1、传感器原理与检测技术传感器原理与检测技术传感器原理与检测技术检测就是去认识科学家西门子（W.Ven.Siemens）第一章概述一基本概念二传感器特性及其标定三误差分析及处理技术一、基本概念传感器传感器的分类检测技术检测系统组成及各部分特点传感器及检测技术的发展传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、转换电路敏感元件敏感元件能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件如金属或半导体应变片如金属或半导体应变片，能
2、感受压力的大小而引起形能感受压力的大小而引起形变变，形变程度就是对压力大小的响应形变程度就是对压力大小的响应。铂电阻能感受温铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的阻值的变化就是对温度升降的响应响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或半而金属或半导体应变片导体应变片，就是一种压力敏感元件就是一种压力敏感元件转换元件转换元件上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能
3、。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。一、基本概念传感器传感器的分类检测技术检测系统组成及各部分特点传感器及检测技术的发展传感器的分类1根据被测物理量分类速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。2按工作原理分类应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。3按能量的传递方式分类有源的和无源的传感器。一、基本概念传感器传感器的分类检测技术检测系统组成及各部分特点传感器及检测技术的发展检 测 技 术检测技术是研究自动检测系统中的信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术，是自动化技术
4、四个支柱之一。从信息科学角度考察，检测技术任务有：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性|定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法和相应的设备。一、基本概念传感器传感器的分类检测技术检测系统组成及各部分特点传感器及检测技术的发展检测系统的组成检测系统的组成一个广义的检测系统一般由激励装置、被测对象、敏感元件、调理电路与输出单元所组成。下图是自动检测系统组成框图。检测系统各部分的特点检测系统各部分的特点1.有时，为便于有效测量，需要给被测对象施加激励信号，这样可使被测对象处
5、于预定状态，并将其有关方向的内在联系充分显示出来。2.被测对象的特性均以信号的形式给出，而被测信号一般都是随时间变化的动态量，即使在检测不随时间变化的静态量时，由于混有动态的干扰噪声，所以，通常也按动态量进行检测。3.敏感元件是将感知的被测量按一定规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。如果不是电信号，就需经变换电路将其变成电信号。4.信号调理电路一般有两个作用，一是信号转换和放大，二是信号处理，即滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理等。5.输出装置的种类很多，可根据需要进行配置。现代检测系统采用了计算机和网络技术将调理电路输出的信号直接送到信号分析设备中，进行在线处理。为保证测量结果的准确
6、性、稳定性，上述环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真关系。一、基本概念传感器传感器的分类检测技术检测系统组成及各部分特点传感器及检测技术的发展现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术,它们分别完成对被测量的信息提取、信息传输及信息处理。目前,信息传输与处理技术已取得突破性进展,然而传感器的发展相对滞后。在今天信息时代,各种控制系统对自动化程度、复杂性以及环境适应性(如高温、高速、野外、地下、高空等)的要求越来越高,需要获取的信息量也越来越多,它不仅对传感器测量精度、响应速度、可靠性提出了很高的要求,而且需求信号远距离传输。新型传感器的开发新型传感器的开发这是发展高
7、性能、高功能、低成本和小型化传感器的重要途径。制作此类传感器是利用各种物理、化学效应和定律。新型传感器层出不穷，如利用量子力学诸效应研制的高灵敏阀传感器，响应速度极快的红外传感器，光纤传感器等。高灵敏阀传感器可用来检测极微弱的信号，红外传感器是利用光子滞后效应制作的，有响应速度极快的优点。传感器的集成化传感器的集成化传感器的集成化是利用集成电路制作技术和微机械加工技术将多个功能相同、功能相近或功能不同的传感器件集成为一维线型传感器或二维面型(阵列)传感器；或利用微电子电路制作技术和微型计算机接口技术将传感器与信号调理、补偿等电路集成在同一芯片上。前一种集成具体可分为三种类型：1.将多个功能相同
8、的敏感元件集成在同一芯片上，检测被测量的线状、面状、甚至体状的分布信息。2.将多个结构相似、功能相近的敏感元件集成在同一芯片上，在保证测量精度下扩大传感器的测量范围。3.将多个不同功能的敏感元件集成在同一芯片上，使传感器能测量不同性质的参数，实现综合检测。微传感器一般是指敏感元件的特征尺寸从几m到几mm的这类传感器的总称,它包括三种结构形式：1、微型传感器，通常它是单一功能的简单传感器，其敏感元件工艺一般与集成工艺兼容。2、具有微机械结构敏感元件的机电一体化的微结构传感器。3、具有数字接口、自检、EPROM(CPU)、数字补偿和总线兼容等功能的微传感器系统。传感器的智能化传感器的智能化、网络化
9、网络化智能传感器系统采用微机械加工技术和大规模集成电路技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号处理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上，故又称集成智能传感器(Integrated Smart/Intelligent Sensor)。智能传感器系统具有自检测、自补偿、自校正、自诊断、远程设定、状态组令、信息储存和记忆等功能。检测技术的发展检测技术的发展随着世界各国现代化步伐的加快，对检测技术的要求越来越高。目前，现代检测技术发展的总趋势大体有以下几个方面：1.不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性2.传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展3.重视非接触式检测技术研究3.检测系统
10、智能化第一章 概述一 基本概念二 传感器特性及其标定三 误差分析及处理技术二、传感器特性及其标定静态特性传感器的动态特性静、动态特性标定传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。通常用来描述静态特性的指标有：测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞等。测量范围测量范围测量范围是指传感器能正常工作时的最小输入值与最大输入值之间的范围。精度精度与精度有关的指标有三个，即精密度、准确度和精确度。稳定性稳定性传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时间内的变化，即用所谓的稳定度表示；二是指在传感器外部环
11、境和工作条件变化时而引起输出值的变化，即用影响量来表示。例如，某传感器输出电压值每小时变化1.3mv/h。又如，某传感器由于电源变化10%而引起其输出值变化0.02mA，则应写成0.02mA/(u10%)。灵敏度灵敏度传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与由它引起的输出增量之间的函数关系。更确切地说，灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率，可用下式表示：(1-1)(kdxdf(x)xuxfdd 灵敏阈与分辨力灵敏阈与分辨力灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所
12、代表的输入量的大小。对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨力，即仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值。从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则是死区或不灵敏度。迟滞迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中 输入特性曲线不重合的程度称为迟滞。重复性重复性重复性是指传感器沿同一方向变化时，在全量程范围内连续进行多次测试，所得到的各特性曲线重复程度。二、传感器特性及其标定静态特性传感器的动态特性静、动态特性标定动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间的函数。研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。
13、零阶传感器动态特性指标零阶传感器动态特性指标零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化，其输出量的幅值总是与输入量成确定的比例关系，在时间上也不滞后，幅角等于零。所以零阶传感器的动态特性指标就是静态特性指标。一阶传感器动态特性指标一阶传感器动态特性指标一阶传感器动态特性指标有：静态灵敏度和时间常数。如果时间常数越小，系统的频率特性就越好。在弹簧阻尼系统中，就要求系统的阻尼系数小，而弹簧刚度要大。二阶传感器的传递函数：(1-2)频率函数：(1-3)12)(0202ssKsH020221)(jKjH幅频特性为：(1-4)相频特性为：(1-5)202220)(4)(1)(KjH)()(2)(00 arc
14、tg上面各式中：系统无阻尼时的固有振动角频率,=；k 弹簧常数；m 质量；相对阻尼系数,=；C 阻尼器阻尼系数；K 静态灵敏度，。00mkkmC2201mK 由于大多数传感器均为二阶系统,所以我们要专门讨论二阶系统的阶跃响应。根据二阶系统相对阻尼系数的大小，将其二阶响应分成三种情况：既1时过阻尼；=1时临界阻尼；1时的欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应迟钝，动作缓慢，所以一般传感器都设计成欠阻尼的，一般取值为0.60.8。二、传感器特性及其标定静态特性传感器的动态特性静、动态特性标定传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性进
15、行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的标定分静态标定和动态标定传感器的标定分静态标定和动态标定:1.感器静态特性标定感器静态特性标定传感器静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。2.传感器动态特性标定传感器动态特性标定传感器动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。第一章 概述一 基本概念二 传感器特性及其标定三 误差分析及处理技术三 误差分析及处理技术测量误差的基本概念误差的分类和来源系统误差和随机误差的表达式基本误差和附加误差测量误差的
16、估计和校正测量误差的合成与分配1.绝对误差绝对误差绝对误差是示值（或称测量值）与被测量真值之间的差值。2.相对误差相对误差由于绝对误差不能确切地反映出测量的准确度，所以引出相对误差的概念。相对误差是绝对误差与真值（或实际值）之比。3.引用误差引用误差引用误差实际上是一种实用方便的相对误差，只是将相对误差计算时分母由实际值（或测量值）换成测量范围的上限即可。也就是说，引用误差是绝对误差与测量范围上限之比。由于测量范围上限与被测量大小无关，因此，它实质上是一个绝对误差的最大值。三 误差分析及处理技术测量误差的基本概念误差的分类和来源系统误差和随机误差的表达式基本误差和附加误差测量误差的估计和校正测
17、量误差的合成与分配根据误差出现的规律可将误差分为系统误差、随机误差和粗大误差三种。1.系统误差在相同条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，与某一个或几个因素成函数关系的有规律的误差，称为系统误差。2.随机误差随机误差又称偶数误差，简称随差。凡服从统计规律的误差就称随机误差。3.粗大误差粗大误差是一种明显与实际值不符的误差。三 误差分析及处理技术测量误差的基本概念误差的分类和来源系统误差和随机误差的表达式基本误差和附加误差测量误差的估计和校正测量误差的合成与分配 设对某被测量进行了等精度独立的几次测量，得值，则测定值的算术平均值为：当测量次数n趋于无穷大（n）时，
18、算术平均值（又称取样平均值）的极限称为测定值的总体平均值，用符号A表示，即niinxnnxxxx1211niixnLimxLimA11nxxx,21测定值的总体平均值A与测定值真值L0之差被定义为系统误差，用符号表示n次测量中，各次测定值()与其总体平均值A之差被定义为随机误差，用符号表示，即若将与相加，就可得到各次测定的绝对误差，即这说明各次测量值的绝对误差等于系统误差和随机误差的代数和。0LAixni1iAxii（）ni1iix00)()(LxAxLAxiiii三 误差分析及处理技术测量误差的基本概念误差的分类和来源系统误差和随机误差的表达式基本误差和附加误差测量误差的估计和校正测量误差的
19、合成与分配如果按使用条件来划分，可将误差分为基本误差和附加误差。1.基本误差测量仪表在额定条件下工作所具有的误差即为基本误差。2.附加误差当使用条件偏离标准条件时，传感器和仪表就会在基本误差的基础上增加新的系统误差，称为附加误差。三 误差分析及处理技术测量误差的基本概念误差的分类和来源系统误差和随机误差的表达式基本误差和附加误差测量误差的估计和校正测量误差的合成与分配1.随机误差对测量结果的影响及统计处理2.系统误差的发现与校正实验对比法这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件下的测量，以发现系统误差。但这种方法适用于发现不变的系统误差。剩余误差观察法剩余误差为某测量值与测量平均值
20、之差，即。根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律，可以直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。但这种方法主要是用于发现有规律变化的系统误差。xxpii不同公式计算标准误差比较法对等精度测量，可用不同公式计算标准误差，通过比较可以发现系统误差。计算数据比较法对同一量进行测量得到多组数据，通过计算数据比较，判断是否满足随机误差条件，以发现系统误差。系统误差校正的方法有补偿法差动法比值补偿法测量数据的修正三 误差分析及处理技术测量误差的基本概念误差的分类和来源系统误差和随机误差的表达式基本误差和附加误差测量误差的估计和校正测量误差的合成与分配系统误差的合成系统误差的合成一个测量系统或
21、一台测量仪表都是由若干部分组成，而各部分又都存在测量误差，各局部误差对整个测量系统或仪表测量误差的影响就是误差的合成问题。1.系统误差的合成2.随机误差的分配3.最佳测量方案的选择测量误差的分配测量误差的分配若预先对测量系统或仪表总误差提出要求，则如何确定各组成环节的单项误差之值，就是误差的合理分配问题。1.系统误差的分配系统误差的分配是指在组成一测量系统或设计一台测量仪表时，应当怎样合理分配各环节或各元件的系统误差。2.随机误差的分配随机误差本身的特点给误差分配带来了困难，在误差分配时采用等精度分配原则，即认为各环节的随机误差均相等，把总的误差平均分配各环节。3.最佳测量方案的选择对于确定的测量任务，为使其测量误差最小，要从多方采取措施，以提高测量精度。选择合理的测量方法。选择合适的测量仪表。选择合适的测量点。对于间接测量，被测量与直接测量值之间有一定的函数关系。首先选择合适的函数关系，此后选择合适的测量点，使各直接测量点的误差合成后为最小。
