传感技术及应用
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传感技术及应用. 课程名称:传感技术及应用. 主讲教师:赵永平. 联系方式: 工作地点:电机楼 30035-8 电话: 13936138879. 课程特点. 本门课程的特点:. 1 、是大四的专业课. 2 、课程具有较强实践性 . 3 、课程涉及的知识面广. 4 、是一门工程性、应用性都非常强的课程 . 课程的重要性. 课程的重要性. 1 、传感器技术、通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱,它们分别是智能系统的“感官”、“神经”和“大脑”。

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传感技术及应用

课程名称:传感技术及应用

主讲教师:赵永平

联系方式:

工作地点:电机楼30035-8

电话:13936138879


课程特点

  • 本门课程的特点:

1、是大四的专业课

2、课程具有较强实践性

3、课程涉及的知识面广

4、是一门工程性、应用性都非常强的课程


课程的重要性

课程的重要性

1、传感器技术、通信技术、计算机技术是信息产业的三大支柱,它们分别是智能系统的“感官”、“神经”和“大脑”。

2、传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行准确可靠的测量,就无法实现信号的转换和信息处理、无法完成最佳数据的显示和控制。


课程教材和参考书

课程教材和参考书

  • 教材:

  • 唐文彦主编《传感器》第4版 机械工业出版社 2007年

  • 参考书:

1、强锡富主编《传感器》第3版 机械工业出版社 ,

2002年

2、余瑞芬主编.传感器原理.北京:航空工业出版社,

1995年

3、王化祥,张淑英编著.传感器原理及应用.

天津大学出版社,1999年

4、刘迎春,叶湘滨编著.传感器原理设计与应用.

国防科技大学出版社, 1997年

5、黄继昌,徐巧鱼等编著. 传感器工作原理及应用实例. 人民邮电出版社,1998 年


课程要求

  • 课程要求

  • 1、对课程的内容分“了解、理解、掌握”三个层次提出要求;

  • 2、对各类传感器的工作原理、基本结构、应用领域中较重要的敏感技术有相当的认识 ;

  • 3、在未来具体工作中,在传感器和执行器选择、使用、设计以及进一步深入研究方面具备良好的基础 ;

  • 4、在学习过程中,应当从应用的角度出发。


课程的考核方式

  • 本课程总成绩的组成

1、平时考核成绩,约占20%

2、实验成绩,约占10%

3、课程结业综合考试,约占70%


物理信息

电信号

敏感元件

化学信息

光信号

生物信息

转换电路

传感器

第一章 传感器概述

第一章 传感器概述

§1-1 传感器与非电量测量

一、非电量与非电量测量

二、非电量电测系统


第一章 传感器概述

§1-2 传感器的定义

传感器(Transducer/Sensor)的定义是:“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。

定义包含的意思:

① 传感器是测量装置,能完成检测任务;

② 它的输入量是某一种被测量,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,这种量应便于传输、转换、处

理、显示等等,这种量不一定是电量,还可以是气压、光

强等物理量,但主要是电物理量;

④ 输出与输入之间有确定的对应关系,且能达到一定的精

度。


被测量

中间量

输出电量

敏感元件

转换元件

基本转换电路

第一章 传感器概述

输出量为电量的传感器,一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。

敏感元件:它是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件:将敏感元件的输出转换成一定的电路参数。有时敏感元件和转换元件的功能是由一个元件(敏感元件)实现的。

基本转换电路:将敏感元件或转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出。


角度

位移

速度

压力

温度

湿度

声强

光照

磁场

电压

电流

电阻

电容

传感器

第一章 传感器概述

§1-3 传感器的分类

非电学量→传感器→电学量


第一章 传感器概述

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


第一章 传感器概述

2.按工作原理分类:

磁电式,热电式,机械式,电气式,光学式,流体式等。

切削力测量应变片 动圈式磁电传感器


第一章 传感器概述

3.按信号变换特征:

能量转换型和能量控制型.

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.


第一章 传感器概述

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.


第一章 传感器概述

5.按输出电信号类型分类

根据传感器输出电信号的类型不同,可以分为 :

  • 模拟量传感器

  • 数字量传感器

  • 开关量传感器。

如:接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器。


现在我们的身边大量地使用着各种各样的传感器

第一章 传感器概述

§1-4 传感器的应用领域

一、传感器技术发展的重要性

二、传感器的应用领域


第一章 传感器概述

1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用

电容指纹识别

超声波检测



这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见的红外光,又称为红外线。

第一章 传感器概述

2、传感器与家用电器

肉眼看不见

电视机的遥控器中就是使用着光学传感器。


第一章 传感器概述

唱卡拉OK时使用的麦克风,也是一种传感器。

这种麦克风是一种将声音信号转换为电信号的传感器。


透光率传感器

第一章 传感器概述

温湿度传感器

温度传感器

感应水龙头

电子门


Ucc

R3

R1

+

功 放

b

uo

+

a

uo1

-

A

加热元件

R2

Rt

温控室

第一章 传感器概述

这种温度室是一种将温度变化转换为电信号的传感器。


第一章 传感器概述

火灾报警器


第一章 传感器概述

机械鼠标的内部结构


第一章 传感器概述

传感器就是将光、声音、温度等物理量,转换成为能够用电子电路处理的电信号即电压与电流的器件。


第一章 传感器概述

3、汽车与传感器


第一章 传感器概述

汽车气囊的保护作用

使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时,经控制系统使气囊迅速充气 。


第一章 传感器概述

  • 主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物

辅助泊车传感器

间隙检测声纳

间隙警告ECU

双声纳

后声纳

集成开关面板

间隙检测声纳

侦测栅

转向指示

电源指示

[多功能信息显示]

[多功能显示]


第一章 传感器概述

定位、地理信息


第一章 传感器概述

汽车行驶速度测量


第一章 传感器概述

4、传感器在机器人上的应用

  • 触觉能力:

    • 主要指确定工作对象是否存在,以及它的尺寸大小和形状等。

  • 接近觉:

    • 主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。

  • 视觉:

    • 孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。

  • 压觉:

    • 主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。

  • 滑觉:

    • 主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。


第一章 传感器概述

弧焊机器人


第一章 传感器概述

弧焊机器人


第一章 传感器概述

喷漆机器人


第一章 传感器概述

装配机器人


第一章 传感器概述

5、传感器在医疗及人体医学上的应用

  • 医用传感器,是应用于生物医学领域的那一部分传感器,它所拾取的信息是人体的生理信息,而它的输出常以电信号来表现。

  • 人体生理信息有电信息和非电信息两大类,从分布来说有体内的(如血压等各类压力),也有体表的(如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等)


第一章 传感器概述

6、传感器与环境保护

7、传感器与航空及航天

8、传感器与遥感技术


第一章 传感器概述

§1-5 传感器的发展方向

1. 努力实现传感器新特性

2. 确保传感器的可靠性,延长其使用寿命

3. 提高传感器集成化及功能化的程度

4. 传感器微型化

5. 新型功能材料的开发


传感器的基本特性:传感器的输入-输出关系特 性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。

输入信号分为:稳态、动态

对应传感器特性:静态特性、动态特性

对传感器的要求:高精度->信号(或能量)无失真转换->反映被测量的原始特征

第一章 传感器概述

§1-6 传感器的静态特性和动态特性


第一章 传感器概述

一、传感器的静态特性

传感器的静态特性是指在稳态条件下(传感器无暂态分量)用分析或实验方法所确定的输入—输出关系。这种关系可依不同情况,用函数或曲线表示,有时也用数据表格来表示。

表征传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。


第一章 传感器概述

1. 线性度

传感器的理想输入—输出特性应是线性的。


第一章 传感器概述

线性度是以一定的拟合直线作基准与校准曲线作比较,其不一致的最大偏差与理论满量程输出值的百分比来进行计算:

式中:YFS=ymax-ymin —— 满量程输出电压


第一章 传感器概述

  • 对于非理想直线特性的传感器,需要进行非线性校正,常采用以下方法。


第一章 传感器概述

(1) 端点法

实际特性上分别对应于测量下限xmin和测量上限xmax的点A和B的连线称端点拟合直线。

B

A

特点:方法简单,但由于数据依据不充分,且计算的线性度值往往偏大,因此不能充分发挥传感器的精度潜力。


后半部点系中心坐标为

因此通过两个点系中心

前半部点系中心坐标为

的直线斜率为

直线在y轴上的截距为

第一章 传感器概述

(2)平均选点法

把传感器全量程内的所有校准数据,前后分成两组,分别求出两组的点系中心,这两上点系中心的连线,就是平均选点法的拟合直线。

把斜率和截距代入 y = a + kx 中即得到平均选点法拟合直线方程。

特点:拟合精度较高,试验点在拟合直线两侧分布,数据

处理不复杂。


第一章 传感器概述

(3) 最小二乘法

把所有校准点数据都标在坐标图上,用最小二乘法拟合的直线y=a+kx,其校准点与对应的拟合直线的点之间的残差平方和为最小。

校准点

拟合直线


第一章 传感器概述

特点:拟合精度高,计算复杂。


第一章 传感器概述

2.迟滞

迟滞特性说明传感器加载(输入量增大)和卸载(输入量减小)输入—输出特性曲线不重合的程度。

  • 产生原因:传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等


第一章 传感器概述

3.重复性

重复性是指传感器输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。


与引起该变化量的输入变化量

传感器输出变化量

之比即为静态灵敏度。

(拟合直线即为斜率)

第一章 传感器概述

4.灵敏度

5.分辨力

分辨力是指传感器可能检测出被测信号的最小增量。


线性系统在正弦输入作用下的输出幅值与输入幅值的比值称为系统的幅频特性,以线性系统在正弦输入作用下的输出幅值与输入幅值的比值称为系统的幅频特性,以

表示;

输出与输入之间随频率而变的相位特性称为相频特性,以

表示。

两者统称为频率特性。

第一章 传感器概述

二、传感器的动态特性

1. 概述

传感器的动态特性是指传感器对激励(输入)的响应(输出)特性。

2. 频率特性及其与动态品质之间的关系


第一章 传感器概述线性系统在正弦输入作用下的输出幅值与输入幅值的比值称为系统的幅频特性,以

3. 传感器的动态时域特征

在研究传感器时域动态特性时,为表征传感器的动态特性常用上升时间trs、响应时间tst、过调量c等参数来综合描述。

上升时间trs─输出指示值从最终稳定值的5%或10%变到最终稳定值的95%或90%所需的时间;

响应时间tst ─ 从输入量开始起作用到输出指示值进入稳定值所规定的范围内所需要的时间。最终稳定值的允许范围常取所允许的测量误差值zr,如tst=5S(±2%);

过调量c ─ 输出第一次达到稳定值后又超出稳定值而出现的最大偏差。


第一章 传感器概述线性系统在正弦输入作用下的输出幅值与输入幅值的比值称为系统的幅频特性,以

4. 传感器的动态频域特征

  • 特性关系式:

  • 拉氏变换:

  • 变形:

  • 传递函数:


具有时间的量纲,称为传感器的时间常数,记为具有时间的量纲,称为传感器的时间常数,记为:

是传感器的灵敏度Sn,具有输出/输入的量纲。

第一章 传感器概述

5. 一阶传感器

具有简单能量变换的传感器,其动态性能多数可用一阶微分方程来描述。

一阶传感器的微分方程的通式:

可以改写为:


传递函数具有时间的量纲,称为传感器的时间常数,记为

幅频特性

相频特性

结论:①一阶频率特性具有最简单的形式,其特征参数用3dB频率 表示,且 ,

为传感器的时间常数;

越高,具有较宽

②时间常数

越小,则3dB频率

的工作频域,具有较好的动态响应;

③一阶传感器的特征参数为 。

第一章 传感器概述

可得到典型一阶传感器的频率特性 :


其频率特性: 具有时间的量纲,称为传感器的时间常数,记为

幅频特性 :

第一章 传感器概述

6. 二阶传感器

典型二阶传感器的微分方程通式为:


相频特性: 具有时间的量纲,称为传感器的时间常数,记为

式中:

,传感器的固有角频率

,传感器的阻尼比

第一章 传感器概述


结论:具有时间的量纲,称为传感器的时间常数,记为① 为减小动态误差和扩大频响范围,一般是提高传感器的固有频率 ;

(一般是通过减小传感运动部分质量和增加弹性敏感元件的刚度来达到)

② 在确定的固有频率下,当

=0.707时

(临界阻尼状态),具有最宽的幅频特性平坦区。

第一章 传感器概述


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