第0章 绪论729.ppt

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1、传感技术与电子测量传感技术与电子测量主讲教师：赵珂主讲教师：赵珂 第第 0 0 章章 绪论绪论0.1 0.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用 0.2 0.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成 0.3 0.3 现代检测系统的分类现代检测系统的分类 0.4 0.4 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势 神州神州6 6号成功发射号成功发射远望号舰艇远望号舰艇0.1 0.1 检测技术的地位与作用检测技术的地位与作用 定义：定义：检测检测是指在各类生产、科研、试是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域为及时获得被测、验及服务等各个领域为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地被控

2、对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。对一些参量进行定性检查和定量测量。检测检测与与计量计量的区别：的区别：1 1）“计量计量”是指用精度等级更高的标准量是指用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的测量；进行考核性质的测量；2 2）“检测检测”通常是指在生产、实验等现场，通常是指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。对被测对象进行在线、连续的测量。0.2 0.2 现代检测系统的组成现代检测系统的组成一、传感器一、传感

3、器定义：定义：是检测系统与被测对象直接发生联系是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置，的器件或装置，把被测非电量转换成为与之把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）。（通常为电量）。作用：作用：感受指定被测参量的变化并按照一定规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。律转换成一个相应的便于传递的输出信号。敏感元件：敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量直接感受被测量，并输出与被测量 成确定关系的物理量。成确定关系的物理量。转换元件：转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，转敏感元件的

4、输出就是它的输入，转 换成电路参量。换成电路参量。转换电路：转换电路：上述电路参数接入基本转换电路，上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出便可转换成电量输出1、传感器的组成、传感器的组成敏感敏感元件元件转换转换元件元件转换转换电路电路被测量被测量电量电量2、传感器的分类、传感器的分类工作机理工作机理：物理型、化学型、生物型：物理型、化学型、生物型物理型传感器：物理基础的基本定律。物理型传感器：物理基础的基本定律。场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律构成原理构成原理结构型：物理学中场的定律结构型：物理学中场的定律物性型：物质定律物性型：物质定律能

5、量转换能量转换能量控制型能量控制型能量转换型能量转换型按被测参量分类按被测参量分类：位移、压力、振动、温度等位移、压力、振动、温度等按输出信号分类：按输出信号分类：电压、电流、频率等电压、电流、频率等3 3、传感器的、传感器的静特性指标静特性指标（1）、）、线性度线性度（2）、）、灵敏度灵敏度（3）、）、迟滞迟滞（4）、）、重复性重复性（5）、）、零点漂移零点漂移（6）、）、温度漂移温度漂移静特性：静特性：（1 1）、线性度）、线性度输输出出量量输输入入量量零零点点输输出出理理论论灵灵敏敏度度非线性项系数非线性项系数直线拟合线性化直线拟合线性化 非线性误差或线性度非线性误差或线性度最大非线性误

6、差最大非线性误差 满量程输出满量程输出（2 2）、灵敏度）、灵敏度传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其量之比即为其静态灵敏度静态灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力表征传感器对输入量变化的反应能力(a)(a)线性传感器线性传感器 (b)(b)非线性传感器非线性传感器（3 3）、迟滞）、迟滞正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为线不重合称为迟滞。迟滞。正反行程间输出的最大差值。正反行程间输出的最大差值。迟滞误差迟滞误差的另一名称叫的另一名称叫回程误差回程误差，常用绝

7、对误差表示检测回程误差时常用绝对误差表示检测回程误差时可选择几个测试点。对应于每一输可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误输出信号差值的最大者即为回程误差。差。xHmaxY迟滞特性曲线迟滞特性曲线迟滞特性曲线迟滞特性曲线（4 4）、重复性）、重复性传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度性曲线不一致的程度 正行程的最大重复性偏差正行程的最大重复性偏差 反行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差取较大者为取较大者为xRmax1Rmax2y（5 5）、零

8、点漂移）、零点漂移 传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移长时间工作稳定性或零点漂移零漂零漂 式中式中YY0 0最大零点偏差；最大零点偏差；Y YFSFS 满量程输出。满量程输出。（6 6）、温漂）、温漂 传感器在外界温度下输出量发出的变化传感器在外界温度下输出量发出的变化温漂温漂 式中式中maxmax 输出最大偏差；输出最大偏差；T T 温度变化范围；温度变化范围；Y YFS FS 满量程输出。满量程输出。4、传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变传感器的动态特性是指传感器的输出

9、对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。化着的输入量的能力。研研究究传传感感器器的的动动态态特特性性主主要要是是从从测测量量误误差差角角度度分分析产生动态误差的原因以及改善措施。析产生动态误差的原因以及改善措施。时域时域：瞬态响应法：瞬态响应法频域频域：频率响应法：频率响应法 5 5、传感器的标定和校准、传感器的标定和校准 传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。差关系。传感器的

10、标定工作传感器的标定工作可分为如下几个方面，可分为如下几个方面，1 1、新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，、新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；传感器设计的重要依据；2 2、经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测、经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。工作。（1 1）传感器的标定）传感器的标定 静态标定：静态标定：目的是确定传感器的静态特性指标，如目的是确定传感器的静态特性指标，如 线性度、灵敏度、滞后和重复性等。线性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定：动态标定：

11、目的是确定传感器的动态特性参数，如目的是确定传感器的动态特性参数，如 频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。A、传感器的静态特性标定、传感器的静态特性标定1 1、静态标准条件静态标准条件：没有加速度、振动、冲击（除非没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（为室温（205205）、相对湿度不大于）、相对湿度不大于85%85%，大，大气压力为气压力为10171017kPakPa的情况。的情况。2 2、标定仪器设备精度等级的确定标定仪器设备精度等级的确定对对传传感感器器进进行行标

12、标定定，是是根根据据试试验验数数据据确确定定传传感感器器的的各各项项性性能能指指标标，实实际际上上也也是是确确定定传传感感器器的的测测量量精度。精度。标标定定传传感感器器时时，所所用用的的测测量量仪仪器器的的精精度度至至少少要要比比被被标标定定的的传传感感器器的的精精度度高高一一个个等等级级。这这样样，通通过过标标定定确确定定的的传传感感器器的的静静态态性性能能指指标标才才是是可可靠靠的的，所确定的精度才是可信的。所确定的精度才是可信的。3 3、静态特性标定的方法静态特性标定的方法标定过程步骤标定过程步骤标定过程步骤标定过程步骤：将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；将传感器全量程（测量

13、范围）分成若干等间距点；根根据据传传感感器器量量程程分分点点情情况况，由由小小到到大大逐逐渐渐一一点点一一点点的的输输入入标标准准量量值值，并并记记录录下下与与各各输输入入值值相相对对应应的的输输出出值；值；将将输输入入值值由由大大到到小小一一点点一一点点的的减减少少，同同时时记记录录下下与与各输入值相对应的输出值；各输入值相对应的输出值；按按、所所述述过过程程，对对传传感感器器进进行行正正、反反行行程程往往复复循循环环多多次次测测试试，将将得得到到的的输输出出输输入入测测试试数数据据用用表表格格列出或画成曲线；列出或画成曲线；对对测测试试数数据据进进行行必必要要的的处处理理，根根据据处处理理

14、结结果果就就可可以以确确定定传传感感器器的的线线性性度度、灵灵敏敏度度、滞滞后后和和重重复复性性等等静静态态特性指标。特性指标。B、传感器的动态特性标定、传感器的动态特性标定 主主要要研研究究传传感感器器的的动动态态响响应应，而而与与动动态态响响应应有有关关的的参参数数，一一阶阶传传感感器器只只有有一一个个时时间间常常数数，二二阶阶传传感感器器则则有有固固有有频频率率n n和和阻阻尼尼比比两两个个参数。参数。标准激励信号标准激励信号：阶跃变化和正弦变化的输入信号阶跃变化和正弦变化的输入信号二、信号调理二、信号调理作用：作用：是对传感器输出的微弱信号进行检是对传感器输出的微弱信号进行检 波、转换

15、、滤波、放大等，以方便检波、转换、滤波、放大等，以方便检 测系统后续处理或显示。测系统后续处理或显示。组成：组成：通常包括通常包括滤波、放大、线性化滤波、放大、线性化等环节。等环节。信号调理电路的一般要求：信号调理电路的一般要求：(1)(1)能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；(2)(2)信噪比高，抗干扰性能要好。信噪比高，抗干扰性能要好。1 1、数据采集、数据采集作用：作用：对信号调理后的连续模拟信号离散化并转换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值信息，成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式

16、把这些转换数据及时传递给微处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。理器或依次自动存储。性能指标：性能指标：(1)(1)输入模拟电压信号范围输入模拟电压信号范围，单位，单位:V:V；(2)(2)转换速度（率），转换速度（率），单位单位:次次/秒；秒；(3)(3)分辨率分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值，通常以模拟信号输入为满度时的转换值 的倒数来表征；的倒数来表征；(4)(4)转换误差转换误差，通常指实际转换数值与理想，通常指实际转换数值与理想A/DA/D转换转换 器理论转换值之差。器理论转换值之差。2 2、信号处理、信号处理作用：作用：信号处理模块是现代检测仪

17、表、检测系统进行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数据处理和各种控制的中枢环节中枢环节，其作用与功能和人，其作用与功能和人的大脑相类似。的大脑相类似。3 3、信号显示、信号显示作用：作用：显示被测参量的瞬时值、累积值或其随时间显示被测参量的瞬时值、累积值或其随时间 的变化情况；的变化情况；分类：分类：指示式、数字式和屏幕式。指示式、数字式和屏幕式。4 4、信号输出、信号输出作用：作用：把测量值及时传送给控制计算机、可编程控把测量值及时传送给控制计算机、可编程控制器（制器（PLCPLC）或其它执行器、打印机、记录仪等，从或其它执行器、打印机、记录仪等，从而构成闭环控制系

18、统或实现打印（记录）输出。而构成闭环控制系统或实现打印（记录）输出。5 5、输入设备、输入设备定义：定义：输入设备是操作人员和检测仪表或检测系统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关命令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘、键盘、拨码盘、条码阅读器条码阅读器等。等。6 6、稳压电源、稳压电源 一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路部一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路部分，又有数字电路部分，通常需要多组幅值大小要分，又有数字电路部分，通常需要多组幅值大小要求各异但均需稳

19、定的电源。这类电源在检测系统使求各异但均需稳定的电源。这类电源在检测系统使用现场一般无法直接提供，通常只能提供交流用现场一般无法直接提供，通常只能提供交流220 V220 V工频电源或工频电源或+24V+24V直流电源。直流电源。总结总结 以上七个部分不是所有的检测系统以上七个部分不是所有的检测系统(仪表仪表)都具备都具备的，而且对有些简单的检测系统、其各环节之间的界的，而且对有些简单的检测系统、其各环节之间的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。0.3 0.3 现代检测系统的分类现代检测系统的分类 1 1、按被测参量分类、按被测参量分类 常见的

20、被测参量可分为以下几类：常见的被测参量可分为以下几类：(1)(1)、电工量、电工量 (2)(2)、热工量、热工量 (3)(3)、机械量、机械量 (4)(4)、物性和成分量、物性和成分量 (5)(5)、光学量、光学量 (6)(6)、状态量、状态量2 2、按被测参量的检测转换方法分类、按被测参量的检测转换方法分类(1)(1)、电磁转换、电磁转换(2)(2)、光电转换、光电转换(3)(3)、其它能、其它能/电转换电转换3 3、按使用性质分类、按使用性质分类 检测仪表按使用性质通常可分为：检测仪表按使用性质通常可分为：（1 1）标准表）标准表（2 2）实验室表）实验室表（3 3）工业用表）工业用表0.

21、4 0.4 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势1 1、不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性、不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性2 2、传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展、传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展3 3、重视非接触式检测技术研究、重视非接触式检测技术研究4 4、检测系统智能化、检测系统智能化 由于智能化检测仪器、检测系统具有上述优点，由于智能化检测仪器、检测系统具有上述优点，所以其市场占有率多年来一直维持所以其市场占有率多年来一直维持强劲的上升趋势强劲的上升趋势。火星探测火星探测 飞船上天后，要由航天测控网对飞船实施测控管飞船上天后，要由航天测控网对飞船

22、实施测控管理。如果把神舟飞船比作放飞太空的理。如果把神舟飞船比作放飞太空的“风筝风筝”，那么，那么，航天测控网就是那根重要的航天测控网就是那根重要的“风筝线风筝线”。我国的航天。我国的航天测控网由多个地面测控站和测控网由多个地面测控站和4 4艘远望号航天测量船组成。艘远望号航天测量船组成。这这4 4艘测量船分别是太平洋上的艘测量船分别是太平洋上的“远望远望”一号和一号和“远望远望”二号测量船，印度洋上的二号测量船，印度洋上的“远望远望”四号测量船，大四号测量船，大西洋上的西洋上的“远望远望”三号测量船。三号测量船。目前，我国已经形成了以西安卫星测控中心为中目前，我国已经形成了以西安卫星测控中心为中枢，枢，1010多个固定、活动测控站和多个固定、活动测控站和“远望远望”号航天测量号航天测量船为骨干的陆海基现代化综合测控网，轨道确定精度船为骨干的陆海基现代化综合测控网，轨道确定精度已达到米量级。已达到米量级。