檢測(cè)與傳感技術(shù)緒論c

1緒論主講：張海英副教授實(shí)驗(yàn)教師：李聽團(tuán)

工程師檢測(cè)與傳感技術(shù)2本課程的研究?jī)?nèi)容及性質(zhì)檢測(cè)技術(shù)+=檢測(cè)與傳感技術(shù)應(yīng)用科學(xué)detection傳感技術(shù)傳感器感受規(guī)定的被測(cè)量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換可用輸出信號(hào)的器件或裝置自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換、信息處理的理論和技術(shù)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)診斷、自動(dòng)信號(hào)處理等諸系統(tǒng)的總稱。非電量senorAutomaticdetectingsystem3教材及參考書 Referencebook教材：

《傳感器原理及工程應(yīng)用》郁有文常健程繼紅編著第3版西安電子科大出版社，2003參考書：

《傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》余程波胡新宇趙勇主編高等教育出版社，2004《感測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)》孫傳友孫曉斌編著電子工業(yè)出版社，2001《檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》第3版常鍵生石要武常瑞編著，機(jī)械工業(yè)出版社，2007只讀一本教材不免視野受限4傳感器的發(fā)展和作用人類從外界獲取信息，必須借助于感覺器官使用傳感器的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代古埃及的天平16世紀(jì)利用液體膨脹測(cè)量溫度中國(guó)的指南針、銅壺滴漏、地動(dòng)儀等本課程的地位 Status現(xiàn)代信息技術(shù)三大重要支柱信息處理信息采集信息傳輸——計(jì)算機(jī)技術(shù)——檢測(cè)技術(shù)——通信技術(shù)高等數(shù)學(xué)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)線性代數(shù)復(fù)變函數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)Matlab語言與應(yīng)用C語言程序設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)大學(xué)物理電路電子學(xué)自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論優(yōu)化方法數(shù)學(xué)建模模式識(shí)別微機(jī)原理與應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用電機(jī)與拖動(dòng)電力電子技術(shù)EDA技術(shù)電氣控制與PLC傳感器與智能儀表過程控制計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)DSP原理與應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)智能控制單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)數(shù)控技術(shù)5指南車復(fù)原模型不便于遠(yuǎn)距離攜帶使用6銅壺滴漏鐘測(cè)量精度靈敏度有限7候風(fēng)地動(dòng)儀圖不便于遠(yuǎn)距離傳輸8以電量作為傳感器輸出的優(yōu)越性Advantage可以靈活地改變測(cè)量?jī)x器的靈敏度，有利于擴(kuò)大量程較寬的頻帶便于遠(yuǎn)距離傳輸便于信息的數(shù)字化、微型化、智能化19世紀(jì)以電磁學(xué)為基礎(chǔ)建立以電量作為輸出的傳感器,其發(fā)展歷史最短,但發(fā)展最為迅猛9傳感器技術(shù)能夠迅速發(fā)展的原因Cause電子工業(yè)和信息技術(shù)的促進(jìn)政府的產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向和扶植國(guó)防、空間技術(shù)和民用產(chǎn)品的市場(chǎng)需求許多高新技術(shù)為開發(fā)新型傳感器提供了理論基礎(chǔ)和生產(chǎn)工藝政治經(jīng)濟(jì)走向商機(jī)10

在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問題，各國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出各種精密的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學(xué)領(lǐng)域。自動(dòng)防空火力控制系統(tǒng)11“伽利略”號(hào)木星探測(cè)器時(shí)間：1982年1月－2003年9月經(jīng)費(fèi)：13.6億美元組成：軌道器和再入器主要儀器：CCD攝像機(jī)、近紅外繪圖分光計(jì)、光子偏振、輻射計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、大氣結(jié)構(gòu)檢測(cè)儀、測(cè)云計(jì)等。12“伽利略”號(hào)木星探測(cè)器1314RQ-1“捕食者”無人機(jī)RQ-1“捕食者”不只是一架飛行器，而是一種可以在中等高度、長(zhǎng)時(shí)間飛行的無人駕駛飛行系統(tǒng)，主要用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)控。這套系統(tǒng)具體包括4架帶有傳感器的飛機(jī)、一個(gè)地面控制站和一套衛(wèi)星通信鏈路等，操作和維修RQ-1系統(tǒng)的戰(zhàn)勤人員多達(dá)55人。長(zhǎng)8.21m，高2.13m，翼展14.8m，空重1350kg，實(shí)用升限7010m，巡航速度130km/h，最大航程400海里。15神州系列飛船1999年11月20日神州一號(hào)14圈/21h2001年01月10日神州二號(hào)108圈/6d18h2002年03月25日神州三號(hào)108圈/6d18h2002年12月30日神州四號(hào)108圈/6d18h2003年10月15日神州五號(hào)14圈/

21h2005年10月12日神州六號(hào)77圈/

115h2008年09月25日神州七號(hào)30多圈/68h2011年11月03日神州八號(hào)與天宮一號(hào)對(duì)接16“遠(yuǎn)望號(hào)”航天遠(yuǎn)洋測(cè)控船隊(duì)裝備完善的導(dǎo)航設(shè)備和精密的測(cè)量系統(tǒng)。它的導(dǎo)航設(shè)備除了一般艦船上使用的光學(xué)、天文導(dǎo)航設(shè)備、慣性導(dǎo)航設(shè)備、無線電導(dǎo)航設(shè)備外，還裝備衛(wèi)星導(dǎo)航和聲吶信標(biāo)導(dǎo)航設(shè)備，從而可以精確測(cè)量船位，保證對(duì)導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛船測(cè)量的精確中國(guó)自1977年至2008年先后建成6艘遠(yuǎn)望號(hào)航天遠(yuǎn)洋測(cè)量船，先后圓滿完成國(guó)內(nèi)外應(yīng)用衛(wèi)星發(fā)射和“神舟”飛船的發(fā)射試驗(yàn)等航天測(cè)控任務(wù)。17南航無人機(jī)院ck無人機(jī)大型噴氣式無線電遙控高亞音速飛機(jī)，可供導(dǎo)彈打靶或防空部隊(duì)訓(xùn)練。長(zhǎng)空一號(hào)經(jīng)過適當(dāng)改裝可執(zhí)行大氣污染監(jiān)控、地形與礦區(qū)勘察等任務(wù)。長(zhǎng)8.44m，高2.95m翼展7.5m，空重2000kg實(shí)用升限10000m巡航速度550km/h最大航程600km18機(jī)器人打太極19機(jī)器人倒立20機(jī)器人踢球應(yīng)用前景21智能車尋跡比賽2223今日要點(diǎn)傳感器的特性檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信號(hào)處理的基本方法

數(shù)學(xué)描述及性質(zhì)☆靜態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性（一、二階）☆輸出范圍

☆選用要點(diǎn)24帶著思考來學(xué)習(xí) Thinking

怎樣用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述傳感器？傳感器的選用原則是什么？檢測(cè)系統(tǒng)由哪些基本環(huán)節(jié)構(gòu)成？傳感器25什么是傳感器傳感器是與人的感覺器官相對(duì)應(yīng)的元件能夠感受規(guī)定的被測(cè)量

并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成廣義傳感器發(fā)送器、傳送器、變送器、換能器被測(cè)量狹義傳感器輸出信號(hào)條理轉(zhuǎn)換電路敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源26傳感器的數(shù)學(xué)描述 Description 測(cè)量信號(hào)為x 傳感器輸出為y 比例系數(shù)為k

其對(duì)應(yīng)關(guān)系有：y=kx 非線性、零位：y=f(x)

環(huán)境因素為N則：y=f(x,N)

環(huán)境對(duì)輸出的影響：靈敏度漂移(理想狀態(tài)）若被測(cè)量輸出傳感器則xyf()考慮27靜態(tài)特性與性能指標(biāo)Staticcharacteristics靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出與輸入的關(guān)系，y=f(x)。

被測(cè)信號(hào)不隨時(shí)間變化或變化很緩慢靜態(tài)檢測(cè)時(shí)傳感器所表現(xiàn)出的特性稱靜態(tài)特性。性能指標(biāo)有：測(cè)量范圍、靈敏度、線性度、回程誤差等等。測(cè)量范圍檢測(cè)系統(tǒng)能正常測(cè)量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。靈敏度輸出的增量與輸入的增量之比不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等外因：磁場(chǎng)振動(dòng)、溫度、電源內(nèi)因：線性、滯后、飄移、穩(wěn)定性、靈敏度等28

靜態(tài)特性與性能指標(biāo)Performanceindex非線性系統(tǒng)：K是變量，輸入輸出關(guān)系為曲線的斜率，輸入量不同，靈敏度就不同。通常用擬合的斜率來表示系統(tǒng)的平均靈敏度線性系統(tǒng)：K

為常數(shù)，即直線的斜率表征傳感器對(duì)輸入量變化的反應(yīng)能力。靈敏度sensitivity靈敏度越高，就越容易受外界干擾的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性就越差。實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差29靜態(tài)特性與性能指標(biāo)線性度linear

直線擬合線性化非線性誤差或線性度xy=kx+by最小二乘擬合輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度全量程范圍內(nèi)滿量程輸出30行程中輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象靜態(tài)特性與性能指標(biāo)xΔHmaxYyFS遲滯(回程誤差)lag正（輸入量增大）反（輸入量減小）相同工作條件下全量程范圍內(nèi)滿量程輸出31輸入量沿同一方向變化時(shí)，在全量程范圍內(nèi)連續(xù)多次測(cè)量，所得到各特性曲線重復(fù)程度靜態(tài)特性與性能指標(biāo)重復(fù)性repeatabilityxΔRmax1ΔRmax2取較大者為滿量程輸出32穩(wěn)定度stability穩(wěn)定度通常相對(duì)于時(shí)間而言，指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的條件下保持其測(cè)量特性恒定不變的能力。漂移指檢測(cè)系統(tǒng)隨時(shí)間的慢變化。溫度引起的漂移稱為溫漂。在規(guī)定的條件下一個(gè)恒定的輸入在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的輸出在標(biāo)稱范圍最低處的變化，稱為零點(diǎn)漂移。漂移drift靜態(tài)特性與性能指標(biāo)33靜態(tài)特性的其它術(shù)語 term精度表示隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合評(píng)定指標(biāo)可靠性傳感器無故障工作時(shí)間的評(píng)定指標(biāo)分辨率能引起輸出變化的輸入量的最小變化量，表示傳感器分辨輸入量微小變化的能力死區(qū)用來衡量檢測(cè)起始點(diǎn)不靈敏的程度R2024/2/134輸入x、輸出Ux例傳感器35傳感器的動(dòng)態(tài)描述與性能指標(biāo)dynamic

動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性，是輸出再現(xiàn)輸入量變化的能力的。

用微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)特性來描述。微分方程differentialequation傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，輸入輸出隨時(shí)間變化：36故有：傳遞函數(shù)transferfunction

(1)定義：零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變化與輸入量的拉氏變化之比稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，用G(s)表示。對(duì)于上式兩邊進(jìn)行拉氏變化后得：37(3)常見測(cè)試裝置的傳遞函數(shù)1）一階系統(tǒng)T時(shí)間常數(shù)單位為秒例液柱式水銀溫度計(jì)

設(shè)

x(t)為被測(cè)環(huán)境溫度y(t)為水銀柱輸出溫度值C表示熱容量R表示熱阻令

T=RC兩邊同時(shí)作拉氏變化，得電熱學(xué)方程式382）二階系統(tǒng)例k靈敏度ε

阻尼比ωn

固有頻率RLC振蕩電路：輸入為ui、輸出為uo對(duì)上式同時(shí)作拉氏變化，消去中間變量i(s)，得系統(tǒng)的傳函39頻率響應(yīng)函數(shù)輸入輸出信號(hào)其中傳感器對(duì)不同頻率成分的正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性則幅頻特性相頻特性40（1）一階定常系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)特性相頻特性其中負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)滯后于輸入信號(hào)幅頻特性41（2）二階定常系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)特性幅頻特性相頻特性為什么要研究特性42實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量的條件

distortionless若一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，輸出和輸入滿足下列關(guān)系：則認(rèn)為測(cè)試裝置具有不失真測(cè)量的特性。上式兩邊取拉氏變換：故不失真?zhèn)鬟f函數(shù)為：頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)：幅頻特性：相頻特性：+引起幅值失真，與ω不滿足線性關(guān)系引起相位失真43微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性的轉(zhuǎn)換44傳感器主要的性質(zhì) Property(1)疊加性當(dāng)x(t)為輸入，y(t)為輸出，若則(2)比例性若則當(dāng)K為任意的常數(shù)(3)微分性當(dāng)x(t)為輸入，y(t)為輸出,若,則有：零初始條件下，系統(tǒng)對(duì)原輸入微分的響應(yīng)等于原輸出的微分。+45(5)頻率保持特性若輸入為某一頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)：則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出必定是與輸入同頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào)為：(4)積分性零初始條件下，系統(tǒng)對(duì)原輸入積分的響應(yīng)等于原輸出的積分。當(dāng)x(t)為輸入，y(t)為輸出,若則主要的性質(zhì)：+46今日要點(diǎn)傳感器的特性檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信號(hào)處理的基本方法數(shù)學(xué)描述及性質(zhì)☆靜態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性（一、二階）☆輸出形式

☆

選用要點(diǎn)47傳感元件的輸出形式output熱電偶、pH電極等輸出直流電壓光電二極管輸出直流電流差動(dòng)變壓器輸出交流電壓熱敏電阻等輸出電阻值電感式傳感器輸出電感量的變化電容式傳感器輸出電容值的變化晶體傳感器輸出為振動(dòng)頻率的變化注意：測(cè)量?jī)x器輸出要求為4-20mA或0-10V+48傳感器選用要點(diǎn) selectpoint首先根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器類型注意1)靈敏度的選擇 2)頻率響應(yīng)特性3)線性范圍 4)穩(wěn)定性5)精度現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，要根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境綜合地選用傳感器。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。+49拓展檢測(cè)范圍：宏觀:空間技術(shù),海洋開發(fā),環(huán)境保護(hù),地震預(yù)測(cè)微觀:細(xì)胞生物,遺傳工程,光合作用,醫(yī)學(xué),微加工檢測(cè)性能提高☆：百分之幾→幾百萬分之幾集成化、功能化：集成電路制作技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)；微電子電路制作技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)新領(lǐng)域、新原理傳感器開發(fā):自身研發(fā);智能傳感器傳感器的發(fā)展趨向 developmenttrend就業(yè)領(lǐng)域50檢測(cè)技術(shù)detectiontechnique檢測(cè)技術(shù)的任務(wù)Howdoyoudo尋找與自然信息具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的種種表現(xiàn)形式信號(hào)，確定兩者之間定量/定性的關(guān)系；從反映某一信息的多種信號(hào)表現(xiàn)中挑選出所處條件的最為合適的表現(xiàn)形式，以求尋找最佳的采集、變換、處理、傳輸、存儲(chǔ)、顯示等的方法和相應(yīng)設(shè)備。是一門應(yīng)用科學(xué)，研究自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換、信息處理的理論和技術(shù)+51敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)條理轉(zhuǎn)換電路被測(cè)對(duì)象輸出單元激勵(lì)信號(hào)輔助電源傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)52實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成construction非電量模擬顯示儀表控制器傳感器測(cè)量電路非電量傳感器測(cè)量電路A/D轉(zhuǎn)換電路微計(jì)算機(jī)控制器記錄器顯示器+測(cè)量系統(tǒng)53在今天信息時(shí)代，各種控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化程度、復(fù)雜性以及環(huán)境適應(yīng)性(如高溫、高速、野外、地下、高空等)的要求越來越高，需要獲取的信息量也越來越多，它不僅對(duì)傳感器測(cè)量精度、響應(yīng)速度、可靠性提出了很高的要求，而且需要信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?，F(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)發(fā)展總體發(fā)展趨勢(shì)：不斷拓展測(cè)量范圍，努力提高檢測(cè)精度和可靠性傳感器逐漸向集成化、組合式、數(shù)字化方向發(fā)展重視非接觸式檢測(cè)技術(shù)研究檢測(cè)系統(tǒng)智能化檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展+加工中心54信號(hào)處理(1)差動(dòng)法signalprocessingV0ER1Rx傳感器x=0時(shí)V0≠0V0ER1RxR2R3若x=0時(shí)

V0=0R0*R2=R1*R3R電壓式傳感器55信號(hào)處理（2）——零位法VsRsRvVABAB僅當(dāng)Rv>