第章传感器与检测技术基本概论

同学们好！自动检测技术与仪表高群gaoqun06@163.com课程邮箱：用户名（自动检测技术）：zdjcjs1234@163.com密码（山东工商学院）：sdgsxy1234人用手取书的反馈控制系统用软硬件模拟人用手取书的反馈控制系统自动检测系统的总体框图待检测物理量传感器电路信号信号调理电路A/D数字信号合适的电压或电流信号CPU键盘设定显示控制空调的显示和键盘2006全国大学生电子设计竞赛题目

－－液位自动控制装置

基本要求

通过键盘可以设定B瓶里的液位（0-25cm内的任意值），并通过控制电磁阀使B瓶的液位达到设定值。液位误差不超过±0.3cm。液位超过25cm或液位低于2cm时发出警报。显示器能实时显示当前液位状态和瓶内液体重量，以及阀门状态。液位传感器采用无补偿型压力传感器MPX10，它是一种离子注入式X型硅压力传感器，压力测量范围为0-10KPa，线性度是±1%，满量程电压35mv，零点偏移量（Offset）为0～35mV，灵敏度3.5mv/kPa，破碎压力100KPa，不带温度补偿。它能提供一个精确的、直接与外加压力成正比的线性电压输出，是标准的无补偿型压力传感器.

2010山东省大学生电子设计竞赛题目

－－F题

宿舍智能防盗防火报警系统

【本科组】一、任务设计一个报警系统（低成本），系统应用于学生宿舍，能自动监视宿舍内的安全情况，有异常情况发生时能立即发出报警和求助信息。二、要求1.基本要求（1）实现人体检测与声光报警功能。（2）实现烟雾检测与声光报警功能。（3）用键盘输入密码完成报警系统的解警等工作状况。（4）实现异地监控。（5）能反映宿舍内人员的进出情况及人数的记录。（6）宿舍无人时提示锁门。2.发挥部分（1）人体检测范围5米左右。（2）能记录最近几天的宿舍安防情况。（3）实现网络控制，可在监控点监控多个宿舍。（4）能检测本宿舍贵重物品的进出情况。热释电红外人体传感器烟雾传感器热释电传感器加上一个菲涅尔透镜，增加感应距离“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛光电组—红外车比赛的赛道“山商迅雷”队的“牛车”“山商迅雷”队的“眼睛”—RPR220“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛光电组的高级车—激光车激光车传感器“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛摄像头车摄像头车传感器测速码盘测速用的编码器“飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛电磁车电磁车传感器—高精度电容和电感赛道中心黑色线下铺设有直径0.1-0.8mm漆包线，其中通有20KHz，100mA的交变电流。频率范围20K±1K，电流范围(100±20mA)。★学时：48学时。其中授课：40学时；实验：8学时★成绩考核分三部分：考试、实验、平时成绩评定：本门课程的总成绩＝期末考试成绩×70%+实验成绩×15%+平时成绩×15%★期末考试方式：闭卷考试平时成绩包括平时作业、上课情况第1章传感器与检测技术基本概论

1.0绪言1.1传感器的基本概论

1.2检测系统的静态特性与性能指标

1.3检测系统的动态特性与性能指标

检测技术在生活、生产中的应用为了了解某一生产（比如葡萄酒和化工）过程或试验的进展情况，我们必须对能表征它们特征、状态的各物理量进行测量，比如电压、电流、温度、压力、流量、液位、成分等。通过对这些参数的大小、变化速度、变化方向等进行监督和控制，就能使生产或试验过程处于最佳的状态。1.0绪言检测云技术盾这门件学科握涉及瞧的内祥容必须抚弄清雷楚物衔理原远理（王传感漂器的告传感暴原理厚），厘被测舌量的桥一般究是非许电量辛：热工脱参数中的镰温度诱、压屑力、屯流量嫌、液业位等父；机械料量参臭数中的瓣尺寸万、位识移、案速度处、加按速度目等；物性疗参数中的勾酸碱娇度、政湿度屈、成势分含止量等珍。进行非电秋量电量的转眯换。对转漏换的信号环进行镰调理，便跃于传类输和子处理忘。研究帜在终竭端的尺接受炊方式堂和显示纯方式。对整沃个系享统的误差进行鼻分析秩。1.饶1.作1传感狠器的回定义1.善1传感努器的廉概论1.怨1.热2传感除器及线检测径系统无的组继成传感鲜器一金般由敏感矿元件、转换柄元件和其问他辅助确元件组成辫。敏感到元件轻：感受场被测蜂量，锦并输浊出与铺被测倡量成亲确定转关系摘的其笔他量蓄的元帐件。变换齿元件陶：又称传感苗元件，将史敏感瓣元件距感测闸到的烦物理怕量转止换为堡电量灾信号冬（大护多数洁情况狡下是刃电量砖信号典）。有的桥传感奖器可稼以明碌显的涛分为旁敏感踏元件示和变云换元疑件，丧比如大膜片丹和应互变片辈组成于的压欺力传地感器果；有也的传嫂感器笛的敏川感元惭件同植时又影是变脸换元幸件，爪比如量热电内偶、狐热电槽阻等垂。信号挂调理街与转讯换电峰路：把港传感连器输忌出的非电信彼号转秒换为忧便于统显示陪、记糕录和射控制课的信轻号。敏感元件转换元件转换电路被测量电量1、按吧被测帜量分维类：1.维1.疏3传感弦器的俗分类电工孩量：电字压、训电流垃、电商功率易、电塌阻、厚电容维、频尝率、红磁场盟强度魂、磁刚通密处度等宜；热工鹿量：温参度、扶热量达、比叙热、地热流漫、热站分布该，压半力、悬压差慕、真钉空度刮，流箱量、盲流速会，物膜位、罗液位且、界搞面等真；机械待量：位营移、坐形状阻，力狡、应阻力、蜂力矩仗，重葱量、见质量践，转壤速、肉线速口度，晕振动征、加腿速度骂、噪猫声等惰；物性帆和成芒分量：气批体成峡分、做液体秘成分泪、固器体成射分、答酸碱某度、奖盐度秒、浓错度、颜粘度害、粒夕度、笔密度关、比称重等创；光学轻量：光幅强、仰光通炭量、奶光照态度、史辐射蹈能量费等；状态馅量：颜昂色、浊透明支度、奇磨损誓量、水裂纹逗、缺康陷、偿泄漏按、表嘱面质薄量等躬。2、按容测量允原理渠分类衰：电阻竹式传预感器芒、电湾容式赠传感最器、告电感韵式传递感器播、压淹电式摔传感矮器、膜光电侵式传随感器干、超狐声波庄式传昂感器恼、磁煤敏式吐传感铲器等怕。传感秃器的测测量怖原理屈都是烦基于暴物理嚷、化锯学、崇生物细等各细种效踩应和描定律。这蜡种分队类方贫法可匙以从鸭原理仿上认负识输气入与纲输出种之间搬的关牺系。3、按趁信号开变换材特征诸分类哭：结构购型：通过传感弓器结承构参裹数的捏变化热实现痒信号梁变换，比爪如电允容式督传感馒器。物性恒型：利用传感敞器材远料本蛙身物闭理属蝇性的可变化英实现早信号秒变换，比贼如压膝电式陶传感赔器、卸热电鬼阻温旅度传膜感器中等。4、按火能量膊关系导分类赤：能量症转换螺型（探有源负）：传感尊器直似接使伏用被胆测对律象输政入的柜能量奔工作拌，比蹄如热酷电偶然、光城电池生等。能量肤控制构型（哪无源厘）：传感话器从僵外部蓝获得批能量将工作佳，比判如电眯阻式灿传感滨器、演电感昼式传彩感器陷等。1.薯1.凉4传感野器技疾术的刺发展品方向1、测赵量仪枝器向亭高精展度和剖多功晓能发唇展。2、参胆数测菊量与扛数据颈处理首向自餐动化收方向口发展僵。3、传佛感器公向智晚能化下、集尼成化泰、微态型化末、量纽奉子化施、网盯络化尖方向揪发展胀。4、开闹展极购端测换量。1.子2检测击系统亦的基钟本概款论一、舍概念1、检芳测：利用季各种名物理话、化鸟学效滥应，次选择览合适们的方娇法与首装置停，将织生产浅、科蚂研、敬生活乳等各而方面窃的有鱼关信适息通总过检谊查与侵测量趁的方望法赋除予定怨性或悼定量似结果勾的过便程。2、自圾动检扔测与中转换值技术享：能自积动完核成整萍个检洪测处招理过削程的父技术炕称为蓝自动渔检测谎与转汽换技杂术。二、蚊检测锄系统宴构成信息获取转换显示和处理（信打号检游出部衡分）（信言号变傻换部彩分）（分灿析处沿理部拥分、糊通信聪接口抹及总侵线）（1）传拉感器传感果器是旁检测士系统奶与被套测对醋象直犁接发蛾生联始系的炒器件他或装习置。淹它的作用是感弟受指指定被舍测参临量的氧变化液并按照毕一定省规律梁转换成一阻个相糕应的便于交传递悉的输出衬信号拆。传感岗器在斑检测钳系统异中占掀有重表要的妨位置促，它男获取僚信息欣的正脆确与滴否决怜定了狼检测升系统两的精改度。（2）信纵号调它理信号漫调理结在检竭测系默统中战的作蜂用是踪蝶对传感增器输崭出的(微弱)信号进行检波刊、转竹换、揉滤波原、放炉大等，依以方叠便检晚测系宏统后拍续处茂理或步显示膛。例如知，工引程上厦常见狼的热立电阻抓型数拜字温搭度检及测（昆控制荣）仪唇表其并传感泥器Pt微10醉0输出垂信号叫为热扭电阻笔值的能变化，为窃便于船后续闻处理贸，通角常需渠设计补一个四臂样电桥，把贱随被龄测温吸度变遍化的骆热电与阻阻值疮转换乳成电丹压信绘号；由驶于信倡号中环往往费夹杂作着50因Hz工频疯等噪屿声电价压，者故其错信号痒调理辱电路亩通常邮包括银滤波锦、放股大、交线性采化等丘环节剩。对信体号调币理电观路的蚕一般归要求扑是：(1星)能准铅确转卡换、悉稳定火放大裹、可扁靠地臭传输球信号诵；(2唤)信噪斑比高史，抗巧干扰侍性能田要好须。（3）数是据采迷集数据芹采集冷在检粥测系限统中锯的作用是对前信号忘调理余后的连续寇模拟拆信号离散极化并祝转换俘成与才模拟留信号梅电压搅幅度咱相对模应的扛一系鹊列数字全信息，同热时以糖一定棒的方身式把狸这些袭转换删数据凭及时采传递桐给微朋处理临器或扬依次汗自动黑存储逝。数据邮采集衣系统蹦通常岩以各芽类模/数（A/怠D）转换撤器为核吗心，满辅以膛模拟施多路撑开关熄、采条样/保持遭器、资输入孝缓冲五器、雾输出轻锁存个器等伸组成血。（4）信串号处粗理信号全处理秤模块俩是现陵代检顾测仪淹表、败检测乎系统鼠进行尝数据巡寿处理挪和各球种控垃制的中枢盾环节，其蜜作用拿与功鸣能和肠人的梢大脑从相类暖似。盐现代俊检测岸仪表徐、检谦测系室统中歇的信尿号处拳理模筐块通否常以录各种叙型号面的单片估机、级微处区理器为核矩心来焰构建猎，对票高频磁信号朝和复乱杂信叶号的幼处理专有时彻需增屿加数贴据传灿输和陶运算坝速度宏快、密处理洪精度在高的DS计P或直折接采末用工持业控怒制计煮算机屑。（5）信擦号显婚示通常派人们蛇都希蛾望及原时知禁道被样测参宪量的劣瞬时春值、耗累积陪值或振其随衡时间雪的变非化情牲况；钳因此锐，各均类检邻测仪畜表和熄检测伸系统视在信惨号处迟理器榆计算骑出被戴测参遮量的鞠当前趴值后解通常趣均需红送各顺自的炊显示显器作斗实时科显示顶。显扣示器屋是检阵测系锅统与目人联摔系的狐主要匠环节背之一收，显糖示器角一般罚可分竿为模拟串式、数字身式和屏幕陪式三种们。（6）信骗号输塑出在许心多情水况下撑，检驾测仪己表和旱检测忆系统单在信肿号处有理器防计算恭出被碗测参谨量的皮瞬时筋值后除送合显示母器进众行实筛时显宣示外，通历常还僵需把线测量堡值及战时传忍送给捎控制细器或居其它执行冲器、打印神机、记录咳仪等，日从而构成喝闭环椅控制羽系统或实现弹打印厦（记询录）陕输出。检诊测仪兼表和玩检测忽系统匪信号晴输出溜通常祖为经D/秒A变换絮和放锄大后暂的4～20mA的模议拟电淹压、钓开关梳量、狭脉宽铲调制PW凤M、串行掉数字刷通信锁和并例行数燥字输宜出等逮多种课形式截，需鲜根据盐测控胡系统类的具奶体要糟求确蛇定。（7）输损入设画备输入告设备站是操您作人瓣员和腹检测团仪表断或检具测系浊统联尾系的们另一段主要卵环节皱，用于连输入感设置潮参数肚、下和达有赴关命悄令等。悦最常朋用的且输入岂设备六是各巴种键盘肃、拨壁码盘送、条傻码阅钩读器等。件最简潮单的秆输入海设备价是各笛种开蔑关、扰按钮侵。检测道技术游是仪昂器仪欣表的熔技术菊基础蜓。三、全检测嫂系统帮的作阴用1、检泛测技茫术在供国民陷经济允中起洁着极叨其重积要的蜂地位丢。2、检绞测是避科学猴研究墨的基敲础。3、现急在出盲现了市“信息疤处理调能力远发达撞，检抱测功维能不梨足”的勤局面垫，新睬型传育感器按有待洽进一嚷步发残展。四、拼检测翼技术肠的现若状与邻发展1、检岩测方渔法的易推进这。2、检雅测仪饺器与恒计算吗机技雨术的滨集成翠。1.输3传感震器与遍检测断系统杏的基鉴本特罚性一、祖传感寄器的被数学昼模型充概述（参越考《自控配原理》的知狂识）1、静诞态模昆型输入任信号割不随菊时间舟变化驰情况曲下，触传感庄器输绞出量当与输往入量疗之间影的函神数关技系。料一般矛可用多项畅式来表材示。2、动汗态模县型输入侄信号匠为随差时间乒变化淡的量删，传丑感器馋输出屯量与论输入俗量之河间的碧数学临关系柱。一驻般可恨用微分参方程或传递年函数来表狂示。测量届仪表缎测量参的量烈一般状有两殿种形戴式：一种愧是稳究定的握，不为随时望间变里化或漠变化效及其药缓慢允，称亦为静态皂信号；一种誓是随词时间榨变化骡的，撕称为动态物信号。因此君，测肥量仪摔表的行特性锦通常趁分为静态殿特性和动态布特性两大结类。二、散检丙测系杀统的兆静态透特性塘与性摊能指驻标静态导检测签是指热测量累时，势检测溜系统阴的输尚入、诊输出及信号见不随俩时间誉变化弄或变爸化很厉缓慢幅。静态浇检测嘴时，水系统催所表潜现出羡的响穗应特影性称句为静穿态响崇应特伐性。1、线递性度刚（非洒线性矮误差涂）非线拘性误互差是衡量归实际灭特性偏离虑线性侮程度的指少标，野它取它实际说值与栽理论凤值之卫间的局绝对钳误差凡的最烫大值艰和仪眯表量奋程之缩慧比的小百分纤数。线性度仪器的量程输出与理论最大偏差2、灵姻敏度灵敏票度指输出揪的增柔量与甘输入疤的增安量之陵比，即弹：线性四系统的灵饼敏度S为常愚数，药即输闪入输圈出关还系直筝线的污斜率倍，斜坡率越湾大，巨其灵寸敏度蛾就越池高。非线书性系桥统的灵卸敏度S是变各量，雄是输酬入输早出关仅系曲票线的赢斜率务，输纱入量贴不同屿，灵腊敏度历就不傲同，哨通常维用拟浴合直擦线的筒斜率待表示冻系统桌的平较均灵碧敏度凝。要洲注意小灵敏戴度越亿高，盆就越季容易絮受外姜界干童扰的傻影响辉，系尸统的富稳定这性就海越差腿，测激量范经围相寸应就烂越小竹。3、重辜复性重复剂性表拼示检极测系冒统在槽输入步量按同慰一方闻向做泉全程纸多次权测量时，勇所得航的特段性曲池线不浮一致逮性的滨程度课。4、迟滞册（变辟差、奋回程丹误差享）迟滞尖特性浴表示娱检测苍系统敢在正(输入笋量增路大)、反类（输因入量柜减小仍）行愚程中叨输出框输入油曲线疼不重忧合的军现象熊称为虾迟滞。式中△Hm涝ax—正反痛行程刑间输佛出的楼最大固差值迷。迟滞视特性碌如图矛所示敏，它纠一般须是由挑实验董方法在测得辜。迟莫滞误捏差一佩般以满量速程输出吴的百天分数思表示,即0yx⊿HmaxyFS迟滞特性5、精懂确度督（精很度）相关须的概鸟念：精密素度：测宗量仪懂表输串出值习的分散惠性，是随机竞误差大小铅的标乳志。正确掉度：它说赤明仪痒表输亮出值与真也值的颈偏离赌程度，是系统剧误差大小浆的标举志。精确兄度：它昆是精久密度且和准求确度晌两者源的总饥和，精确拾度高表示精密顺度准泪确度尽都比值较高。以射勒击为称例，锈加深婆对三疯个概坦念的羊理解覆。(a版)准确柿度高庭，精符密度荷低；(b保)准确鱼度低舞，精渠密度吊高；(c捧)精确蒜度高6、分胁辨力能引角起输乖出变骨化的沉输入圣量的欠最小棒变化川量，表谋示检魂测系盐统或促仪表冶装置罩分辨贼输入译量微宋小变场化的鞠能力震。当异被测歌量变饼化量脆小于咏分辩剖力时晴，检贼测系犹统对从输入名量的伙变换稠没有握任何唇反应稠。7、漂银移漂移群指检冈测系穿统随时庆间的慢统变化素。在淘规定闲条件魂下，勇对于勾一个眨恒定纠的输著入在嘴规定菌时间誓内的棕输出吩在标位称范念围最掠低值慢处的峰变化直，称铜为零轧点漂嫌移，轿简称零漂。温肯度变涌化引燥起的乖漂移笨叫温漂。三违测量忍装置宽的动旗态特选性测量任装置滴的动沙态特钻性——测量谋装置棵对随泳时间添变化算的输辜入量种的响赢应特矛性。了解星和掌直握测收量装墙置动我态特及性的搞目的州：(1器)根据匆信号枕频率习范围涨及测遭量误特差的推要求野确定猾测量直装置居。(2贪)已知恰测量激装置微的动众态特拒性，伪估算多可测翠量信浓号的烤频率特范围吸与对围应的援动态仅误差孔。n=1竟——一阶贴系统赚的传起递函糖数n=2队——二阶滩系统门的传辅递函丸数传递丧函数握特点撞：(1秃)H(s)与输胸入无压关，借只反清映系握统的监特性震。一、形传递舞函数1、传蛛递函卫数H(质s)：——初始尤条件测为零介时，智系统杠输出叹的拉耳氏变腔换与创输入来量的盗拉氏欠变换贱之比（式3-打1）。(2须)H(s)与具许体的驼物理丢结构匠无关,只反遵映系律统的承响应猫特性假。(3绢)H(s)对任圣一具惧体的索输入洪都唯狼一给猪出相佣应的最输出渴及其饰量纲咽。(4炉)H(s)中的嫁分母渠完全兰由系酷统（萍包括午研究累对象占和测宇量装宰置）蜡的结乏构确墓定，降分子牧与输敞入（既激励要）点说的位陆置、猾所测松变量停及测掉点布亮置等蜜情况级有关这。2、频雀率（凝响应勾）特租性测量挖装置尽的频墓率响易应特弱性H(jω)——在初散始条镰件为坦零的基条件粗下，蒜系统阵输出y(t)二、鹅常见敏测量毅系统仇的数铃学模且型1、一盖阶系虹统—惯性攀环节肢（非便周期做环节碗）如:液柱纱式温纠度计念、RC低通步滤波梁器、组弹簧-阻尼宰系宽统能等。(1）一弃阶系住统的告微分斤方程例:弹簧-阻尼松系统睡如下惹页图3-签5所示的傅剖氏变两换Y(jω)与输谋入量x(t)的傅与氏变飘换X(jω)之比好。令则：kc

y(t)（位移）

x(t)（力）图3-5弹簧—阻尼系统(2）一些阶系胶统的胖传递说函数（3）一炮阶系诱统的斤频率古特性2.二阶膊系统—振荡仿环节如:质量-弹簧-阻尼因系统妨、RL利C电路搂、动筹圈式概仪表炸。τ—时间猛常数招，由系至统的锄固有厚属性—结构天参数肿决定霜。令——系统的静态灵敏度。

——阻尼率；——系统的固有频率；

上式术变为kcy(t)

x(t)m（1）二歉阶系码统的乓微分麦方程如图3-遗6有一存质量-弹簧-阻尼奸系统（2）二呈阶系已统的灭传递稀函数（3）二存阶系刷统的灿频率瞧特性三、鼻动态通特性需参数1．阶捞跃响萝应1）一阳阶系喂统的膀阶跃哪响应输入还阶跃瞒信号当A=1时，绪输入踏为单淘位阶欣跃信范号（掠函数窗）。微分允方程姻的解蹲为（短令S=1）①y(照t)为一剥指数佳曲线百。②y(回0)蠢=0雅,y旋(∞段)=蜡1。③在0到∞恭的时享间范社围内都，总存厘在过桑渡响岂应动蛾误差帮。④τ↑，曲线别趋于1的时定间越y(t)tτ2τ3τ10τ小τ大0.63长，宾输出废与输耍入差牙异越勇大。t=挣3τ或4τ为响窝应时康间.2）二待阶系茄统的缝阶跃杯响应(如图3-摔7所示)（微分先方程）0<箩ξ<机1（欠阻砖尼状招态）ξ=起1（临界赤阻尼挪状态饲）ξ>扰1（过阻锣尼状矛态）阶跃刘响应纽奉性质衫：①响网应曲刑线形陡状三辱种（飘如图3-艰7）。②响些应曲并线形辱状取痛决于ξ，ξ通常切设计规在0.脆6～0.握8之间荣。③响破应速脚度随哈固有搜频率耐的变猴化而墨不同,当ξ一定渴，ωn越大集，响役应速罗度越爬快。图3-助7二阶似系统进阶跃休响应3）二光阶系舅统时汁域动魄态性村能指虾标(如图3-厚8）①延迟梨时间td——单位乞阶跃眉响应愿曲线侧达到挥其终恋值的50架%所需绕的时僵间。②上猎升时静间tr——单位管阶跃慎响应堂曲线露从其贩终值杰的10倚%上升郊到终征值的90柔%所需温的时颂间。③峰夫值时训间tp——单位恩阶跃县响应阅曲线茧从零匪开始盒超过凤其稳农态值街而达绵到第丈一个泻峰值洋所需丙的时布间。图3-杨8二阶茶系统宽单位梢阶跃脸响应1.00trtdtptsMp允许误差0.05或0.02④响第应时仿间ts(如图3-姑8）——单位筒阶跃竭响应昂