传感检测技术及其应用到章精.ppt
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1、传感检测技术及其应用到章传感检测技术及其应用到章2022/10/31第1页,本讲稿共37页本课程的主要内容本课程的主要内容1.1.传感检测技术基础传感检测技术基础2.2.常用传感器原理常用传感器原理3.3.传感器信号处理电路传感器信号处理电路4.4.典型传感器应用典型传感器应用2022/10/32第2页,本讲稿共37页第第13章章 传感检测技术基础传感检测技术基础一、传感器测技术概念一、传感器测技术概念1.传感检测技术作用(意义、重要性)传感检测技术作用(意义、重要性)在自然界、社会生活、生产实践、科学实验等活动中,在自然界、社会生活、生产实践、科学实验等活动中,存在各种各样的量,需要知道他们
2、的存在和大小。有些量大存在各种各样的量,需要知道他们的存在和大小。有些量大到能够被人们感知,有些量较小,不能被人们感知。要测出到能够被人们感知,有些量较小,不能被人们感知。要测出人们感兴趣量的大小,就要用到对这些量敏感的传感器,信人们感兴趣量的大小,就要用到对这些量敏感的传感器,信号处理(调理)电路,检测技术等号处理(调理)电路,检测技术等2022/10/33第3页,本讲稿共37页2.2.传感器的概念传感器的概念传感器是人体五官传感器是人体五官耳、眼、鼻、舌、皮肤的工耳、眼、鼻、舌、皮肤的工程模拟物。程模拟物。传感器广义概念传感器广义概念是一种以一定的精确度将被测量转换为与之是一种以一定的精确
3、度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理有确定对应关系的、易于精确处理 和测量的某种物理量的测和测量的某种物理量的测量部件或装置。量部件或装置。传感器狭义概念传感器狭义概念是能把外界非电信号转换为电信号输出的是能把外界非电信号转换为电信号输出的器件或装置。器件或装置。随着科学技术的进步,传感器的随着科学技术的进步,传感器的“可用信号可用信号”内涵也会内涵也会随之改变,如人们跨入光子时代,随之改变,如人们跨入光子时代,光信号光信号将成为更便于将成为更便于快速、高效处理与传输的快速、高效处理与传输的“可用信号可用信号”了。了。2022/10/34第4页,本讲稿共37页3.传感器的组成传感
4、器的组成敏感元件被测量转换元件基本转换电路电量电路参数物理量例如:悬臂梁加速度传感器2022/10/35第5页,本讲稿共37页敏感元件:悬臂梁把加速度转化为悬臂梁的应变敏感元件:悬臂梁把加速度转化为悬臂梁的应变。转换元件:电阻应变片把应变转换为电阻变化。转换元件:电阻应变片把应变转换为电阻变化。基本转换电路:电桥把电阻变化转化为电压输出。基本转换电路:电桥把电阻变化转化为电压输出。dV2022/10/36第6页,本讲稿共37页二、传感器的工作机理和分类二、传感器的工作机理和分类1.传感器工作机理传感器工作机理 传感器的工作机理是基于各种物理、化学和生物效应等,传感器的工作机理是基于各种物理、化
5、学和生物效应等,并受相应的定律和法则支配。了解这些定律和法则有助于对并受相应的定律和法则支配。了解这些定律和法则有助于对传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。传感器本质的理解和对新效应传感器的开发。守恒定律守恒定律:包括能量、动量、电荷量等守恒定律。:包括能量、动量、电荷量等守恒定律。场的定律场的定律:如重力场、静电场、磁场等。遵守场定律:如重力场、静电场、磁场等。遵守场定律的传感器可称为的传感器可称为“结构型传感器结构型传感器”物质定律物质定律:表示物质本身内在性质的定律。遵守物质定:表示物质本身内在性质的定律。遵守物质定律的传感器称为律的传感器称为“物性型传感器物性型传感器”2022/1
6、0/37第7页,本讲稿共37页统计法则统计法则:把微观系统与宏观系统联系起来的法则。:把微观系统与宏观系统联系起来的法则。2.2.传感器的分类传感器的分类按被测量分类按被测量分类 该分类法该分类法明确了传感器的用途,便于使用者选择传感明确了传感器的用途,便于使用者选择传感器,如位移传感器、力传感器、温度传感器、压力传感器、器,如位移传感器、力传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、速度传感器等。流量传感器、速度传感器等。按工作原理分类按工作原理分类 该分类法清楚地该分类法清楚地 表明了传感器的工作原理,有利于传表明了传感器的工作原理,有利于传感器的设计和应用,如感器的设计和应用,如电阻式、
7、电感式、电容式、压电式、磁电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感器等。电式传感器等。2022/10/38第8页,本讲稿共37页按工作机理分类按工作机理分类 物性型物性型:依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现:依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器等。信号变换。如压阻式传感器、压电式传感器等。结构型结构型:依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。如依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。如电容式、电感式传感器等。电容式、电感式传感器等。按基本效应分类按基本效应分类 物理型物理型:利用某些变换元件的物理性质或某些功能材利用某些变换元件的物理性质或某些功能
8、材料的特殊性能制成的传感器。如料的特殊性能制成的传感器。如PN温度传感器。温度传感器。2022/10/39第9页,本讲稿共37页 化学型化学型:利用电化学反应原理把有机和无机的化学物:利用电化学反应原理把有机和无机的化学物质的成分、浓度等转换成电信号的传感器质的成分、浓度等转换成电信号的传感器 。如接触燃。如接触燃烧气敏传感器等。烧气敏传感器等。生物型生物型:利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。利用生物功能物质作识别器件制成的传感器。如酸度计传感器等。如酸度计传感器等。按能量转换关系分类按能量转换关系分类 能量转换型(无源型、发电型或主动型传感器)能量转换型(无源型、发电型或主动型传感器)
9、不需要外加电源而将被测量转化为电量输出,但其负载能力不需要外加电源而将被测量转化为电量输出,但其负载能力有限,应用时需要注意。如热电偶、压电式传感器等。有限,应用时需要注意。如热电偶、压电式传感器等。能量控制型(有源型、被动型传感器)能量控制型(有源型、被动型传感器)2022/10/310第10页,本讲稿共37页 需要外加电源才能将被测信号转化为电量,能量控制需要外加电源才能将被测信号转化为电量,能量控制型传感器本身参数的改变(如电阻、电容、电感)不型传感器本身参数的改变(如电阻、电容、电感)不起换能作用。起换能作用。按输出信号的形式分类按输出信号的形式分类 模拟式模拟式:传感器输出模拟信号。
10、大多传感器如此:传感器输出模拟信号。大多传感器如此 数字式数字式:传感器输出数字信号。如编码器式传感器。:传感器输出数字信号。如编码器式传感器。工程习惯工程习惯上常根据工作原理和被测量命名传感器,上常根据工作原理和被测量命名传感器,电感式位移传感器,电容式加速度传感器等。电感式位移传感器,电容式加速度传感器等。2022/10/311第11页,本讲稿共37页三、传感器数学模型(描述方法)三、传感器数学模型(描述方法)传感器作为感受被测量信息的器件,总希望它能按照传感器作为感受被测量信息的器件,总希望它能按照一定的规律输出有用信号,因此,需要研究其输出一定的规律输出有用信号,因此,需要研究其输出-
11、输入输入关系及特性。最有效的描述方法是传感器的数学模型。关系及特性。最有效的描述方法是传感器的数学模型。由于传感器可以测量由于传感器可以测量时不变信号时不变信号和和时变信号时变信号,所以,所以应该以带随机变量的非线性微分方程作为数学模型。这应该以带随机变量的非线性微分方程作为数学模型。这样在数学上有困难,所以,实际上把传感器的静态特性样在数学上有困难,所以,实际上把传感器的静态特性和动态特性分开考虑,从而有和动态特性分开考虑,从而有静态模型静态模型和和动态模型动态模型。2022/10/312第12页,本讲稿共37页1.1.静态数学模型静态数学模型 指在静态信号作用下(即输入量对时间指在静态信号
12、作用下(即输入量对时间t t的各阶导的各阶导数等于数等于0 0)得到的数学模型。其静态数学模型为)得到的数学模型。其静态数学模型为2022/10/313第13页,本讲稿共37页(a)(b)(c)(d)(a)(b)(c)(d)表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线2022/10/314第14页,本讲稿共37页2.2.动态数学模型动态数学模型 传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变输传感器的动态数学模型是指传感器在受到时变输入量作用时,其输出输入之间的关系,通常称为响入量作用时,其输出输入之间的关系,通常称为响应特性。应特性。有些传感器虽然有良好的静态特性,但由于传感器总存有些传感器虽然有良
13、好的静态特性,但由于传感器总存在着弹性、惯性、阻尼等因素,使传感器的输出量不仅与输在着弹性、惯性、阻尼等因素,使传感器的输出量不仅与输入量有关,而且还与输入量的变化速度等有关,所以将导致入量有关,而且还与输入量的变化速度等有关,所以将导致严重的动态误差,这就必须认真研究传感器的动态响应特性,严重的动态误差,这就必须认真研究传感器的动态响应特性,为此建立的数学模型称为动态模型。常用的动态方程有:为此建立的数学模型称为动态模型。常用的动态方程有:微微分方程分方程、传递函数传递函数、频率响应函数频率响应函数。2022/10/315第15页,本讲稿共37页(1)微分方程(时域内)优点:通过解微分方程易
14、于分清暂态响应和稳态响应。通解仅与传感器本身特性及初始条件有关;特解不仅与传感器的特性有关,而且还与输入量有关。缺点:求解麻烦,尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时显得更不方便。2022/10/316第16页,本讲稿共37页(2)传递函数(复数域内)在数学上,如果运用拉普拉斯变换将时域的数学模型转换成复数域的数学模型,就得到传递函数。上述微分方程在初始条件为零时,输出y(t)拉氏变换Y(S)和输入x(t)的拉氏变换X(S)之比,即为传递函数G(S)。其中 传递函数G(S)用于描述系统本身固有的特性,而与输入量无关。2022/10/317第17页,本讲稿共37页(3)频率响应函数(频域内)对于
15、传感器或系统,其频率响应函数为:初始条件为零时,输出的傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比,即如将如将 G(G(jj)的实部和虚部分开,则有的实部和虚部分开,则有 G(G(jj)=P()+P()+j jQ()Q()其中,其中,P()P()和和 Q()Q()都是都是的实函数,以频率的实函数,以频率为为横坐标,以横坐标,以P()P()和和Q()Q()为纵坐标所绘的图形分别称为纵坐标所绘的图形分别称为系统的实频特性图与虚频特性图。为系统的实频特性图与虚频特性图。又若将又若将G(G(jj)写成写成 G(j)=A()eG(j)=A()ej()j()其中其中 2022/10/318第18页,本讲稿共37页分别
16、称为幅频特性和相频特性。四、传感器的特性分析 传感器的特性主要是指其输出与输入之间的关系,有静特性和动特性之分。1.传感器的静特性 静特性是指传感器在输入量的各个值处于稳定状态时的输出与输入关系,即当输入量是常量或变化极慢时,输出与输入的关系。2022/10/319第19页,本讲稿共37页 衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、重复性、衡量传感器静态特性的主要技术指标有线性度、重复性、迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精确度等。迟滞、灵敏度、分辨力、阈值、稳定性、漂移、精确度等。(1 1)线性度线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。若在标标定曲线与拟合直线的偏离程度就是
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