无人机传感器与检测技术课件：传感器认知

传感器认知项目描述电物理量的测量一般使用电工仪表和电子仪器，要求输入的信号为电信号。而非电物理量的测量则需要将非电物理量转换成与非电物理量有一定关系的电量，再进行测量，实现这种技术的器件被称为传感器。本项目拟通过传感器的特性调研、压电式传感器测量振动频率实验和测量数据处理实例等工作任务，让学生认识传感器、掌握传感器的基本特性，并培养学生爱护公物、规范操作、团队协作意识。认识无人机上的传感器一类是飞行控制传感器，另一类是任务载荷传感器。超声传感器飞控飞行（悬停、避障等）加速度计陀螺仪磁罗盘气压高度计双目立体深度视觉传感器图像传感器大疆

御MavicAir2上的传感器大疆PHANTOM4A上的传感器大疆PHANTOM4Pro上的红外线传感器任务一

传感器初识任务描述

传感器是一种检测装置。它能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。本任务旨在通过对一般工业常用传感器的型式、结构、工作过程、特性参数的调研来实现传感器的初识。任务实施1)实验室准备压电式传感器、电阻式传感器、电容式传感器等常用传感器。2)列举生活中常见的传感器，并说明各传感器的功能。3)查阅资料，小组总结汇报压电式传感器的结构、工作原理、使用场合等。4)查阅资料，收集常用电阻式传感器和电容式传感器的型号、工作原理、量程、使用条件等资料，填写表1-1。知识链接传感器的物理基础（1）守恒定律（2）场的定律能量守恒、动量守恒、电荷量守恒运动场的运动定律、电磁场的感应定律等（3）物质定律(4）统计法则例如，压电晶体物质法则--压电效应；半导体物质法则—光电效应等视觉听觉嗅觉触觉味觉大脑肌体图像传感器压力传感器气体传感器离子传感器温度传感器一、传感器的定义凡是利用一定的物质（物理、化学、生物）法则、定理、规律、效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应的器件或装置。♦广义：♦狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。能感受被测量并按照一定的规律转换成可输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。转换元件指传感器中能将敏感元件感受或相应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。敏感元件是指传感器中能直接感受或相应被测量的部分不是所有传感器都必需包括敏感元件和转换元件。传感器的组成框图被测量敏感元件变换元件信号调理电路非电量电物理量电参量辅助电源传感器的基本功能是检测信号和信号转换①传感器是测量装置，用于完成检测任务④传感器的输入量和输出量有一定的对应关系，且应有一定的精确度。②传感器的输入量是某一被测量，可以是物理量、化学量、生物量等③传感器的输出量要便于传输、转换、处理和显示等，可以是气、光、电物理量等；繁多二、传感器的分类1按被测物理量分类基本被测物理量派生被测物理量位移线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、平面度角位移旋转角、偏转角、角振动速度线速度速度、振动、流量、动量角速度转速、角振动加速度线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、转矩、转动惯量力压力重力、应力、力矩时间频率周期、计数、统计分布温度热容、气体速度、涡流光光通量与密度、光谱分布湿度水气、水分、露点2按传感器工作原理分类电学式传感器电阻式传感器电容式传感器电感式传感器磁电式传感器电涡流式传感器磁学式传感器光电式传感器电势型传感器电荷型传感器半导体型传感器谐振式传感器电化学式传感器3按信号变换特征分类结构型传感器物性型传感器通过传感器结构参数的变化来实现信号的转换，如电容式传感器利用敏感元件材料本身属性的变化来实现信号的变换，如压电式传感器4按能量关系分类能量转换型传感器能量控制型传感器飞控系统中的传感器加速度计陀螺仪磁罗盘气压计任务载荷传感器超声波传感器红外传感器图像传感器气体传感器湿度传感器……三、无人机传感器的分类任务二

传感器的基本特性认知任务描述

要对各种各样的参数进行检测和控制，要求传感器能感受被测非电量的变化特性并不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的输入-输出特性，而传感器的输入-输出特性可用静态热性和动态特性来描述。本任务利用压电式传感器测量物体振动频率实验来实现对传感器功能及其基本特性的认知。

传感器认知任务实施1)实验室准备检测技术综合试验台，压电传感器实验模块，低通滤波器，振动台，示波器，导线等。2)实验电路连接。①如图1-2所示，连接压电传感器实验模块和低通滤波器电路。③连接压电式传感器，连接振动台与振荡器电路。②连接低通滤波器和示波器。④连接试验台与压电传感器实验模块电路。3)开始实验。打开试验台开关，打开示波器开关，旋转试验台上的低频振荡器旋钮。4)旋大低频振荡器旋钮，传感器输出波形如图所示。一、传感器静态特性静态特性是指输入量不随时间而变化,或随时间变化很缓慢时（稳态）,传感器输出与输入之间的对应关系。y＝f（x）即静态特性参数包括：灵敏度线性度重复性迟滞分辨率阈值漂移知识链接（一）线性度理想传感器的输出量与输入量之间的关系应是线性的。线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。例题1：某一传感器，其实际输出输入曲线与拟合直线的最大偏差为ΔLmax＝４℃，而理论满量程范围为（－４０～１２０）℃，求该传感器的线性度？解：yyxKOOxK灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。（二）灵敏度非线性传感器线性传感器Sn越大，传感器越灵敏。K不变K变化灵敏度是个有单位的量。例如：一个温度传感器输出为电压值，则该温度传感器的温度灵敏度为mv／℃，表示一摄氏度引起多少电压输出。传感器或传感检测系统的总灵敏度=该系统各个环节灵敏度的乘积。例题2：

某测温检测系统，由热电阻温度传感器、电桥、放大器、记录仪组成，各部分灵敏度分别为：0.4Ω/℃、0.02V/Ω、100（放大倍数）、0.2cm/V。求：1、该测温系统的总灵敏度；

2、若已知记录仪笔尖位移为8cm时，求所对应的温度变化值。解：1、Sn=K1×K2×K3×K4=0.4×0.02×100×0.2=0.16Cm/℃2、Sn=8cm/△T=0.16∴△T=50℃重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。（三）重复性曲线越重合，重复性越好。迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。yxymaxy0xmax不灵敏区（死区）ΔHmaxO正向反向（四）迟滞主要是由感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷造成。若输入量缓慢变化且其变化值未超过某一范围时，输出值不变化，而当输入量的变化超过此范围时，输出值发生变化，输入量的变化范围即为分辨力。（五）分辨力分辨力是描述传感器可以感受到的被测量最小变化的能力。当分辨力以满量程输出的百分数表示时，则称为分辨率。（六）阈值如果传感器的输入从零逐渐增加，其输出一开始保持为零，直到输入增长到某个最小值后，输出才发生变化，把这个输入的最小值称为阈值。可以把阈值看作是传感器在零点附近的分辨率。（七）漂移漂移是指输入量不变的情况下，输出量却随时间变化的现象。温度漂移（八）稳定性长期稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征其输出的稳定程度。长期稳定性短期稳定性二、传感器动态特性动态特性是指传感器随时间变化的输入与输出之间的响应特性。一个动态特性好的传感器,其输出将再现输入量的变化规律,即具有相同的时间函数。实际上输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。例：动态测温设环境温度为T0,水槽中水的温度为T,而且T＞T0

传感器突然插入被测介质中；用热电偶测温,理想情况测试曲线T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1.阶跃响应特性2.频率响应特性任务三

测量误差与数据处理方法认知

传感器认知任务描述

测量的目的是希望通过测量而获得被测量的真值。但在实际测量工作中，受被测对象、检测系统、检测方法和检测人员等各种因素的影响，被测量的检测值与真值之间存在差值，即测量误差。为了减小测量误差，得到较为精确的测量结果，应对多次测量结果进行分析和处理。本任务学习测量数据的处理方法。测量结果的数据步骤任务实施一、误差的表示方法1.绝对误差反映测量值偏离真值的大小。定义绝对误差有正、负之分，且有量纲。修正值与绝对误差大小相等、符号相反实际测量值绝对误差不能很好地说明测量质量的好坏。如，在进行温度测量时，绝对误差=1℃，对钢水温度测量来说是极好的测量结果，但体温测量是不允许的。知识链接2.相对误差测量所造成的绝对误差与被测量（约定）真值之比乘以100%。定义实际测量时用测量值x代替真值L则一般来说，相对误差更能反映测量的可信程度。3.引用误差又称满量程相对误差测量的绝对误差与仪表的满量程值之比，一般也用百分数表示仪表精度等级是根据最大引用误差来确定的。例如，0.5级仪表的引用误差的最大值不超过±0.5%；1.0级仪表的引用误差的最大值不超过±1%。4.基本误差指传感器或仪表在规定的标准条件下所具有的误差。例如，某传感器是在电源电压（250±5）V、电网频率（50±2）Hz、环境温度（25±5）℃、湿度（65±5）%的条件下标定的。如果传感器在这个条件下工作，则传感器所具有的误差为基本误差。5.附加误差指在传感器或仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差，如温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差等。二、误差的分类1.随机误差，也称为偶然误差和不定误差引起原因环境温度、相对湿度、气压、振动、电场，分析人员操作的微小差异以及仪器的不稳定等是由于在测量过程中，一系列有关因素微小的随机波动而形成的具有相互抵偿性的误差。形成原因随机误差是指某一测量值与同一待测量的无限多次的测量值的平均值之差。定义2.系统误差在相同条件下，对同一物理量进行多次测量，如果误差是按一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规律）出现的，则把这种误差称为系统误差。定义JF1001-20