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1、传感检测技术基础第1页，共20页，编辑于2022年，星期四1.1 传感和检测技术的概念 传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节，它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信号输送到信息处理部分，是感知、获取、处理与传输的关键。传感与检测技术是关于传感器设计制造及应用的综合技术，它是信息技术（传感与控制技术、通信技术、计算机技术）的三大支柱之一。第2页，共20页，编辑于2022年，星期四1.1.1检测技术 检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。检测技术任务是：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性、
2、定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出所处条件下最为适合的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等方法和相应设备。第3页，共20页，编辑于2022年，星期四1.1.2 自动检测系统 自动检测系统：自动检测系统：自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号处理等诸多系统的总称。包含被测量、敏感元件、电子测量电路、电源和输出单元，其区别仅在于输出单元。完整检测系统：完整检测系统：由传感器、测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能，当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少部分，如图1.1 所示:第4页，共20页，编辑于2022年，星期四
3、传感器测量电路记录仪指示仪数据处理仪器电源图1.1检测系统组成框图被测量第5页，共20页，编辑于2022年，星期四1.2传感器概述1.2.1 传感器定义 传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。1.2.2 传感器构成 传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大第6页，共20页，编辑于2022年，星期四差异。但是，总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件和信号调理电路组成，有些包含有辅助电源电路，如图1.2所示。转换元件信号调理电路辅助电源电路图1.2传感器
4、组成框图被测信息敏感元件输出信息第7页，共20页，编辑于2022年，星期四1.2.3 传感器分类 传感器是一门知识密集型技术，传感器原理各异，学科广泛，种类繁多，分类方法如下:（1）按照传感器的工作机理，可分为物理型、化学型、生物型等。（2）从构成原理分为结构型和物性型两类。（3）按照物理原理分类，可分为电参量式传感器（包括电阻式、电感式、电容式等基本型式）、磁电式传感器（包括磁电感应式、霍尔式、磁栅式等）、压电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、波式传感器（包括超声波第8页，共20页，编辑于2022年，星期四 式、微波式等）、射线式传感器、半导体式传感器、其他原理的传感器（如振弦式和振筒式
5、传感器等)。（4）按传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。（5）从传感器应用分类，分为位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器。另外，根据传感器输出是模拟信号还是数字信号，可分为模拟传感器和数字传感器；根据转换过程可逆与否，可分为双向传感器和单向传感器等。第9页，共20页，编辑于2022年，星期四1.3 传感器的基本特性 传感器的输出-输入关系特性是传感器的基本特性，从误差角度去分析输出-输入特性是测量技术所要研究的主要内容之一。输出-输入特性虽是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切关系。传感器特性分为静态特性和动态特性。衡量传感器的特性又有静态性能指标和动态
6、性能指标。第10页，共20页，编辑于2022年，星期四1.3.1静态特性 传感器在稳态信号作用下，其输出-输入的关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零点漂移和温度漂移等技术指标，传感器本身的特点、被测量及外界条件都可能影响这些技术指标。第11页，共20页，编辑于2022年，星期四Lmax输出量和输入量实际曲线与拟合直线之间的最大 偏差；YFS输出满量程值。1.线性度 所谓传感器的线性度就是其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。非线性误差可用下式表示：第12页，共20页，编辑于2022年，星期四如图1.3中所示的Lmax值，
7、取其中最大值与输出满度值之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。图1.3 输出输入特性的非线性YFSyyyYFSYFSxmxmxmxxxLmaxLmaxLmax第13页，共20页，编辑于2022年，星期四2.灵敏度 （a）传感器的灵敏度是指稳态时，输出增量y与输入增量x的比值，对于线性传感器，其灵敏度就是静态特性的斜率，如图1.5（a）所示，即：而非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图1.5（b）所示，即用dy/dx表示传感器在某一工作点的灵敏度。第14页，共20页，编辑于2022年，星期四y0 xyy0(a)x0(b)xyyK=y/x图1.5灵敏度定义第15页，共20页，编辑于2022年，星
8、期四3.重复性 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的程度（见图1.6）y图1.6重复性0Rm1Rm2yFSxFSx第16页，共20页，编辑于2022年，星期四4.迟滞（回差滞环）现象 迟滞特性能表明传感器在正向（输入量增大）行程和反向（输入量减小）行程期间，输出-输入特性曲线不重合程度，如图1.7所示。YFSyxXFSHmax图1.7迟滞现象0第17页，共20页，编辑于2022年，星期四 对于同一大小的输入信号x，在x连续增大的行程中，对应某一输出量为yi，在x连续减小过程中，对应于输出量为yd之间的差值叫滞环误差，这就是迟滞现象，该误差用H表示为：H|y
9、i-yd|在整个测量范围内的最大滞环误差用Hmax表示，它与满量程输出值YFS的比值称为最大滞环率H，即：第18页，共20页，编辑于2022年，星期四5.零点漂移 传感器无输入信号时，定时进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移，其值为：Y0为最大零点偏差，t为零点漂移的时间。6.温度漂移 温度漂移表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1，输出最大偏差与满量程的百分比表示，即：Y0输出最大偏差，YFS满量程输出，T温度变化范围。第19页，共20页，编辑于2022年，星期四例子：某压力传感器检测数据如下表所示，试计算其灵敏度S,线性度L，迟滞H。第20页，共20页，编辑于2022年，星期四