器光电传感器其他传感器多传感器融合检测电路现代检测系统课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用本课程的教学目的和任务1.掌握各类传感器的基本理论:工作原理、主要特性。2.掌握常用传感器的工程设计方法和实验研究方法。3.传感器的合理选择和使用。主要参考书及参考网站参考网站:[1]传感器课程[2]仪表技术与传感器[3]传感器世界[4]中国传感器[5]传感器技术[6]21IC中国电子网[7]传感技术学报网[8]传感器资讯网主要参考书:第1章检测技术基础知识检测技术的基本概念1.1测量误差及修正1.2传感器的基本特性1.3传感器的标定1.4传感器的选用1.51.1.1检测技术1.1检测技术的基本概念检测技术：以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。研究内容：传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术、电量间互相转换技术。研究目的：自动检测系统的检测分辨率、精度、可靠性的提高。1.1.2自动检测系统被测量敏感元件（传感器）电子测量电路电源数据处理仪器指示仪记录仪计数器报警器图1自动检测系统框图1.1检测技术的基本概念自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号处理等系统的总称。通常是由被测量、敏感元件、电子测量电路和输出单元等组成，可完成信息获取、转换、显示和处理等功能。另外还包括电源和传输通道等不可缺少部分。输出单元1.1.3传感器传感器是测量装置，能完成检测任务。1.1检测技术的基本概念1.传感器的定义一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。被测量可以是物理量，也可能是化学量、生物量等。输出是气、光、电物理量，主要是电物理量。输入输出有对应关系，且有一定的精确度。2.传感器的组成一感二传，即感受被测信息，并传送出去。一般由敏感元件、转换元件和转换电路组成。图2传感器组成框图基本部分敏感元件转换元件转换电路辅助电源被测量输出弱信号直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。把敏感元件的输出转换成电参量。将前部分输出的弱信号放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。常见转换电路：放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等。1.1检测技术的基本概念例：设计一个简单的实验装置，测量一个直线运动的汽车的加速度（规定的被测量）。1.1检测技术的基本概念敏感元件转换元件+—转换线路输出敏感元件转换元件转换电路被测量电参量砝码m千克弹簧k转换电路加速度电参量a力mama/k位移v•ma/kL1.1检测技术的基本概念压电式加速度传感器运动方向21345Qx=d·Fx1.1检测技术的基本概念能将温度转换为电压的传感器—热电偶1.1检测技术的基本概念按用途分类:位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等3.传感器的分类按工作原理分类:应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按是否用电源分类:有源传感器、无源传感器按输出信号分类:模拟式、数字式1.1检测技术的基本概念超声传感器电感传感器电容传感器红外温度传感器磁阻传感器热电偶气体成分传感器流量传感器1.1检测技术的基本概念4.传感器的应用领域工业检测、自动控制系统汽车与传感器传感器与家用电器传感器在机器人上的应用传感器在医疗及人体医学上的应用传感器与环境保护传感器与航空及航天传感器与遥感技术兵器领域1.1检测技术的基本概念工业检测、自动控制系统炼铁高炉监控与传动系统在工业生产中，传感器也起着至关重要的作用。如一座大型炼钢厂就需要2万多台传感器和检测仪表工业检测、自动控制系统大型的石油化工厂需要6千台传感器和检测仪表楼宇自动控制系统控制管理的机电设备有：空调制冷、给水排水、变配电系统、照明系统、电梯等，常用的传感器有：温度、湿度、液位、流量、压差、空气压力。安全防护――防盗、防火、防燃气泄露、CCD（电子眼）监视器、烟雾传感器、气体传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器。自动识别――门禁管理系统、感应式IC卡识别、指纹识别。远程抄收与管理系统――水、电、气、热量通过传感器设置远程自动化抄表。巡更系统――保安管理。楼宇自动控制系统示意图HVAC(Heating,VentilationandAirConditioning):供热通风与空调工程楼宇自动控制系统汽车与传感器已不只局限于对行驶速度、行驶距离和发动机旋转速度的监控。安全监控：如汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等都得到了实际应用。传感器与家用电器日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用电器都安装了传感器。未来的家庭将由作为中央控制装置的微型计算机，通过各种传感器代替人监视家庭的各种状态，并通过控制设备进行着各种控制。如：安全监视与报警、空调及照明控制、耗能控制、太阳光自动跟踪、家务劳动自动化及人身健康管理等。传感器在机器人领域的应用高速度、高精度、劳动强度大或危险作业的场所的工作，机器人已逐步取代人类。要使机器人和人的功能更为接近，就要给机器人安装视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和重量感觉。传感器被称为机器人的“电五官”。传感器在医学上的应用可以对人体的表面和内部温度、血压、腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉搏及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。在早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛的范围内发挥作用。传感器与环境保护环球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境。为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。传感器与航空及航天飞行器飞行方向，姿态、飞行环境、飞行器本身的状态及内部设备的监控也都要通过传感器进行检测。传感器与遥感技术遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线，对目标进行探测和识别的技术。主要应用于气象观测、资源考察、地图测绘和军事侦察等。图为卫星通过遥感技术拍摄的美国某空军基地。兵器领域在兵器领域中，使用了诸如机械式、压电、电容、电磁、光纤、红外、激光、生物、微波等等传感器，以实现对周围环境的监测与目标定位信息的收集，从而更好的解决了安全、可靠的防卫能力。未来世界传感器的应用产物智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）；智能衣服（自动调节温度）；智能公路（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量）；智能汽车（无人驾驶、卫星定位）……5.当前传感器技术的主要发展趋势拓展测量范围，提高检测精度和可靠性。发现新现象,开发新材料。传感器向集成化、组合化、数字化方向发展。重视非接触式检测技术的研究，增强抗干扰能力，提高测量精度。智能化传感器仿生传感器的研究1.1检测技术的基本概念测量：1.2测量误差及修正用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。测量过程的核心是比较。测量方法：实现测量过程所采用的具体方法.确定测量方法的依据:被测量的性质、特点和测量任务的要求。1.测量误差：测量结果不能准确反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。1.2.1误差基本概念及表达式产生原因:①检测系统(仪表)不可能绝对精确;②测量原理的局限、测量方法的不尽完善;③环境因素和外界干扰;④测量过程被测对象的原有状态的改变.2.真值：一个量严格定义的理论值通常叫理论真值.①约定真值②相对真值1.2测量误差及修正3.绝对误差：绝对误差是仪表的指示值x与被测量的真值L0之间的差值，记做⊿x0xxL0Lxxxc修正值思考绝对误差越小，说明指示值越接近真值，测量精度越高?绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同。引入绝对误差后，被测量真值可以表示为计量工作中通常采用指示值加修正值的方法来保证测量值的准确可靠，修正值可以是数值、曲线、公式或数表。1.2测量误差及修正仪器1；测量10mm长度，绝对误差为0.1mm。仪器2：测量200mm长度，绝对误差为1mm。显然，仪器2更精确。所以，绝对误差越小，说明指示值越接近真值，测量精度越高的说法只适用于被测量相同的情况。绝对误差小不能代表测量精度高。例10.1100%1%1021100%0.5%2001.2测量误差及修正2.相对误差：绝对误差⊿x与被测量真值或实际值L0之比。常用百分数表示。即000100%100%xxLLL相对误差通常用于衡量测量的准确程度。相对误差越小，准确程度越高。结论相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。上例中仪器2相对误差小所以测量精确度高。1.2测量误差及修正使用相对误差来评定测量精度，也有局限性。它只能说明不同测量结果的准确程度，但不适用于衡量测量仪表本身的质量。为了更合理地评价仪表质量，采用了引用误差概念。1.2测量误差及修正引用误差也是一种相对误差，常应用于多档和连续刻度的仪器仪表中。用于衡量测量仪表本身的质量。100%xrA3.引用误差：绝对误差⊿x与仪表量程A的比值，通常以百分数表示。1.2测量误差及修正4.最大引用误差：如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值⊿xm代替⊿x，可得到最大引用误差rm一台确定的仪表或一个检测系统的最大引用误差是一个定值。100%mmxrA1.2测量误差及修正5.精度等级：测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等级的尺度。我国工业仪表常见的精度等级有0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级，5.0级。最大引用误差与精度等级G的关系为：精确度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大引用误差不超过±1.0％.也就是说:在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的±1％。max%G思考仪表的选用仅需考虑精度等级就可以了吗？1.2测量误差及修正现有电压表1：1.5级0～1000V，电压表2：2.5级0～300V，要测量220V的电压，试问采用哪个电压表更好、更精确？显然应该选用电压表2。max111max1%10001.5%100%100%100%100%6.82%220mΔxArAGLLL用电压表1测量220V电压时，示值的最大相对误差为用电压表2测量220V电压时，示值的最大相对误差为选用仪表时，一般使其最好能工作在不小于满刻度值2/3的区域。例max222max2%3002.5%100%100%100%100%3.41%220mΔxArAGLLL1.2测量误差及修正一、根据误差出现的规律分为系统误差、随机误差和粗大