传感检测技术及其应用到章精选PPT.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2023/1/71第1页,此课件共37页哦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2023/1/72第2页,此课件共37页哦第第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,需要知道他们的存在
2、和大动中,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。要测出人们感兴趣量的大小,就要用到被人们感知。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,信号处理(调理)电路,检对这些量敏感的传感器,信号处理(调理)电路,检测技术等测技术等2023/1/73第3页,此课件共37页哦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是一种以一定的精确度将被
3、测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理为与之有确定对应关系的、易于精确处理 和测量的某和测量的某种物理量的测量部件或装置。种物理量的测量部件或装置。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是能把外界非电信号转换为电信号输出的器件或装置。出的器件或装置。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。2023/1/74第4页,此课件共37页哦3.传感器的组成传感
4、器的组成敏感敏感元件元件被测量被测量转换转换元件元件基本转基本转换电路换电路电量电量电路参数电路参数物理量物理量例如:悬臂梁加速度传感器例如:悬臂梁加速度传感器2023/1/75第5页,此课件共37页哦敏感元件: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。dV2023/1/76第6页,此课件共37页哦二、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
5、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。遵守场定律的:如重力场、静电场、磁场等。遵守场定律的传感器可称为传感器可称为“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。遵守物质定律:表示物质本身内在性质的定律。
6、遵守物质定律的传感器称为的传感器称为“物性型传感器物性型传感器”2023/1/77第7页,此课件共37页哦统计法则统计法则: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,有利表明了传
7、感器的工作原理,有利于传感器的设计和应用,如于传感器的设计和应用,如电阻式、电感式、电容式、压电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式传感器等。电式、磁电式传感器等。2023/1/78第8页,此课件共37页哦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: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。实现信号变换。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。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。如电容式、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
8、:利用某些变换元件的物理性质或某些功能利用某些变换元件的物理性质或某些功能材料的特殊性能制成的传感器。如材料的特殊性能制成的传感器。如PN温度传感器。温度传感器。2023/1/79第9页,此课件共37页哦 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质: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的成分、浓度等转换成电信号的传感器 。如接触燃烧气敏。如接触燃烧气敏传感器等。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
9、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)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)2023/1/710第10页,此课件共37页哦 需要外加电源才能将被测信号转化为电量,能量控制型传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)不起换能作感器本身参数的改变(如电阻、电容、电感)不起换能作用。用。
10、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。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。2023/1/711第11页,此课件共37页哦三、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
11、用信号,因此,需要研究其输出照一定的规律输出有用信号,因此,需要研究其输出-输入关系及特性。最有效的描述方法是传感器的数学输入关系及特性。最有效的描述方法是传感器的数学模型。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。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这样在数学上有困难,所以,实际上把传感器的静态特性和动态特性分开考虑,从而有特性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动态模型型。2023/1/712第12页,此课件共37页哦1.
12、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2023/1/713第13页,此课件共37页哦(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表示输出与输入量之间的关系曲线称为特性曲线特性曲线2023/1/714第14页,此课件共37页哦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入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,通常称为响应特量
13、作用时,其输出输入之间的关系,通常称为响应特性。性。有些传感器虽然有良好的静态特性,但由于传感器有些传感器虽然有良好的静态特性,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入量有关,而且还与输入量的变化速度等有关,不仅与输入量有关,而且还与输入量的变化速度等有关,所以将导致严重的动态误差,这就必须认真研究传感器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,为此建立的数学模型称为动态模型。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:常用的动态方程有:微分方程微分方程、传递函数传递函数、
14、频率响应函频率响应函数数。2023/1/715第15页,此课件共37页哦(1 1)微分方程微分方程(时域内)(时域内)优点优点:通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。通过解微分方程易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。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。特性时显得更不方便。2023/1/716第16页,此课件共37页哦(2 2)传递函数传递函数(复数域
15、内)(复数域内)在数学上,如果运用拉普拉斯变换将时域的数学在数学上,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。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,输出上述微分方程在初始条件为零时,输出y(t)拉氏拉氏变换变换Y(S)和输入和输入x(t)的拉氏变换的拉氏变换X(S)之比,即为传递之比,即为传递函数函数G(S)。其中其中 传递函数传递函数G(S)G(S)用于描述系统本身固有的特性,用于描述系统本身固有的特性,而与输入量无关。而与输入量无关。2023/1/717第17页,此课件共37页哦(3 3)频率响应函数频率响应函数(频域内
16、)(频域内)对于传感器或系统,其频率响应函数为:初始条件为对于传感器或系统,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,零时,输出的傅立叶变换和输入的傅里叶变换之比,即即如将如将 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
17、 G(j)=A()eG(j)=A()ej()j()其中其中 2023/1/718第18页,此课件共37页哦分别称为幅频特性和相频特性。分别称为幅频特性和相频特性。四、传感器的特性分析四、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。关系,有静特性和动特性之分。1.1.传感器的静特性传感器的静特性 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。变化极慢时,输出与输入的关系。2
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