光电传感与检测技术-绪论.ppt

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1、光电传感与检测技术参考书目参考书目光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社光电传感与检测技术江晓军等编著 机械工业出版社 光电检测技术及应用周秀云等编著 电子工业出版社教材教材光电检测技术与应用郭培源郭培源付扬付扬 编著 北京航空航天大学出版社教材教材光电检测技术与应用郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社参考书目参考书目光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社光电传感与检测技术江晓军等编著 机械工业出版社 光电检测技术及应用周秀云等编著 电子工业出版社第一章 绪 论1.11.1课程内涵课程内涵课程内涵课程内涵1.21.2课程特点课程特点课程特点课程特点1.31.3课程组成课程组成课程组成

2、课程组成 光电传感技术光电传感技术光电传感技术光电传感技术 光电检测技术光电检测技术光电检测技术光电检测技术1.3.11.3.1什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？1.3.21.3.2光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类1.3.31.3.3光电传感器的特性光电传感器的特性光电传感器的特性光电传感器的特性 光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位1.41.4光电检测技术概述光电检测技术概述光电检测技术概述光电检测技术概述1.51.5光电检测系统组成光电检测系统组

3、成光电检测系统组成光电检测系统组成1.61.6光电检测系统的基本工作原理光电检测系统的基本工作原理光电检测系统的基本工作原理光电检测系统的基本工作原理1.71.7光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式1.81.8光电检测技术的特点光电检测技术的特点光电检测技术的特点光电检测技术的特点1.91.9光电检测方法光电检测方法光电检测方法光电检测方法1.101.10光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪

4、绪绪绪 论论论论 光电传感与检测技术光电传感与检测技术是是光学光学与与电子学电子学相结合而产生的一门新兴检测技术相结合而产生的一门新兴检测技术,它主要利用它主要利用光电传感器光电传感器将光学信号变换成电学信号将光学信号变换成电学信号,并采用并采用电路放大电路放大和和滤波滤波处理处理等电子技术对变换后的电信号进行检测，然后用电子学、信息论、计算等电子技术对变换后的电信号进行检测，然后用电子学、信息论、计算机等方法进行分析并进一步机等方法进行分析并进一步传递、储存、控制和显示传递、储存、控制和显示。光电传感与检测技术光电传感与检测技术具有具有非接触、精度高、速度快、自动化非接触、精度高、速度快、自

5、动化等特点，是等特点，是光、机、电、光、机、电、计计算算机技术的综合应用。它将机技术的综合应用。它将光电传感器与单片机光电传感器与单片机技术、技术、计算计算机技术及虚拟仪器机技术及虚拟仪器技术相结合，使检测技术更加方便。技术相结合，使检测技术更加方便。1.1课程内涵课程内涵1.2课程特点课程特点光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光电传感技术光电传感技术光电检测技术光电检测技术1.3课程组成课程组成光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，在我们日常生活中，使

6、用着各种各样的传感器，在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器;空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器;煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器;水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器;照相机中的光传感器照相

7、机中的光传感器照相机中的光传感器照相机中的光传感器;汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？1.3.11.3.1什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器?第第第第1 1 1 1章

8、章章章 绪绪绪绪 论论论论Ferrari330Ferrari330光光电电传传感感与与检检测测技技术术车胎压力监测车胎压力监测光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器眼（视觉）眼（视觉）眼（视觉）眼（视觉）耳（听觉）耳（听觉）耳（听觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉）舌（味觉）舌（味觉）舌（味觉）舌（味觉）感知外界信息感知外界信息感知外界信息感知外界信

9、息 大脑大脑大脑大脑 肌体肌体肌体肌体 人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。信号传送给大脑，大脑把这些信号分析

10、处理传递给肌体。信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官电五官电五官电

11、五官”。传感器传感器传感器传感器外外外外 界界界界 信信信信 息息息息感感感感 官官官官大大大大 脑脑脑脑肌肌肌肌 体体体体计算机计算机计算机计算机执行机构执行机构执行机构执行机构光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论从从从从广广广广义义义义的的的的角角角角度度度度来来来来说说说说，感感感感知知知知信信信信号号号号检检检检出出出出器器器器件件件件和和和和信信信信号号号号处处处处理理理理部部部部分分分分总总总总称称称称为传感器。为传感器。为传感器。为传感器。什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第

12、1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例看几个传感器应用实例看几个传感器应用实例看几个传感器应用实例:什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章

13、章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1.3.21.3.2光电传感器光电传感器光电传感器光电传感器的组成和分类的组成和分类的组成和分类的组成和分类光电传感器的组成光电传感器的组成光电传感器的组成光电传感器的组成:光源光源 光电元件光电元件 光学通路光学通路光光束束沿沿着着光光学学通通路路经经被被测测物物体体后后携携带带被被测测量量的的信息信息发发出出一一定定强度的光强度的光接接受受被被测测量的光束量的光束光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光电传感器的分类光电传感器的分类光电

14、传感器的分类光电传感器的分类:(1)(1)(1)(1)按照探测机理分类按照探测机理分类按照探测机理分类按照探测机理分类:光子传感器光子传感器内内光光电电传传感感器器:光光敏敏电电阻阻、光光生生伏伏特特器器件件、光光电电池池、光光敏敏二二极极管、光敏晶体管管、光敏晶体管外外光光电电传传感感器器:光光电电管管、光光电电倍倍增增管管、像增强器像增强器热传感器热传感器热释电传感器、热释电传感器、热电堆光传感器、热电堆光传感器、辐射热计传感器辐射热计传感器光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论(2)(2)(2)(2)按照光电传感器输出信号的性质分类按照光电

15、传感器输出信号的性质分类按照光电传感器输出信号的性质分类按照光电传感器输出信号的性质分类:光纤传感器、光纤传感器、光栅传感器、光栅传感器、光电式传感器、光电式传感器、模拟光学传感器、模拟光学传感器、固态图象传感器固态图象传感器 传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电

16、容、输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，质量块、弹簧等）的影响，质量块、弹簧等）的影响，质量块、弹簧等）的影响，对快变信号与慢变信号，反应大不对快变信号与慢变信号，反应大不对快变信号与慢变信号，反应大不对快变信号与慢变信号，反应大不相同。相同。相同。相同。慢变信号慢变信号慢变信号慢变信号输入输入输入输入X X X X为静态或变化极缓慢的信号时研为静态或变化极缓慢的信号时研为静态或变化极缓慢的信号时研为静态或变化极缓慢的信号时研 究静态特性，即不随时间变化的特性。究静态特性，即不随时间变化的特性。究静态特性，即不随时间变化的特性。究静态特性，即不随时间

17、变化的特性。快变信号快变信号快变信号快变信号 输入量输入量输入量输入量X X X X随时间随时间随时间随时间t t t t变化较快时考虑输变化较快时考虑输变化较快时考虑输变化较快时考虑输 出的动态特性出的动态特性出的动态特性出的动态特性,即随时间变化的特性；即随时间变化的特性；即随时间变化的特性；即随时间变化的特性；传感器系统传感器系统传感器系统传感器系统输输输输入入入入 X X X XY Y Y Y 输输输输出出出出第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1.3.31.3.3光电传感器光电传感器光电传感器光电传感器的特性的特性的特性的特性(一一一

18、一)传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性 当输入量（当输入量（当输入量（当输入量（X X X X）为静态（常量）或变化缓慢的）为静态（常量）或变化缓慢的）为静态（常量）或变化缓慢的）为静态（常量）或变化缓慢的 信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的 静态特性，输入输出关系称静态特性，输入输出关系称静态特性，输入输出关系称静态特性，输入输出关系称静态特性。静态特性。静态特性。静态特性。静态特性包括：静态特性包括：静态特性包括：静态特性包括：线性度线性度线性

19、度线性度、迟滞迟滞迟滞迟滞、重复性重复性重复性重复性、灵敏度、漂移灵敏度、漂移灵敏度、漂移灵敏度、漂移数学式表示为数学式表示为数学式表示为数学式表示为:第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性度:v 传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：(一一一一)传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性其中：其中：其中：其中：x x x x 输入量，输入量，输入量，输入量，Y Y Y Y

20、输出量；输出量；输出量；输出量；a a a a0 0 0 0 x=0 x=0 x=0 x=0 时的输出值时的输出值时的输出值时的输出值 a a a a1 1 1 1 理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度 a a a a2,2,2,2,a a a a3 3 3 3.a a a an n n n 非线性项系数非线性项系数非线性项系数非线性项系数 输入与输出之间数量关系的线性程度输入与输出之间数量关系的线性程度输入与输出之间数量关系的线性程度输入与输出之间数量关系的线性程度第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静态特传

21、感器静态特传感器静态特性性性性v 传感器的非线性误差（线性度）传感器的非线性误差（线性度）传感器的非线性误差（线性度）传感器的非线性误差（线性度）用相对误差表示：用相对误差表示：用相对误差表示：用相对误差表示：最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差 满量程输出满量程输出满量程输出满量程输出 线性度线性度线性度线性度 Y X YiXiLmaxY=kx+b线性度是表征实际特性与拟合直线线性度是表征实际特性与拟合直线线性度是表征实际特性与拟合直线线性度是表征实际特性与拟合直线 不吻合的参数不吻合的参数不吻合的参数不吻合的参数 第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪

22、 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术各种直线拟合方法各种直线拟合方法第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性最小二乘法线性度最小二乘法线性度设拟合直线方程设拟合直线方程:取取n个测点个测点,第第i残差为残差为:求残差平方和为最小值求残差平方和为最小值:解出解出k k、b b代入作拟合直线，代入作拟合直线，ii为非线性误差。为非线性误差。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感

23、器静态特性性性性（2 2 2 2）迟滞）迟滞）迟滞）迟滞v 传感器在正、反传感器在正、反传感器在正、反传感器在正、反 行程期间输入、行程期间输入、行程期间输入、行程期间输入、输出曲线不重合输出曲线不重合输出曲线不重合输出曲线不重合 的现象称迟滞。的现象称迟滞。的现象称迟滞。的现象称迟滞。例：一电子秤例：一电子秤例：一电子秤例：一电子秤 增加砝码增加砝码增加砝码增加砝码 10g 10g 10g 10g 50g 50g 50g 50g 100g 100g 100g 100g 200g 200g 200g 200g 电桥输出电桥输出电桥输出电桥输出 0.5mv 0.5mv 0.5mv 0.5mv 2

24、mv 2mv 2mv 2mv 4mv 4mv 4mv 4mv 10mv 10mv 10mv 10mv 减砝码输出减砝码输出减砝码输出减砝码输出 1mv 1mv 1mv 1mv 3mv 3mv 3mv 3mv 6mv 6mv 6mv 6mv 10mv 10mv 10mv 10mv 第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性v 迟滞误差计算由满量程输出的百分数表示：迟滞误差计算由满量程输出的百分数表示：为正、反为正、反 行程输出值间的最大差值行程输出值间的最大差值 v 产生迟滞误差的原因

25、：产生迟滞误差的原因：由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静态特传感器静态特

26、传感器静态特性性性性（3 3 3 3）重复性）重复性）重复性）重复性v 传感器输入量按同一方向作多次传感器输入量按同一方向作多次传感器输入量按同一方向作多次传感器输入量按同一方向作多次 测量时输出特性不一致的程度。测量时输出特性不一致的程度。测量时输出特性不一致的程度。测量时输出特性不一致的程度。v 属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示：或用正反行程中最大重复或用正反行程中最大重复或用正反行程中最大重复或用正反行程中最大重复偏差偏差偏差偏差 表示：表示：表示：表示：max max max max 最大标准差；最大

27、标准差；最大标准差；最大标准差；第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性（4 4 4 4）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度v在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S=Y/X S=Y/X S=Y/X S=Y/X 对非线性传

28、感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量：S=S=S=S=dy/dxdy/dxdy/dxdy/dx 灵敏度单位，灵敏度单位，灵敏度单位，灵敏度单位，mvmv/mm /mm mvmv/第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性（5 5 5 5）漂移）漂移）漂移）漂移v 定义定义定义定义:在输入量保持不变的情况下在输入量保持不变的情况下在输入量保持不变的情况下在输入量保持不变的情况下,输出量随时间的变化输出量随时间的变化

29、输出量随时间的变化输出量随时间的变化vv产生原因产生原因产生原因产生原因:一是传感器自身结构参数一是传感器自身结构参数一是传感器自身结构参数一是传感器自身结构参数;vv 二是周围环境二是周围环境二是周围环境二是周围环境(如温度如温度如温度如温度,湿度等湿度等湿度等湿度等)温度漂移通常用传感器温度漂移通常用传感器工作环境温度工作环境温度偏离偏离标准环境温度标准环境温度(一般为一般为2020 C)时的输出值的变化量与温度变化量之比时的输出值的变化量与温度变化量之比 来表示。来表示。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静

30、态特传感器静态特传感器静态特性性性性（6 6 6 6）分辨率和阈值）分辨率和阈值）分辨率和阈值）分辨率和阈值v 分辨率分辨率分辨率分辨率 传感器能够检测到的最小输入增量；传感器能够检测到的最小输入增量；传感器能够检测到的最小输入增量；传感器能够检测到的最小输入增量；v 阈值阈值阈值阈值 输入小到某种程度输出不再变化的值；输入小到某种程度输出不再变化的值；输入小到某种程度输出不再变化的值；输入小到某种程度输出不再变化的值；v 门槛灵敏度门槛灵敏度门槛灵敏度门槛灵敏度 指输入零点附近的分辨能力。指输入零点附近的分辨能力。指输入零点附近的分辨能力。指输入零点附近的分辨能力。当当输入的变化量被传感器内

31、部噪声吸收时将反映不到输出！输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出！第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(一一一一)传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性 当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时,讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。如如如如 :加速度、振动等，这时被测量是时间的函数，加速度、振动等，这时被测量是时间的函数，加速度、振动等，这时被测量是时间的函数，加速度、振动等，这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。或是频率

32、的函数。或是频率的函数。或是频率的函数。用时域法表示：用时域法表示：用时域法表示：用时域法表示：用频域法表示：用频域法表示：用频域法表示：用频域法表示：动态特性是传感器动态特性是传感器动态特性是传感器动态特性是传感器输出输出输出输出对（对（对（对（随时间变化的）随时间变化的）随时间变化的）随时间变化的）输入量输入量输入量输入量的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态误差！误差！误差！误差！(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第

33、第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术例：动态测温例：动态测温例：动态测温例：动态测温 设环境温度为设环境温度为设环境温度为设环境温度为T T T T0 0 0 0,水槽中水的温度为水槽中水的温度为水槽中水的温度为水槽中水的温度为T,T,T,T,而且而且而且而且 T T T TT T T T0 0 0 0 用热电偶测温用热电偶测温用热电偶测温用热电偶测温,传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；理想情况测试曲线理想情况测试曲线理想情况测试曲线理想情况测试曲线T T T T是阶跃变化的；是

34、阶跃变化的；是阶跃变化的；是阶跃变化的；实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程水温水温T热电偶热电偶环境温度To To T TToTo(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术 影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关,在对传感器

35、进行动态分析时一般采用标准正弦信号在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号和阶跃信号。和阶跃信号。和阶跃信号。和阶跃信号。输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相位、频率，称位、频率，称位、频率，称位、频率，称频率响应频率响应频率响应频率响应；输入信号为阶跃变化时，对传感器输出信号随时输入信号为阶跃变化时，对传感器输出信号随时输入信号为阶跃变化时，对传感器输出信号随时输

36、入信号为阶跃变化时，对传感器输出信号随时间变化过程进行分析，称间变化过程进行分析，称间变化过程进行分析，称间变化过程进行分析，称阶跃响应阶跃响应阶跃响应阶跃响应（瞬态响应）；（瞬态响应）；（瞬态响应）；（瞬态响应）；(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术（1 1 1 1）传递函数传递函数传递函数传递函数 传感器系统传感器系统输入激励输入激励输入激励输入激励 X X X X（t)t)t)t)输出响应输出响应输出响应输出响应 Y Y Y Y（t)t)t)t)假设传感器输入、输出在线性

37、范围变化，当输入量随假设传感器输入、输出在线性范围变化，当输入量随假设传感器输入、输出在线性范围变化，当输入量随假设传感器输入、输出在线性范围变化，当输入量随时间变化时，它们的关系可用高阶常系数线性微分方时间变化时，它们的关系可用高阶常系数线性微分方时间变化时，它们的关系可用高阶常系数线性微分方时间变化时，它们的关系可用高阶常系数线性微分方程表示：程表示：程表示：程表示：式中：式中：式中：式中：Y Y Y Y输出；输出；输出；输出；X X X X输入；输入；输入；输入；a a a ai i i i 、b b b bi i i i 为为常数常数常数常数(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动

38、态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数 时拉氏变换定义为：时拉氏变换定义为：(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术传感器的传递函数：传感器的传递函数：传感器的传递函数：传感器的传递函数：传感器传递函数的在数学上的定义是：初始条件

39、传感器传递函数的在数学上的定义是：初始条件传感器传递函数的在数学上的定义是：初始条件传感器传递函数的在数学上的定义是：初始条件为零为零为零为零(t0(t0(t0(t0，y=0)y=0)y=0)y=0)时，输出的拉氏变换与输入的时，输出的拉氏变换与输入的时，输出的拉氏变换与输入的时，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比拉氏变换之比拉氏变换之比拉氏变换之比,可由可由可由可由输入输入输入输入和和和和传递函数传递函数传递函数传递函数求出输出拉求出输出拉求出输出拉求出输出拉氏变换，再求逆变换得出氏变换，再求逆变换得出氏变换，再求逆变换得出氏变换，再求逆变换得出y(t)y(t)y(t)y(t)将频域变换为时

40、域将频域变换为时域将频域变换为时域将频域变换为时域 。H H（S S）输入激励输入激励输入激励输入激励 X X X X（S)S)S)S)输出响应输出响应输出响应输出响应 Y Y Y Y（S)S)S)S)(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术大多数传感器的情况一般有大多数传感器的情况一般有大多数传感器的情况一般有大多数传感器的情况一般有 传递函数可化简为：传递函数可化简为：传递函数可化简为：传递函数可化简为：分母多项式中的方程式有分母多项式中的方程式有分母多项式中的方程式有分母多项

41、式中的方程式有n n n n个根，总可以分解为一个根，总可以分解为一个根，总可以分解为一个根，总可以分解为一次和二次的实系数因子次和二次的实系数因子次和二次的实系数因子次和二次的实系数因子(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术零阶系统是个特例，无时间滞后，零阶系统是个特例，无时间滞后，零阶系统是个特例，无时间滞后，零阶系统是个特例，无时间滞后，n=0n=0n=0n=0时时时时一阶系统一阶系统一阶系统一阶系统,n=1,n=1,n=1,n=1二阶系统二阶系统二阶系统二阶系统,n=2,

42、n=2,n=2,n=2 用用用用分分分分母母母母的的的的阶阶阶阶次次次次代代代代表表表表传传传传感感感感器器器器的的的的特特特特征征征征，数数数数学学学学模模模模型型型型是是是是n n阶阶阶阶就就就就称称称称n n阶阶阶阶传传传传感感感感器器器器。一一一一个个个个高高高高阶阶阶阶系系系系统统统统可可可可以以以以看看看看成成成成若若若若干干干干个个个个零零零零阶阶阶阶、一一一一阶阶阶阶、二二二二阶阶阶阶系系系系统统统统串串串串联联联联。传传传传感感感感器器器器种种种种类类类类很很很很多多多多，一一一一般般般般可可可可简简简简化化化化为为为为一一一一阶阶阶阶或或或或二二二二阶阶阶阶系系系系统统统统

43、，高高高高阶阶阶阶传感器较少，也可分解成若干低阶环节。传感器较少，也可分解成若干低阶环节。传感器较少，也可分解成若干低阶环节。传感器较少，也可分解成若干低阶环节。(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术（2 2 2 2）一阶系统的动态响应（惯性系统）一阶系统的动态响应（惯性系统）一阶系统的动态响应（惯性系统）一阶系统的动态响应（惯性系统）v 一阶系统传递函数一阶系统传递函数静态灵敏度静态灵敏度静态灵敏度静态灵敏度 时间常数时间常数时间常数时间常数设设设设k=1k=1k=1k=1传递

44、函数可简化为传递函数可简化为传递函数可简化为传递函数可简化为：(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术（a)a)一阶传感器的阶跃响应（瞬态响应）一阶传感器的阶跃响应（瞬态响应）单位阶跃信号拉氏变换为：单位阶跃信号拉氏变换为：一阶系统一阶系统 由拉氏反变换得到单位阶跃的响应信号为：由拉氏反变换得到单位阶跃的响应信号为：一阶系统输出一阶系统输出拉氏变换为：拉氏变换为：(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光

45、光电电传传感感与与检检测测技技术术v 一阶传感器的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术讨论讨论：瞬瞬态响应是指数函数，输出曲线成指数变化逐渐达到稳定；态响应是指数函数，输出曲线成指数变化逐渐达到稳定；因为惯性存在，输出不能立刻达到稳定，理论上因为惯性存在，输出不能立刻达到稳定，理论上t t时才时才 能达到稳定，当能达到稳定，当t=t=时即达到稳定值的时即达到稳定值的63.2%63.2%，可见时间，可见时间 常数常数越小越好越小越好，是反映一阶传感器的

46、重要参数；，是反映一阶传感器的重要参数；实际运用时实际运用时t=4t=4时工程上认为已达到稳定；时工程上认为已达到稳定；由曲线看出它与动态测由曲线看出它与动态测 温相似，所以动态测温温相似，所以动态测温 是典型的一阶系统是典型的一阶系统 。(二二二二)传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(b)(b)一阶传感器的频率响应一阶传感器的频率响应 输入正弦信号的拉氏变换输入正弦信号的拉氏变换一阶系统一阶系统一阶系统一阶系统 通过传递函数求出输出：通过传递函数求出输出：(二二二二)传感器动态特传感器

47、动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1.3.41.3.4光光光光电电传感器技术的作用和地传感器技术的作用和地传感器技术的作用和地传感器技术的作用和地位位位位 构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术（信息采集）；（信息采集）；（信息采集）；（信息采集）；通信技术通信技术通信技术通信技术 （信息传输）；（信息传输）；（信息传输）；（信息传输）；计算机技术计算机技术计算机技术计算机技术（信息处

48、理）；（信息处理）；（信息处理）；（信息处理）；它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到 “感官感官感官感官”、“神经神经神经神经”和和和和“大脑大脑大脑大脑”的作用的作用的作用的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的 信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。光光电电传传感感与与

49、检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论目目目目前前前前传传传传感感感感器器器器技技技技术术术术已已已已经经经经在在在在越越越越来来来来越越越越多多多多的的的的领领领领域域域域得得得得到到到到应应应应用用用用，传传传传感感感感器器器器广广广广泛泛泛泛用用用用于于于于工工工工业业业业、农农农农业业业业、商商商商业业业业、交交交交通通通通、环环环环境境境境监监监监测测测测、医医医医疗疗疗疗诊诊诊诊断断断断、军军军军事事事事科科科科研研研研、航航航航空空空空航航航航天天天天、现现现现代代代代办办办办公公公公设设设设备备备备、智智智智能能能能楼楼楼楼宇宇宇宇和和和和家家家家用

50、用用用电电电电器器器器等等等等领领领领域域域域。是构建现代信息系统的重要组成部分。是构建现代信息系统的重要组成部分。是构建现代信息系统的重要组成部分。是构建现代信息系统的重要组成部分。传传传传感感感感器器器器对对对对观观观观测测测测和和和和自自自自动动动动化化化化技技技技术术术术所所所所起起起起的的的的作作作作用用用用远远远远比比比比家家家家用用用用电电电电器器器器所所所所起起起起到到到到的的的的作作作作用用用用大大大大的的的的多多多多。这这这这几几几几乎乎乎乎是是是是无无无无可可可可争争争争议的事实。议的事实。议的事实。议的事实。光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章