传感检测技术

第一章传感检测技术的基本知识航天交通摄象头:CCD传感器指纹传感器传感检测技术本章学习要求1、掌握传感检测系统的组成；2、掌握传感检测系统基本特性的评价指标；3、掌握测量误差的概念、误差的种类及误差处理的办法；4、了解传感检测系统的应用情况；5、了解传感检测系统的发展方向；6、了解主要测量、测试仪器生产厂商。传感器测量电路显示器数据处理装置检测系统的非电量电测法§1.1传感检测技术的组成传感检测系统的组成一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器、测量电路、显示记录装置和数据处理装置与执行机构等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等到功能。被测对象传感器中间变换装置显示装置记录装置数据处理装置物理量电量电量/数字量信息转换信息提取一、传感器1、定义：传感器：以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。定义含义：传感器是测量装置传感器的输入量是某一被测量传感器的输出量应是便于转换的物理量传感器的输入与输出之间有一定精确程度的对应关系传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去被测量电量敏感元件、转换元件、基本转换电路被测量输出量

敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入的被测量抟换成电路参量。

基本转换电路：上述电路参量输入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路2、传感器组成1——壳体2——膜盒（敏感元件）3——电感线圈（转换元件）4——磁芯5——转换电路

传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。

传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。为了很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。3、传感器分类1)按被测物理量分类机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩常见的被测物理量2)按工作的物理基础分类:机械式,电气式,光学式,流体式等.能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等。模拟传感器、数字传感器。双向传感器、单向传感器等。按照传感器的用途来分类

根据传感器输出是模拟信号还是数字信号根据转换过程可逆与否二、测量电路

作用：把传感器输出的电量转换成便于传输、处理的电量。即具有一定驱动和传输能力的电压、电流和频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。

1）传感器输出信号微弱，由测量电路加以放大；

2）进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿需要：放大电路、相敏检波电路、滤波电路、运算电路、补偿电路、A/D转换电路、D/A转换电路三、显示器1、作用：检测到数值大小，或被测量变化的过程。2、显示器类型：

模拟显示、数字显示、图像显示A、模拟显示：用指针对标尺的相对位置标示读数B、数字显示：用数字形式显示读数C、图像显示：显示读数、被测参数的变化曲线，或用图表，或彩色图反映整个生产线上的多组数据四、数据处理装置

作用：

对测试所得的实验数据进行运算、处理、逻辑判断、线性变换及对动态测试结果作频谱分析等。

———采用计算机技术完成数据处理结果

显示器执行机构五、检测系统的非电量电测法1、非电量电测法：

传感器非电量电量把信号变化过程，实现对非电量进行检测、控制、显示的方法称为非电量电测法。2、自动检测系统的优点A、能够连续、自动地对被测量进行测量和记录；B、电子装置精度高，频率响应好，不仅能适用于静态测量，选用适当的传感器和记录装置还可以进行动态测量甚至瞬间测量；C、电信号可以远距离传输，便于实现远距离测量和集中控制；D、电子测量装置能方便地改变量程，因此测量的范围广；E、可以方便地与计算机相连，进行数据的自动运算、分析和处理。在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开检测系统。检测系统应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。

检测系统的工程应用

§1.2传感检测技术的应用及发展方向1、工业自动化中的应用a)机械手、机器人中的传感器

转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。

密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗b)AGV自动送货车

超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型c)生产加工过程监测切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。密歇根大学数字化工厂2、流程工业设备运行状态监控在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统3、产品质量检测在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量

4、楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。

图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器5、家庭与办公自动化在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器6、其他应用航天农业交通医学7、PC机中的测试技术应用鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡+D/A卡软驱:速度,位置伺服测控实验DIY1.鼠标测位移实验2.麦克风测声音2.声卡采样频率信号分析频率合成与分解3.简易声级计制作4.CCD图象分析……..

个人测试实验室PC机中的测试技术应用一、应用：A）检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。B）检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。C）检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。D）检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。§1.2传感检测技术的应用及发展方向二、发展方向1、不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命，提高可靠性；2、应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域；3、发展集成化，功能化的传感器；4、采用计算机技术，使检测技术智能化；5、发展网络化传感器及检测系统。§1.3传感检测系统基本特性的评价指标一、传感检测系统的基本特性传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。静态特性：被测量不随时间变化或变化很慢时，检测系统的输入和输出量都与时间无关。动态特性：输入量和输出量都随时间变化较快，是一个含有时间变量的微分方程式。检测系统对快速变化的被测量的响应特性称为动态特性。二、静态特性1、测量范围与量程测量范围：在正常做条件下，检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围。通常以测量范围的上限值和下限值表示量程：测量范围上限值与下限值的代数差。2、灵敏度与分辨力A、灵敏度:是指传感检测系统在稳态下输出量变化Δy和引起此变化的输入的变化量Δx的比值。

可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。或由多个环节组成的检测系统其灵敏度等于各环节的灵敏度之积。B、分辨力指传感器或检测仪表在规定测量范围内能精确检测出被测量的最小变化的能力。表示方式：ⅰ、绝对值ⅱ、用量程的百分数表示3、线性度线性度是指实测系统输入-输出特性曲线与其拟合直线之间的最大偏差△m。又称为非线性误差。通常用相对误差

来表示，即：

YFS——满量程的输出值（=ymax-ymin）拟合直线的确定：拟合直线是计算非线性误差的基准线基准线选取方法不同，拟合精度不同拟合方法：①理论拟合；②端点连线平移拟合；③端点连线拟合；④过零旋转拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合a.理论拟合b.过零拟合c.端点连线拟合d.端点连线平移拟合常用拟合方法最小二乘拟合法精度最高拟合直线的做法：根据最小二乘法原则作出的拟合直线。优点：使拟合直线与特性曲线（输入输出特性曲线）上各点偏差的平方和最小。4、迟滞（回差滞环）现象传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程期间,输入-输出特性曲线的不一致的程度。其大小是以满量程输出YFS的百分数表示，即：是正、反行程输出值间的最大差值。

5、重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即或：y0⊿Rmax2⊿Rmax1X△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。重复性精度是传感器的综合指标的考评6、稳定性：传感器的稳定性一般是指长期稳定性

时间稳定性包括：温度稳定性零点漂移灵敏度漂移稳定性是指传感检测系统在长时间工作的状态下，由于外界各种干扰对系统产生的影响，使得输出量发生与输入无关的变化，有时称为长时间工作稳定性。产生的原因：

温度、压力、湿度、电源电压等环境参数的缓慢变化，或者系统本身性能的不稳定。预防措施：A、在恒温、恒压、恒湿、恒定电压的条件下工作；B、采用预热，预先放置一段时间等措施，使系统温度接近室温，趋于稳定，减小漂移。传感检测系统的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

传感器的动态特性取决于：传感器本身被测量的变化形式三、动态特性动态误差（失真）：

被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。在动态的输入信号情况下，输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。造成失真原因：测量电路存在延时（例：热惯性、发热、芯片对信号反应的灵敏度差等）机械惯性（例：谐振频率的传感检测系统，如弹性系统）正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入经常使用的是前两种标准输入有三种通常采用阶跃响应法和频率响应法分析传感检测系统的动态误差分析动态特性的方法阶跃响应法（瞬态响应法）阶跃响应法从时域方面来分析传感器的瞬态响应特性，如：超调量、上升时间、响应时间、延滞时间、峰值时间等。时，其输出特性称为阶跃响应或瞬态响应特性。当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号：

瞬态响应特性曲线如图阶跃响应特性

（1）最大超调量σp

（2）延滞时间td

（3）上升时间tr

（4）峰值时间tp

（5）响应时间ts：

频率响应法是从传感检测系统的频率特性出发研究其动态特性。通常是先建立传感器的数学模型，通过拉氏变换找出传递函数表达式，再根据输入条件得到相应的频率特性。

频率响应法传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。

分析传感器动态特性，必须建立数学模型。线性系统的数学模型为常系数线性微分方程。对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。频率响应法

y——输出量；x——输入量；t——时间a0，a1，…，an——常数；b0，b1，…，bm——常数——输出量对时间t的n阶导数；——输入量对时间t的m阶导数零阶传感器在零阶传感器中，只有a0与b0两个系数，微分方程为a0y=b0xK——静态灵敏度

零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞后，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。大部分传感器可简化为单自由度一阶或二阶系统

一阶传感器微分方程除系数a1，a0

，b0外其他系数均为0，则a1(dy/dt)+a0y=b0xτ—时间常数(τ=a1/a0)；K——静态灵敏度(K=b0/a0)传递函数：一阶传感器频率特性：幅频特性：相频特性：时间常数τ越小，系统的频率特性越好负号表示相位滞后二阶传感器

很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：τ—时间常数，；ω0—自振角频率,ω0=1/τξ—阻尼比，；k—静态灵敏度，k=b0/a传递函数频率特性幅频特性相频特性二阶传感器（1）频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。（2）时间常数：用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小，频带越宽。（3）固有频率n

：二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。传感器频率响应特性指标四、误差的基本概念测量误差的概念测量误差的分类误差的处理及消除方法

在测量过程中，由于测量仪器、测量方法、测量条件及环境、人为的因素的影响，总是不可避免的存在测量误差。测量结果与被测量的真值间的差值，称为测量误差。测量误差概念研究误差的意义：1、正确认识误差的性质，分析误差产生的原因，以消除或减少误差；2、正确处理数据，合理计算所得结果，以便在一定条件下得到更接近于真实值的数据；3、正确组织实验，合理设计仪器和测量方法，以便在最经济的条件下，得到理想的结果。

按误差表示方法分：

绝对误差、相对误差、引用误差按误差出现的规律分:

系统误差、随机误差和粗大误差按误差与时间关系分：

动态误差和静态误差测量误差的分类绝对误差：是指测量值Ax与被测量真值A0之间的差值，用

表示，即：

真值A0的概念（表示值）

A、通常为高一等级标准器具的示值；

B、也可以是多次测量的最佳估值。1、绝对误差

(一）按误差表示方法分相对误差：是指绝对误差

与被测量真值X0的百分比，即：

2、相对误差按误差表示方法分绝对误差不能作为衡量测量精确度的标准例如用一个电压表测量200V电压，绝对误差为+1V，而用另一个电压表测量10V电压，绝对误差为+0.5V，试比较两支电压表的测量精度。

前者的绝对误差虽然大于后者，但误差值相对于被测量值却是后者大于前者，即两者的测量精确度相差较大，为此人们引入了相对误差。按误差表示方法分对于相同的被测量，绝对误差可以评定其测量精度的高低；对于不同的被测量，以及不同的物理量，绝对误差难以评定其测量精度的高低，而采用相对误差来评定。

相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度按误差表示方法分结论：例题：

用两种方法来测量L1=100mm的尺寸，其测量误差分别为δ1=10μm，δ2=8μm；再用第三种方法测量L2=80mm的尺寸，它的测量误差为δ3=7μm。试比较其误差。按误差表示方法分3、引用误差引用误差是以仪器仪表某一刻度点的绝对误差

与仪表量程L的比值，通常以百分数表示，即：如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值m代替

，则可得到最大引用误差

0m

即：用最大引用误差来确定测量仪表的精度等级

工业仪表常见的精度等级有0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级、5.0级等

其相对误差可以根据仪表允许的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。

例如，2.0级的仪表，量程为100，在使用时它的最大引用误差不超过±2.0%，也就是说，在整个量程内，它的绝对误差最大值为±2.0。用它测量真值为80的测量值时，其相对误差最大为±2.0/80×100%=±2.5%。

按误差表示方法分系统误差、随机误差和粗大误差系统误差：在相同条件下，多次重复测量同一量时，其绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，遵循某种规律变化的误差称为系统误差。1、系统误差(二）按误差出现的规律分:直线a属于恒定系统误差；直线b属于变值系统误差中的累进性系统误差，而且是误差递增的（线性）；直线c表示周期性系统误差，在整个测量过程中，系统误差值成周期性变化；曲线d属于按复杂规律变化的系统误差。几种不同系统误差的变化规律(1)测量仪器的局限性。(2)测量时环境条件(如温度、湿度及电源电压)与仪器使用要求不一致。(3)采用近似的测量方法或近似的计算公式。(4)测量人员读取仪器示值的偏差。产生系统误差的原因主要有以下几种通常用准确度表征系统误差的大小在测量结果中进行修正；消除产生系统误差的根源；在测量系统中采用补偿措施；实时反馈修正。系统误差的消除

在测量结果中进行修正1、对于已知系统误差——用修正值对测量结果进行修正；2、对于变值系统误差——设法找出误差的变化规律，用修正公式或修正曲线对测量结果进行修正；3、对于未知系统误差——按随机误差处理。消除产生系统误差的根源1、对仪器进行周期检定与修理；2、保证测试环境达到标准要求的测试环境，防止外界条件对测量产生干扰；例如：温度、振动、突变电压等外界条件对测量产生的影响3、正确调整、安装和使用测量仪器。在测量系统中采用补偿措施

在测量和控制系统（激光干涉仪）中，安装温度、压力传感器，随时监测和反馈外界温度和压力变化，并把变化信息反馈给计算机控制系统，按照温度和压力对长度测量变化的影响的函数关系，对测量结果的误差进行修正。实时反馈修正采用闭环反馈的控制系统。冰箱温控装置在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。随机误差体现了测量结果的分散性，通常用精密度表征随机误差的大小。2、随机误差测量装置：测量仪器产生噪声，零部件配合不良，传动部分的间隙和摩擦，连接件的弹性变形引起示值不稳定等。环境因素：温度及电源电压的无规则运动，电磁干扰等。(3)人员因素：测量人员感觉器官的无规律变化产生的读数偏差。产生随机误差的主要原因例：在相同条件下，对某一量进行重复多次测量，设测量结果中不含系统误差和粗大误差，用900mm钢板尺，测量已知长度为836mm的导线，进行了n=150次测量，分析测量结果随机误差的分布规律。随机误差的处理在等精度测量情况下，得到n个测量值x1、x2、…、xn，设只含有随机误差1、2、…、n，这组测量值或随机误差都是随机事件，可以用概率数理统计的方法来处理。随机误差具有以下特征：对称性单峰性有界性抵偿性随机误差的处理

根据随机误差四个特征，得到随机误差的正态分布的

分布密度函数。----高斯误差方程

——随机误差；

——均方根误差，或称标准误差。

1、随机误差（x为测量值，x0为测量值的真值）2、标准误差

标准误差与随机误差的正态分布关系：被测量真值x0

算术平均值随机误差的抵偿性改换成

vi——剩余误差

怎么才能得到精确的标准误差？

我们可求得n个剩余误差，但实际上它们之中只有（

）个是独立的。标准误差的估计值

s可由下式计算：

——贝塞尔公式

通常的测量都是有限次测量，引入算术平均值的均方根误差（标准误差）来评定的可靠性程度

在无系统误差和粗大误差的情况下，只有随机误差，随机误差的测量结果x0可表示为：————(概率P=0.6827)——（概率P=0.9973）

或

例题1：等精度测量某电阻10次，得到的测量值为：167.95Ω、167.60Ω、167.87Ω、168.00Ω、167.82Ω、167.45Ω、167.60Ω、167.88Ω、167.85Ω、167.60Ω，求测量结果。明显歪曲测量结果的误差称为粗大误差，又称过失误差。

3、粗大误差(1)测量方法不当或错误。(2)测量操作疏忽和失误。(3)测量条件的变更。

产生粗大误差的主要原因对某一被测量，可由两位测量者进行交互测量、读数和记录；或者采用两种不同仪器；用两种不同方法进行测量。预防产生粗大误差的办法莱以特准则（3

准则）。

在等精度测量情况下，得到n个测量值x1、x2、…、xn，先算出其算术平均值及剩余误差（i=1，2…，n），并按贝塞尔公式算出标准误差

，若某个测量值xi的剩余误差vi满足下式：则认为xi是含有粗大误差的坏值，应予剔除。

粗大误差的判别与坏值的舍弃例题2：对某量进行15次等精度测量，测得值如表所列，设这些测得值已消除系统误差，试判别该测量列中是否含有粗大误差的测得值。序号测量值xi残余误差

ivi2v'v'2120.420.0160.0002560.0090.000081220.430.0260.0006760.0190.000361320.4-0.0040.000016-0.0110.000121420.430.0260.0006760.0190.000361520.420.0160.0002560.0090.000081620.430.0260.0006760.0190.000361720.39-0.0140.000196-0.0210.000441820.3-0.1040.010816920.4-0.0040.000016-0.0110.0001211020.430.0260.0006760.0190.0003611120.420.0160.0002560.0090.0000811220.410.0060.000036-0.0010.0000011320.39-0.0140.000196-0.0210.0004411420.39-0.0140.000196-0.0210.0004411520.4-0.0040.000016-0.0110.000121=20.404∑vi=0∑vi2=0.01496v'2=0.003374动态误差和静态误差

静态误差是指在测量过程中，被测量不随时间变化或随时间变化