传感器与检测技术 绪论课件

传感器与检测技术Sensor&DetectingTechnology传感器与检测技术No.1绪论基础知识定义、分类发展趋势选用原则一般特性传感器原理

检测技术温度传感器磁敏传感器光电传感器应变传感器电感传感器电容传感器压电传感器其他传感器多传感器融合检测电路现代检测系统课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用传感器与检测技术No.1绪论以理论教学和案例实验为主线,引导学生积极思考。教学方法改革：

解决侧重课本教学存在的问题：1.检测技术应用、发展部分空洞；2.传感器部分没有实物对象、枯燥无味应用举例表面形状检测锡高检测传感器与检测技术No.1绪论[1]传感器课程[2]仪表技术与传感器[3]传感器世界[4]中国传感器[5]传感器技术[6]21IC中国电子网[7]传感技术学报网[8]传感器资讯网2.利用网络资源学习手段更新1.实验室资源传感器与检测技术No.1绪论平时成绩40分=大作业+考勤期末考试60分大作业：1.课后习题——交作业本；2.资料翻译、简单的检测系统分析与设计报告等——发电子版到我邮箱，同时交纸质版本要求：自由组合成学习小组，一般为2-4人，由组长统一发送邮件与收取作业。zhangmei8183@

成绩评定传感器与检测技术No.1绪论1.1自动检测技术概述1.2传感器概述1.3测量误差与数据处理1.4传感器的一般特性1.5传感器的标定和校准第1讲基础知识传感器与检测技术No.1绪论1.1自动检测技术概述学习要求：1.掌握测试技术的概念及研究内容2.了解测试技术的应用情况3.了解测试技术的发展动态4.了解主要测试仪器生产厂商传感器与检测技术No.1绪论1.1.1测试技术的基本概念

测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。

测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。

为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。

传感器与检测技术No.1绪论

一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。

传感器将被测物理量(如噪声,温度)检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。

1.1.2测试技术的组成

信息转换信息提取传感器与检测技术No.1绪论1.1.3测试技术的工程应用

在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。

传感器与检测技术No.1绪论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。

在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗传感器与检测技术No.1绪论b)AGV（AutomatedGuidedVehicle）自动导航运输车

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模型传感器与检测技术No.1绪论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传感器与检测技术No.1绪论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。传感器与检测技术No.1绪论3、产品质量测量在汽车、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传感器与检测技术No.1绪论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传感器与检测技术No.1绪论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传感器与检测技术No.1绪论5、其他应用航天农业交通医学传感器与检测技术No.1绪论鼠标: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6、PC机中的测试技术应用传感器与检测技术No.1绪论1.1.4测试技术的发展趋势1、传感器方面

a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器热/光电量传感器与检测技术No.1绪论b)传感器+嵌入式计算机

智能传感器振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器传感器与检测技术No.1绪论2、测量信号处理方面计算机虚拟仪器技术用PC机＋仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路优点传感器与检测技术No.1绪论1.1.5主要传感器和测试仪器生产厂商2、振动/噪声传感器丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名）1、工业自动化类传感器美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心）传感器与检测技术No.1绪论3、测量分析仪器美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商)美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商)传感器与检测技术No.1绪论思考题：

分析一个你身边的测试技术应用的例子。传感器与检测技术No.1绪论1.2

传感器概述

1.2.1

传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。传感器与检测技术No.1绪论包含的概念：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器与检测技术No.1绪论1.2.2传感器的组成敏感元件

直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件

敏感元件的输出就是它的输入，转换成电路参量转换电路

上述电路参数接入基本转换电路（如放大、阻抗匹配等），便可转换成电量输出传感器与检测技术No.1绪论3.传感器的分类（详见P4）1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量: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，色彩传感器与检测技术No.1绪论机械式,电气式,光学式，流体式等。2)按工作原理分类:切削力测量应变片动圈式磁电传感器

传感器与检测技术No.1绪论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.传感器与检测技术No.1绪论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.传感器与检测技术No.1绪论5.传感器的命名

由主题词加四级修饰语构成。

主题词——传感器；第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字；第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字；第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。传感器与检测技术No.1绪论6.传感器的代号依次为：主称（传感器）被测量—转换原理—序号主称——传感器，代号C；被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。例：应变式位移传感器：CWY-YB-20；光纤压力传感器：CY-GQ-2。传感器与检测技术No.1绪论传感器与检测技术No.1绪论传感器与检测技术No.1绪论传感器与检测技术No.1绪论传感器与检测技术No.1绪论电阻式远传压力表感应式流量表称重传感器CCD传感器传感器与检测技术No.1绪论质子旋进式磁敏传感器压阻式液位传感器光敏传感器温度传感器传感器与检测技术No.1绪论风力参数传感器地震检波器反射式光敏传感器磁、气、力敏传感器超声传感器传感器与检测技术No.1绪论1.3

测量误差与数据处理

1.3.1

测量误差的概念和分类1.有关测量技术中的部分名词（详见P4）（1）等精度测量（2）非等精度测量（3）真值（4）实际值（5）标称值（6）示值（7）测量误差2.误差的分类（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差传感器与检测技术No.1绪论1.3.2

精度反映测量结果与真值接近程度的量(1)准确度(2)精密度(3)精确度(精度)

对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，但精确度高，则精密度和准确度都高。传感器与检测技术No.1绪论1.3.3

测量误差的表示方法

(1)绝对误差绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差为

（1.3.1）由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为

（1.3.2）通常以此值来代表绝对误差。传感器与检测技术No.1绪论修正值为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值，常用C表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即

A0=x+C（1.3.3） 由此得C=A0-x（1.3.4）在实际工作中，可以用实际值A近似真值A0，则（1.3.4）式变为C=A-x=-Δx（1.3.5）修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修正值可以消除该误差的影响传感器与检测技术No.1绪论(2)相对误差相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式：①实际相对误差（1.3.6）

②示值相对误差（1.3.7）

③满度（引用）相对误差（1.3.8）传感器与检测技术No.1绪论最大允许误差指示仪表的最大满度误差不许超过该仪表准确度等级的百分数，即

（1.3.9）当示值为x时可能产生的最大相对误差为

（1.3.11） 用仪表测量示值为x的被测量时，比值越大，测量结果的相对误差越大。选用仪表时要考虑被测量的大小越接近仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。传感器与检测技术No.1绪论传感器与检测技术No.1绪论传感器与检测技术No.1绪论传感器与检测技术No.1绪论传感器与检测技术No.1绪论1.3.4

随机误差

1.正态分布随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律

传感器与检测技术No.1绪论正态分布的随机误差分布规律（1）对称性。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。（2）单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。（3）有界性。一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。（4）抵偿性。随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。传感器与检测技术No.1绪论2.随机误差的评价指标

由于随机误差大部分按正态分布规律出现的，具有统计意义，通常以正态分布曲线的两个参数算术平均值和均方根误差作为评价指标。

（1）算术平均值

当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平均值即等于真值，事实上是不可能无限次测量，即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加，算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。

传感器与检测技术No.1绪论(2)标准差

①

测量列中单次测量的标准差在等精度测量列中，单次测量的标准差

（1.3.18）式中，n——测量次数；

——每次测量中相应各测量值的随机误差。传感器与检测技术No.1绪论实际工作中用残差来近似代替随机误差求标准差的估计值，即：贝塞尔（Bessel）公式

传感器与检测技术No.1绪论②

测量列算术平均值的标准差式中，——算术平均值标准差（均方根误差）；

—测量列中单次测量的标准差；

n——测量次数当测量次数n愈大时，算术平均值愈接近被测量的真值，测量精度也越高。传感器与检测技术No.1绪论3.测量的极限误差

测量的极限误差是极端误差，检测量结果的误差不超过该极端误差的概率为P，并使出现概率为（１-P），误差超过该极端误差的检测量的测量结果可以忽略。

（1）单次测量的极限误差随机误差在－δ至＋δ范围内概率为：经变换，(1.3.22）式为若某随机误差在±t范围内出现的概率为2Φ(ｔ),则超出该误差范围的概率为传感器与检测技术No.1绪论几个典型t值的概率情况分析t|δ|=tσ不超出|δ|的概率2Φ（ｔ）超出|δ|的概率1-2Φ（ｔ）0.670.67σ0.49720.502811σ0.68260.317422σ0.95440.045633σ0.99730.002744σ0.99990.0001传感器与检测技术No.1绪论当t=3时，即|δ|=3时,误差不超过|δ|的概率为99.73%,通常把这个误差称为单次测量列的极限误差δlimx,即δlimx

=±3传感器与检测技术No.1绪论例：测量电压时的测量列为：12.123；12.234；12.235；12.133；12.142；12.233；12.222；12.236；12.152；12.255；12.253；12.246。则其算术平均值是：传感器与检测技术No.1绪论它的实验标准差是（由于标准差没法直接计算，实际操作中都用实验标准差来代替σ，即用算术平均值代替真值）：

传感器与检测技术No.1绪论最后得实验标准差为：

若t取2，则测量列的随机误差为土2s(xk)=土0.1016(V)。传感器与检测技术No.1绪论（2）算术平均值的极限误差测量列的算术平均值与被测量的真值之差当多个测量列算术平均值误差为正态分布时，得到测量列算术平均值的极限误差表达式为

式中的t为置信系数，为算术平均值的标准差。通常取t=3,则传感器与检测技术No.1绪论1.3.5

系统误差

1.系统误差的发现理论分析及计算实验对比法残余误差观察法残余误差校核法计算数据比较法传感器与检测技术No.1绪论（1）理论分析及计算

因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。（2）实验对比法

实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。（3）残余误差观察法

根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。传感器与检测技术No.1绪论（4）残余误差校核法①用于发现累进性系统误差

马利科夫准则：设对某一被测量进行n次等精度测量，按测量先后顺序得到测量值x1，x2，…，xn，相应的残差为v1，v2，…，vn。把前面一半和后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值②用于发现周期性系统误差

阿卑-赫梅特准则：

则认为测量列中含有周期性系统误差。

当存在

设

传感器与检测技术No.1绪论(5)计算数据比较法对同一量进行多组测量，得到很多数据，通过多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比较结果应满足随机误差条件，否则可认为存在系统误差。任意两组结果之间不存在系统误差的标志是

传感器与检测技术No.1绪论2.系统误差的削弱和消除传感器与检测技术No.1绪论1.交换法

在测量中，将引起系统误差的某些条件(如被测量的位置等)相互交换，而保持其它条件不变，使产生系统误差的因素对测量结果起相反的作用，从而抵消系统误差。例如，以等臂天平称量时，由于天平左右两臂长的微小差别，会引起称量的恒值系统误差。如果被称物与砝码在天平左右称盘上交换，称量两次，取两次测量平均值作为被称物的质量，这时测量结果中就含有因天平不等臂引起的系统误差。

传感器与检测技术No.1绪论2.抵消法

改变测量中的某些条件(如测量方向)，使前后两次测量结果的误差符号相反，取其平均值以消除系统误差。例如，千分卡有空行程，即螺旋旋转时，刻度变化，量杆不动，在检定部位产生系统误差。为此，可从正反两个旋转方向对线，顺时针对准标志线读数为d，不含系统误差时值为a，空行程引起系统误差ε，则有d=a+ε；第二次逆时针旋转对准标志线、读数d’，则有d’=a-ε，于是正确值a=(d+d’)/2，正确值a中不再含有系统误差。

传感器与检测技术No.1绪论3.代替法

这种方法是在测量条件不变的情况下，用已知量替换被测量，达到消除系统误差的目的。仍以天平为例，先使平衡物T与被测物X相平衡，则X=(L2/L1)T；然后取下被测物X，用砝码P与T达到平衡，得到P=(L2/L1)T，取砝码数值作为测量结果。由此得到的测量结果中，同样不存在因L1、L2不等而带来的系统误差。

传感器与检测技术No.1