自動檢測技術(shù)-傳感器基礎(chǔ)知識

緒論0.1自動檢測技術(shù)概述0.2傳感器概述上一頁返回下一頁0.1自動檢測技術(shù)概述0.1.1自動檢測技術(shù)的重要性0.1.2自動檢測系統(tǒng)的組成0.1.3自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回0.1.1自動檢測技術(shù)的重要性測試手段就是儀器儀表。 在工程上所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，促使人們用電測的方法來研究非電量，即研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速地測得非電量的技術(shù)。非電量電測量技術(shù)優(yōu)點： 測量精度高、反應(yīng)速度快、能自動連續(xù)地進行測量、可以進行遙測、便于自動記錄、可以與計算機聯(lián)結(jié)進行數(shù)據(jù)處理、可采用微處理器做成智能儀表、能實現(xiàn)自動檢測與轉(zhuǎn)換等。機械制造業(yè)化工行業(yè)煙草行業(yè)環(huán)境保護等部門現(xiàn)代物流行業(yè)科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)中文物保護領(lǐng)域綜上所述，自動檢測技術(shù)與我們的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。它是自動化領(lǐng)域的重要組成部分，尤其在自動控制中，如果對控制參數(shù)不能有效準確的檢測，控制就成為無源之水，無本之木。上一頁返回下一頁0.1.2自動檢測系統(tǒng)的組成圖1.1.1測量系統(tǒng)的組成上一頁返回下一頁傳感器測量電路輸出單元被測量傳感器：把被測非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。測量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測或反饋信號。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報警器、數(shù)據(jù)處理電路等。上一頁返回下一頁0.1.3自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢（1）不斷提高儀器的性能、可靠性，擴大應(yīng)用范圍。（2）開發(fā)新型傳感器。（3）開發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。（4）微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)與儀器儀表和傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測試系統(tǒng)，使測量精度、自動化水平進一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統(tǒng)。上一頁返回下一頁0.2傳感器概述0.2.1

傳感器的定義0.2.2

傳感器的組成0.2.3

傳感器分類0.2.4

傳感器的地位及目前發(fā)展狀況0.2.5

我國傳感器業(yè)的發(fā)展0.2.6

傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢上一頁下一頁返回0.2.1傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置。上一頁下一頁返回包含的概念：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。上一頁下一頁返回0.2.2傳感器的組成敏感元件

直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量轉(zhuǎn)換元件

敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量轉(zhuǎn)換電路

上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路被測量電量上一頁下一頁返回0.2.3傳感器分類工作機理：物理型、化學(xué)型、生物型物理型傳感器：物理基礎(chǔ)的基本定律。場的定律、物質(zhì)定律、守恒定律和統(tǒng)計定律構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型:物理學(xué)中場的定律物性型:物質(zhì)定律能量轉(zhuǎn)換能量控制型能量轉(zhuǎn)換型物理原理用途：

位移、壓力、振動、溫度上一頁下一頁返回

一、傳感器技術(shù)的地位及作用

傳感器是通過敏感元件把外部信息按當(dāng)量比例轉(zhuǎn)換成電信號的一種重要的電自不見，它是信息產(chǎn)業(yè)種種要的新型元件之一。新型傳感器更是現(xiàn)代化傳感技術(shù)和系統(tǒng)核心。傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。傳感器技術(shù)已在世界各國的國民經(jīng)濟各個部門以及國防建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

二、傳感器技術(shù)發(fā)展狀況

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用普及世界上傳感器的品種已經(jīng)達到3萬余種。研究、生產(chǎn)單位有5000余家。

據(jù)瑞士研究公司Intechno的咨詢報告“2008年的傳感器市場”表明，全球的傳感器市場每年將以5.3%的速度從1998年的325億美元迅速增長到2003年的422億美元，到2008年將達到500億。0.2.4傳感器的地位及目前發(fā)展狀況三、全球傳感器生產(chǎn)企業(yè)分布

全世界有5000多家企業(yè)生產(chǎn)傳感器，其中美國有1000家左右，歐洲各國共有1000多家，俄羅斯有1000多家，日本有800多家，其他地區(qū)有1000多家。全球生產(chǎn)出的傳感器有3萬多種。美國的銷量位居全球第一，占世界總銷量的40%。

我國傳感器行業(yè)已經(jīng)歷了50個春秋，20世紀80年代，改革開放的春風(fēng)給傳感器行業(yè)帶來了生機與活力；90年代，在黨和國家關(guān)于“大力加強傳感器的開發(fā)和在國民經(jīng)濟中普遍應(yīng)用”的決策指引下，傳感器行業(yè)進入了新的發(fā)展時期，從事傳感器研制的企事業(yè)單位達到1300多家，其中50多家企事業(yè)單位進行了重點技術(shù)改造，綜合實力有了明顯增強。

“九五”傳感器國家重點科技攻關(guān)項目取得了豐碩成果，截止到2000年，我國生產(chǎn)的傳感器的品種已有約6000種，產(chǎn)量達到13.2億只，其中出口5.87億只；“九五”期間年平均產(chǎn)量增長率為59%，“九五”總產(chǎn)量是“八五”總產(chǎn)量的2.74倍，2000年產(chǎn)量比1991年增長了17倍，是新型元器件中增長速度最快的產(chǎn)品。

傳感器已進入人們的日常工作和家庭生活中，并已在國民經(jīng)濟各部門以及國防建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，為我國現(xiàn)代化建設(shè)做出了應(yīng)有的貢獻。

不過，我國傳感器的技術(shù)水平仍落后于世界水平5～10年，規(guī)?；a(chǎn)與國外有較大差距。

0.2.5我國傳感器業(yè)的發(fā)展

我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及與國外的差距

我國傳感器的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)存在的主要問題是企業(yè)分散、實力不強、市場開拓不力。我國從事傳感器研究和生產(chǎn)的單位約1300家，居世界第一，但真正形成一定規(guī)模的卻寥寥無幾。多數(shù)企業(yè)是低水平的重復(fù)，處在生產(chǎn)的初級階段。

雖然我國傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀還不能適應(yīng)國民經(jīng)濟發(fā)展的需要，產(chǎn)品技術(shù)水平與國外相差15年左右，但是從統(tǒng)一市場的觀點看，我國具有傳感器的廣闊市場，所以我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。

21世紀初,敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢是:小型化,集成化,多功能化,智能化,系統(tǒng)化.0.2.6傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢1.新材料、新功能的開發(fā)應(yīng)用2.微機械加工工藝的發(fā)展3.集成智能傳感器的發(fā)展基于MEMS(微機械加工)技術(shù)的新型傳感器微傳感器（尺寸從幾微米到幾毫米的總稱）特別是以MEMS技術(shù)制造各種微型、新型傳感器生物傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景

手機市場加速圖像傳感器技術(shù)發(fā)展汽車傳感器機器人傳感器

0.5新型傳感器的重點開發(fā)領(lǐng)域第1章傳感器的特性1.1傳感器的靜特性1.2傳感器的動特性上一頁下一頁返回1.1傳感器的靜特性輸出與輸入間關(guān)系

微分方程靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動特性：輸入量隨時間較快地變化時微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，可得到靜特性（動特性的特例）表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系希望輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。上一頁下一頁返回靜特性指標一、線性度二、靈敏度三、遲滯四、重復(fù)性五、零點漂移六、溫度漂移上一頁下一頁返回1、線性度靜特性輸出量輸入量零點輸出理論靈敏度非線性項系數(shù)直線擬合線性化非線性誤差或線性度最大非線性誤差滿量程輸出上一頁下一頁返回直線擬合線性化出發(fā)點獲得最小的非線性誤差擬合方法：①理論擬合；②過零旋轉(zhuǎn)擬合；③端點連線擬合；④端點連線平移擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合上一頁下一頁返回①理論擬合擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關(guān)。方法十分簡單，但一般說較大xyΔLmax上一頁下一頁返回②過零旋轉(zhuǎn)擬合曲線過零的傳感器。擬合時，使xyΔL2ΔL1上一頁下一頁返回③端點連線擬合把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線xyΔLmax上一頁下一頁返回④端點連線平移擬合在端點連線擬合基礎(chǔ)上使直線平移，移動距離為原先的一半yxΔLmaxΔL1上一頁下一頁返回⑤最小二乘擬合原理:上一頁下一頁返回最小二乘擬合方法xy=kx+by上一頁下一頁返回2、靈敏度傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力上一頁下一頁返回表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力(a)線性傳感器(b)非線性傳感器

圖1.4.2傳感器的靈敏度上一頁下一頁返回3、遲滯正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯—正反行程間輸出的最大差值。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，常用絕對誤差表示檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。上一頁下一頁返回遲滯特性xΔHmaxY上一頁下一頁返回4、重復(fù)性傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度正行程的最大重復(fù)性偏差反行程的最大重復(fù)性偏差取較大者為上一頁下一頁返回重復(fù)特性xΔRmax1ΔRmax2y上一頁下一頁返回5.零點漂移

傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移零漂＝式中ΔY0——最大零點偏差；YFS——滿量程輸出。上一頁下一頁返回6、溫漂

傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)出的變化溫漂＝式中Δmax

——輸出最大偏差；ΔT——溫度變化范圍；YFS

——滿量程輸出。上一頁下一頁返回1.2傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。

時域：瞬態(tài)響應(yīng)法

頻域：頻率響應(yīng)法上一頁下一頁返回1.瞬態(tài)響應(yīng)特性

在時域內(nèi)研究傳感器的動態(tài)特性時，常用的激勵信號有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對所加激勵信號的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。

理想情況下，階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲線形狀是沒有影響的。但在實際做過渡過程實驗時，應(yīng)保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內(nèi)。

上一頁下一頁返回⑴一階傳感器的單位階躍響應(yīng)設(shè)x(t)、y(t)

分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為 式中τ——時間常數(shù)； K——靜態(tài)靈敏度。 由于在線性傳感器中靈敏度K為常數(shù)，在動態(tài)特性分析中，K只起著使輸出量增加K倍的作用。討論時采用K=1。上一頁下一頁返回對于初始狀態(tài)為零的傳感器，當(dāng)輸入為單位階躍信號時，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為則一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為一階傳感器的時間常數(shù)τ越小越好上一頁下一頁返回⑵二階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階傳感器的傳遞函數(shù)為式中ωn——傳感器的固有頻率；ζ——傳感器的阻尼比。在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為上一頁下一頁返回對Y（s）進行拉氏反變換，即可得到單位階躍響應(yīng)。圖1.4.6為二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線。傳感器的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比ζ和固有頻率ωn。在實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調(diào)量，一般傳感器都設(shè)計成欠阻尼式的，阻尼比ζ一般取在0.6~0.8之間。帶保護套管的熱電偶是一個典型的二階傳感器。上一頁下一頁返回⑶瞬態(tài)響應(yīng)特性指標時間常數(shù)τ是描述一階傳感器動態(tài)特性的重要參數(shù)，τ越小，響應(yīng)速度越快。 二階傳感器階躍響應(yīng)的典型性能指標可由圖1.4.7表示，上一頁下一頁返回各指標定義如下：①上升時間tr

輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時間。②響應(yīng)時間ts

系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時間。③峰值時間tp

階躍響應(yīng)曲線達到第一個峰值所需時間。④超調(diào)量σ傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值ΔA，常用相對于穩(wěn)態(tài)值的百分比σ表示。上一頁下一頁返回2.頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性

頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。 （1）零階傳感器的頻率特性 （2）一階傳感器的頻率特性 （3）二階傳感器的頻率特性 （4）頻率響應(yīng)特性指標上一頁下一頁返回（1）零階傳感器的頻率特性零階傳感器的傳遞函數(shù)為頻率特性為零階傳感器的輸出和輸入成正比，并且與信號頻率無關(guān)。因此，無幅值和相位失真問題，具有理想的動態(tài)特性。電位器式傳感器是零階系統(tǒng)的一個例子。在實際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時，都可以近似的當(dāng)作零階系統(tǒng)來處理。上一頁下一頁返回⑵一階傳感器的頻率特性將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用jω代替，即可得到頻率特性表達式幅頻特性相頻特性上一頁下一頁返回(a)幅頻特性(b)相頻特性1.4.8一階傳感器的頻率特性時間常數(shù)τ越小，頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng)ωτ<<1時，A(ω)≈1，Φ(ω)≈ωτ，表明傳感器輸出與輸入為線性關(guān)系，相位差與頻率ω成線性關(guān)系，輸出y(t)

比較真實地反映輸入x(t)

的變化規(guī)律。因此，減小τ可以改善傳感器的頻率特性。上一頁下一頁返回⑶二階傳感器的頻率特性二階傳感器的頻率特性表達式、幅頻特性、相頻特性分別為上一頁下一頁返回圖1.4.9二階傳感器的頻率特性上一頁下一頁返回⑷頻率響應(yīng)特性指標①頻帶傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應(yīng)的頻率范圍，稱為傳感器的頻帶或通頻帶，對應(yīng)有上、下截止頻率。②時間常數(shù)τ

用時間常數(shù)τ來表征一階傳感器的動態(tài)特性，τ越小，頻帶越寬。③固有頻率ωn

二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動態(tài)特性。上一頁下一頁返回1.3傳感器的標定和校準傳感器的標定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時，確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。

傳感器的標定工作可分為如下幾個方面， 1.新研制的傳感器需進行全面技術(shù)性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進行量值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進傳感器設(shè)計的重要依據(jù)；2.經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復(fù)測工作。

上一頁下一頁返回傳感器的標定靜態(tài)標定: 目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動態(tài)標定: 目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。上一頁下一頁返回1.4傳感器的標定和校準1.4.1傳感器的靜態(tài)特性標定1.4.2傳感器的動態(tài)特性標定1.4.3壓力傳感器的靜態(tài)標定1.4.4壓力傳感器的動態(tài)標定1.4.1傳感器的靜態(tài)特性標定

1.靜態(tài)標準條件2.標定儀器設(shè)備精度等級的確定3.靜態(tài)特性標定的方法上一頁下一頁返回1.靜態(tài)標準條件

沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5℃）、相對濕度不大于85%，大氣壓力為101±7kPa的情況。上一頁下一頁返回2.標定儀器設(shè)備精度等級的確定對傳感器進行標定，是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的各項性能指標，實際上也是確定傳感器的測量精度。標定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標定的傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標才是可靠的，所確定的精度才是可信的。上一頁下一頁返回3.靜態(tài)特性標定的方法標定過程步驟：⑴將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點；⑵根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點的輸入標準量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；⑶將輸入值由大到小一點一點的減少，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；⑷按⑵、⑶所述過程，對傳感器進行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出－輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；⑸對測試數(shù)據(jù)進行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標。上一頁下一頁返回1.4.2傳感器的動態(tài)特性標定主要研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)，而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有一個時間常數(shù)τ，二階傳感器則有固有頻率ωn和阻尼比ζ兩個參數(shù)。標準激勵信號:階躍變化和正弦變化的輸入信號上一頁下一頁返回一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為則上式可變?yōu)閦和時間t成線性關(guān)系，并且有τ=Δt/Δz

可以根據(jù)測得的y(t)值作出z—t曲線，并根據(jù)Δt/Δz的值獲得時間常數(shù)τ一階傳感器時間常數(shù)的求法上一頁下一頁返回二階傳感器（ζ<1）的單位階躍響應(yīng)為上一頁下一頁返回如果測得階躍響應(yīng)的較長瞬變過程，則可利用任意兩個過沖量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比ζ，其中n是該兩峰值相隔的周期數(shù)（整數(shù)）。當(dāng)ζ<0.1時，以1代替，此時不會產(chǎn)生過大的誤差（不大于0.6%）,則可用式(1.5.8)計算ζ，即上一頁下一頁返回若傳感器是精確的二階傳感器，則n值采用任意正整數(shù)所得的ζ值不會有差別。反之，若n取不同值獲得不同的ζ值，則表明該傳感器不是線性二階系統(tǒng)。根據(jù)響應(yīng)曲線測出振動周期Td，有阻尼的固有頻率ωd為則無阻尼固有頻率ωn為上一頁下一頁返回利用正弦輸入，測定輸出和輸入的幅值比和相位差來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根據(jù)幅頻特性，分別按下圖求得一階傳感器的時間常數(shù)τ和欠阻尼二階傳感器的固有頻率和阻尼比。由幅頻特性求時間常數(shù)τ欠阻尼二階傳感器的ωn和ζ上一頁下一頁返回1.4.3壓力傳感器的靜態(tài)標定常用的標定裝置有：活塞壓力計、杠桿式和彈簧測力計式壓力標定機。1.5.5活塞壓力計標定壓力傳感器的示意圖1--標準壓力表2—砝碼3—活塞4—進油閥5—油杯6—被標傳感器7—針形閥8—手輪9—手搖壓力泵上一頁下一