传感器与检测技术PPT讲稿.ppt
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1、传感器与检测技术第1页,共116页,编辑于2022年,星期三21.1 1.1 1.1 1.1 传感器基础知识传感器基础知识传感器基础知识传感器基础知识1.1.1 1.1.1 传感器概述传感器概述1.1.2 1.1.2 提高传感器性能的技术途径提高传感器性能的技术途径1.1.3 1.1.3 传感器的弹性敏感元件传感器的弹性敏感元件1.1.4 1.1.4 传感器的标定和校准传感器的标定和校准1.1.5 1.1.5 传感器的选用原则传感器的选用原则第2页,共116页,编辑于2022年,星期三3(1)传感器的定义传感器的定义A A sensor sensor is is“a“a device devi
2、ce which which provides provides a a usable usable output output in response to a specified measurand”传传感感器器(Transducer/Sensor):能能感感受受规规定定的的被被测测量量并并按按一一定定规规律律转转换换成成可可输输出出信信号号的的器器件件或或装装置。又称为变换器、检测器、探测器。置。又称为变换器、检测器、探测器。1.1.1 传感器概述传感器概述第3页,共116页,编辑于2022年,星期三41.1.1 1.1.1 传感器概述传感器概述 人人人人类类类类为为为为了了了了从从从从
3、外外外外界界界界获获获获取取取取信信信信息息息息,必必必必须须须须借借借借助助助助于于于于感感感感觉觉觉觉器器器器官官官官。人人人人类类类类依依依依靠靠靠靠这这这这些些些些器器器器官官官官接接接接受受受受来来来来自自自自外外外外界界界界的的的的刺刺刺刺激激激激,再再再再通通通通过过过过大大大大脑脑脑脑分分分分析析析析判判判判断断断断,发发发发出出出出命命命命令令令令而而而而动动动动作作作作。随随随随着着着着科科科科学学学学技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展和和和和人人人人类类类类社社社社会会会会的的的的进进进进步步步步,人人人人类类类类为为为为了了了了进进进进一一一一步步步步认认认认识识
4、识识自自自自然然然然和和和和改改改改造造造造自自自自然然然然,只只只只靠靠靠靠这这这这些些些些感感感感觉觉觉觉器器器器官官官官就就就就显显显显得得得得很很很很不不不不够够够够了了了了。于于于于是是是是,一一一一系系系系列列列列代代代代替替替替、补补补补充充充充、延延延延伸伸伸伸人人人人的的的的感感感感觉觉觉觉器器器器官官官官功功功功能能能能的的的的各各各各种种种种手手手手段段段段就就就就应应应应运运运运而而而而生生生生,从而出现了各种用途的传感器。从而出现了各种用途的传感器。从而出现了各种用途的传感器。从而出现了各种用途的传感器。第4页,共116页,编辑于2022年,星期三51.1.1 1.1
5、.1 传感器概述传感器概述第5页,共116页,编辑于2022年,星期三6感感感感 官官官官 人人人人 脑脑脑脑执行装置执行装置执行装置执行装置肢肢肢肢 体体体体传感器传感器传感器传感器计算机计算机计算机计算机外外外外界界界界信信信信息息息息人体系统人体系统人体系统人体系统检测系统检测系统检测系统检测系统1.1.1 传感器概述传感器概述第6页,共116页,编辑于2022年,星期三71.1.1 传感器概述传感器概述第7页,共116页,编辑于2022年,星期三8 以以电电量量作作为为输输出出的的传传感感器器,其其发发展展历历史史最最短短,但但是是随随着着真真空空管管和和半半导导体体等等有有源源元元件
6、件的的可可靠靠性性的的提提高高,这这种种传传感感器器得得到到飞飞速速发发展展。目目前前只只要要提提到到传传感感器器,一一般般是是指指具具有有电电输输出出的的装装置置。由由于于集集成成电电路路技技术术和和半半导导体体应应用用技技术术的的发发展展,研研究究开开发发了了性性能能更更好好的的传传感感器器。随随着着电电子子设设备备水水平平不不断断提提高高、功功能能不不断断加加强强,传传感感器器也也越越来来越越显显得得重重要要。世世界界各各国国都都将将传传感感器器技技术术列列为为重重点点发发展展的的高高新新技技术术,传传感感器器技技术术已已成成为为高高新新技技术术竞竞争争的核心技术之一,并且发展十分迅速。
7、的核心技术之一,并且发展十分迅速。1.1.1 传感器概述传感器概述第8页,共116页,编辑于2022年,星期三9传感器的性能远远超过人体五官:传感器的性能远远超过人体五官:(1)测量人体感知的检测量;测量人体感知的检测量;(2)在恶劣环境下工作;在恶劣环境下工作;(3)测量范围宽、精度高、可靠性好。测量范围宽、精度高、可靠性好。1.1.1 传感器概述传感器概述第9页,共116页,编辑于2022年,星期三10(2)传感器的组成传感器的组成1)敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件 传感器中直接感受被测量的部分传感器中直接感受被测量的部分;敏感元件敏感元件转换元件转换元件信号调节信号调节转换电路转换电路
8、辅助电源辅助电源被测量被测量1.1.1 传感器概述传感器概述第10页,共116页,编辑于2022年,星期三11(2)传感器的组成传感器的组成2)转转转转换换换换元元元元件件件件 传传感感器器将将敏敏感感元元件件的的输输出出转转换换为为适适于传输和测量的电信号部分于传输和测量的电信号部分;敏感元件敏感元件转换元件转换元件信号调节信号调节转换电路转换电路辅助电源辅助电源被测量被测量1.1.1 传感器概述传感器概述第11页,共116页,编辑于2022年,星期三12(2)传感器的组成传感器的组成3)信信号号调调节节转转换换电电路路 将将传传感感器器输输出出的的微微弱弱信信号号放放大大或或变变换换为为容
9、容易易传传输输、处处理理、记记录录和和显显示示的的形形式式。有有放放大器、电桥、振荡器等。大器、电桥、振荡器等。敏感元件敏感元件转换元件转换元件信号调节信号调节转换电路转换电路辅助电源辅助电源被测量被测量1.1.1 传感器概述传感器概述第12页,共116页,编辑于2022年,星期三13例例1 压力传感器示意图压力传感器示意图第13页,共116页,编辑于2022年,星期三14说说明明:并并不不是是所所有有的的传传感感器器都都能能明明显显分分清清敏敏感感元元件件和和转转换换元元件件两两个个部部分分,而而是是两两者者合合二二而而一一。例例如如硅硅光光电电池池等等,它它们们都都是是将将感感受受的的被被
10、测测量量-光光能能,直直接接转转换换为为电电信信号号输输出出,没没有有中中间变换。间变换。例例2 硅光电池硅光电池第14页,共116页,编辑于2022年,星期三15(3)传感器的分类传感器的分类 传传感感器器种种类类繁繁多多,功功能能各各异异。由由于于同同一一被被测测量量可可用用不不同同转转换换原原理理实实现现探探测测,利利用用同同一一种种物物理理法法则则、化化学学反反应应或或生生物物效效应应可可设设计计制制作作出出检检测测不不同同被被测测量量的的传传感感器器,而而功功能能大大同同小小异异的的同同一一类类传传感感器器可可用用于于不同的技术领域,故传感器有不同的分类法。不同的技术领域,故传感器有
11、不同的分类法。1.1.1 传感器概述传感器概述第15页,共116页,编辑于2022年,星期三16(3)传感器的分类传感器的分类 根根据据传传感感器器感感知知外外界界信信息息所所依依据据的的基基本本效效应应,可可以以将将传传感感器器分分成成三三大大类类:基基于于物物理理效效应应如如光光、电电、声声、磁磁、热热等等效效应应进进行行工工作作的的物物理理传传感感器器;基基于于化化学学反反应应如如化化学学吸吸附附、选选择择性性化化学学反反应应等等进进行行工工作作的的化化学学传传感感器器;基基于于酶酶、抗抗体体、激激素素等等分分子子识识别别功功能能的的生生物物传传感感器。器。1.1.1 传感器概述传感器概
12、述第16页,共116页,编辑于2022年,星期三17 根根据据传传感感器器使使用用的的敏敏感感材材料料分分类类,可可分分为为半半导导体体传传感感器器、光光纤纤传传感感器器、陶陶瓷瓷传传感感器器、金金属属传传感感器器、高高分子材料传感器、复合材料传感器等等。分子材料传感器、复合材料传感器等等。按按照照被被测测量量分分类类,可可分分为为力力学学量量传传感感器器、热热量量传传感感器器、磁磁传传感感器器、光光传传感感器器、放放射射线线传传感感器器、气气体体成成分分传传感器、液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等。感器、液体成分传感器、离子传感器和真空传感器等等。(3)传感器的分类传感器的分类1.1
13、.1 传感器概述传感器概述第17页,共116页,编辑于2022年,星期三18 按按依依靠靠还还是是不不依依靠靠外外加加能能源源工工作作,可可分分为为有有源源传传感感器器和和无无源源传传感感器器。有有源源传传感感器器敏敏感感元元件件工工作作需需要要外外加电源,无源传感器工作不需外加电源。加电源,无源传感器工作不需外加电源。按按输输出出量量是是模模拟拟量量还还是是数数字字量量,可可分分为为模模拟拟量量传感器和数字量传感器。传感器和数字量传感器。(3)传感器的分类传感器的分类1.1.1 传感器概述传感器概述第18页,共116页,编辑于2022年,星期三19(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1
14、.1 传感器概述传感器概述 在在生生产产过过程程和和科科学学实实验验中中,要要对对各各种种各各样样的的参参数数进进行行检检测测和和控控制制,就就要要求求传传感感器器能能感感受受被被测测非非电电量量的的变变化化并并将将其其不不失失真真地地变变换换成成相相应应的的电电量量,这这取取决决于于传传感感器器的的基基本本特特性性,即即输输出出-输输入入特特性性。如如果果把把传传感感器器看看作作二二端端口口网网络络,即即有有两两个个输输入入端端和和两两个个输输出出端端,那那么么传传感感器器的的输输出出-输输入入特特性性是是与与其其内内部部结结构构参参数数有有关关的的外外部部特特性性。传传感感器器的的基基本本
15、特特性性可可用用静静态态特特性性和和动动态态特特性性来来描述。描述。第19页,共116页,编辑于2022年,星期三20(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述1)传感器的静态特性传感器的静态特性 传传感感器器的的静静态态特特性性是是指指被被测测量量的的值值处处于于稳稳定定状状态态时时的的输输出出输输入入关关系系。只只考考虑虑传传感感器器的的静静态态特特性性时时,输输入入量量与与输输出出量量之之间间的的关关系系式式中中不不含含有有时时间间变变量量。衡衡量量静静态态特特性性的的重重要要指指标标是是线线性性度度、灵灵敏敏度度、迟迟滞滞、重重复复性、和漂移等。性、和漂移等
16、。第20页,共116页,编辑于2022年,星期三21(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述线线线线性性性性度度度度 传传感感器器的的线线性性度度是是指指传传感感器器的的输输出出与与输输入入之之间间数数量量关关系系的的线线性性程程度度。输输出出与与输输入入关关系系可可分分为为线线性性特特性性和和非非线线性性特特性性。从从传传感感器器的的性性能能看看,希希望望具具有有线线性性关关系系,即即具具有有理理想想的的输输出出输输入入关关系系。但但实实际际遇遇到到的的传传感感器器大大多多为为非非线线性性,如如果果不不考考虑虑迟迟滞滞和和蠕蠕变变等等因因素素,传传感感器器的输出
17、与输入关系可用一个多项式表示。的输出与输入关系可用一个多项式表示。1)传感器的静态特性传感器的静态特性第21页,共116页,编辑于2022年,星期三22线性度线性度 第22页,共116页,编辑于2022年,星期三23(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述y=a0+a1x+a2x2+anxn1)传感器的静态特性传感器的静态特性线性度线性度线性度线性度各项系数不同各项系数不同,决定了特性曲线的具体形式各不相同。决定了特性曲线的具体形式各不相同。静静特特性性曲曲线线可可通通过过实实际际测测试试获获得得。在在实实际际使使用用中中,为为了了标标定定和和数数据据处处理理的的
18、方方便便,希希望望得得到到线线性性关关系系,因因此引入各种非线性补偿环节。此引入各种非线性补偿环节。第23页,共116页,编辑于2022年,星期三24(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述1)传感器的静态特性传感器的静态特性线性度线性度线性度线性度 通通常常采采用用非非线线性性补补偿偿电电路路或或计计算算机机软软件件进进行行线线性性化化处处理理,从从而而使使传传感感器器的的输输出出与与输输入入关关系系为为线线性性或或接接近近线线性性。但但如如果果传传感感器器非非线线性性的的方方次次不不高高,输输入入量量变变化化范范围围较较小小时时,可可用用一一条条直直线线(切切
19、线线或或割割线线)近近似似地地代代表表实实际际曲曲线线的的一一段段,使使传传感感器器输输出出-输输入入特特性性线线性性化化。所所采采用用的的直线称为拟合直线。直线称为拟合直线。第24页,共116页,编辑于2022年,星期三25几种直线拟合几种直线拟合几种直线拟合几种直线拟合方法方法方法方法 (a)(a)理论拟合理论拟合理论拟合理论拟合 (b)过零旋转过零旋转拟合拟合(c)端点连线端点连线端点连线端点连线拟合拟合拟合拟合(d)(d)端点平移端点平移拟合拟合 第25页,共116页,编辑于2022年,星期三26(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述1)传感器的静态特性
20、传感器的静态特性线性度线性度线性度线性度 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差(或线性度),通常用相对误差非线性误差(或线性度),通常用相对误差L表示,即表示,即第26页,共116页,编辑于2022年,星期三27(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述1)传感器的静态特性传感器的静态特性灵敏度灵敏度 灵敏度灵敏度S是指传感器的输出量增量是指传感器的输出量增量y 与引起输出量与引起输出量增量增量y的输入量增量的输入量增量x的比值,即的比值,即 S=y/x 对对于于线线性性传传感感器器,它它的的灵灵敏敏度度
21、就就是是它它的的静静态态特特性性的的斜斜率率,即即S=y/x为为常常数数,而而非非线线性性传传感感器器的的灵灵敏敏度为一变量度为一变量,用用S=dy/dx表示。表示。第27页,共116页,编辑于2022年,星期三28(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述1)传感器的静态特性传感器的静态特性灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度第28页,共116页,编辑于2022年,星期三29 传传感感器器在在正正(输输入入量量增增大大)反反(输输入入量量减减小小)行行程程期期间间其其输输出出-输输入入特特性性曲曲线线不不重重合合的的现现象象称称为为迟迟滞滞。也也就就是是说说,对对于于同同一一
22、大大小小的的输输入入信信号号,传传感感器器的的正正反反行行程程输输出出信信号号大大小小不不相相等等。产产生生这这种种现现象象的的主主要要原原因因是是由由于于传传感感器器敏敏感感元元件件材材料料的的物物理理性性质质和和机机械械零零部部件件的的缺缺陷陷所所造造成成的的,例例如如弹弹性性敏敏感感元元件件的的弹弹性性滞滞后后、运运动动部部件件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述1)传感器的静态特性传感器的静态特性迟滞迟滞迟滞迟滞第29页,共116页,编辑于2022年,星期三30 迟迟滞滞大大小小通
23、通常常由由实实验验确确定定。迟迟滞滞误误差差H可可由由下下式式计算计算:(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述1)传感器的静态特性传感器的静态特性迟滞迟滞第30页,共116页,编辑于2022年,星期三31 指指传传感感器器在在输输入入量量按按同同一一方方向向作作全全量量程程连连续续多多次次变变化化时时,所所得得特特性性曲曲线线不不一一致致的的程程度度。重重复复性性误误差差属属于于随随机机误误差差,常常用用标标准准偏偏差差表表示示,也也可可用用正正反反行行程程中中的的最最大偏差表示,即大偏差表示,即 (4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感
24、器概述1)传感器的静态特性传感器的静态特性重复性重复性重复性重复性第31页,共116页,编辑于2022年,星期三32(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述1)传感器的静态特性传感器的静态特性重复性重复性第32页,共116页,编辑于2022年,星期三33 指指传传感感器器输输出出对对随随时时间间变变化化的的输输入入量量的的响响应应特特性性。当当被被测测量量随随时时间间变变化化,是是时时间间的的函函数数时时,则则传传感感器器的的输输出出量量也也是是时时间间的的函函数数,其其间间的的关关系系要要用用动动特特性性来来表表示示。一一个个动动态态特特性性好好的的传传感感器器
25、,其其输输出出将将再再现现输输入入量量的的变变化化规规律律,即即具具有有相相同同的的时时间间函函数数。实实际际上上除除了了具具有有理理想想的的比比例例特特性性外外,输输出出信信号号将将不不会会与与输输入入信信号号具具有有相相同同的的时时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。(4)传感器的性能指标传感器的性能指标1.1.1 传感器概述传感器概述2)传感器的动态特性传感器的动态特性第33页,共116页,编辑于2022年,星期三34例 热电偶动态测温。第34页,共116页,编辑于2022年,星期三35 动动态态特特性性除除了了与与传传感感
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