非电量检测

王月娥何远虙1.何远虙·：《非电量检测技术》 2.王月娥邮箱：wangyuee@guet.edu.cn3.传感器和非电量检测技术的区别传感器及其作用1.传感器的通俗说法2.传感器作用（1）传感器在我们生活中应用传感器是一门新兴的技术，已广泛应用于工业、农业、交通运输、航空、航天、国防、医疗等诸多领域。（1）传感器与我们的生活（续）①.居家生活红外传感器——　遥控器激光传感器——　VCD、DVD等温度传感器——　冰箱、空调、洗衣机、饮水机等湿度传感器——　居室环境称重传感器——　洗衣机光电传感器——　数码照相机、数码摄像机、洗衣机等（1）传感器与我们的生活（续）②.商场购物红外传感器称重传感器光电传感器磁电传感器——　自动门——　商品计量——　条形码识别——　防盗③.宾馆、影剧院等公共场所烟雾传感器——　自动消防系统温度传感器——　中央空调系统、自动消防系统等（1）传感器与我们的生活（续）④.汽车液位传感器:油箱油量温度传感器:水箱温度速度传感器:　车速高度传感器:　汽车海拔⑤智能建筑门禁系统打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统指纹门禁⑥环境监测环境监测传感器⑦传感器在医疗及人体医学上的应用(医用电子学)医用传感器：※B超仪器※CT（computedtomography）CT是一种功能齐全的病情探测仪器，它是电子计算机X射线断层扫描技术简称。CT的工作程序是这样的：它根据人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内任何部位的细小病变。※心脑电图仪（2）在现代信息技术中的作用(续)外界信息感官大脑肌体外界信息传感器计算机执行机构五官与传感器（3）传感器在现在工业中的应用1.机器人功能：接待等自动与人配合的功能使用手推车搬运物品的功能加强奔跑功能自动判断面前的人的运动并以此为依据做出相应的反应团队协作的能力，较为空闲的Asimo能够根据对周围情况的判断来帮助同伴完成端托盘、送餐车的动作，而且新款Asimo的视频识别系统还能够更好的判断路径并沿着最适宜的路径前进能够自动识别体内剩余电量，当剩余电量降低到一定水平时，机器人就会自动寻找距离最近的充电器，以站立的姿势给自己充电。可以模仿人类的姿势自由地上下楼梯、双足自律行走和奔跑。（3）传感器在现在工业中的应用（续）传感器：视觉传感器地面传感器超声波传感器力度传感器速度传感器陀螺传感器原文的网址：http://www.roboticfan.com/blog/user_2005/1/archives/2006/2006834424.shtml（3）传感器在现在工业中的应用（续）上海卢浦大桥通车应力试验（4）传感器在航天方面的应用飞行器：控制在预定轨道上速度、加速度、飞行距离测量陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器周围环境、内部设备监控、本身状态（4）传感器在航天方面的应用空调主件空气-温度、质量流量和压力航空电子和机组人员低空气流量警报-温度和质量流量开关与变送器冷却效应检测器(CED)-温度和质量流量复合开关空气排放-高温质量流量和压力开关与变送器机舱温度-多点式温度和变送器输出雷达和电子吊舱健康监测-温度、质量流量和压力开关与变送器机内氧气发生器-温度和流量开关与元件水、废物和服务车系统饮用水-带有控制电子装置的温度和多点式液位元件废物槽-高液位警报发动机、辅助动力单元、AMAD和发电机变速箱和贮油槽机油检测变速箱远程机油油位传感器(ROLS)-液位元件机油温度传感器-温度元件和开关贮油槽油位传感器-单点/多点液位开关和连续液位变送器航空设备中所用的传感器（5）传感器与遥感技术（6）传感器在专业结构中的地位普通电测仪基本组成自动控制系统框图课本及参考书参考书：1.非电量检测技术何远虙编著电子科技大学出版社2.传感器强锡富主编机械工业出版社3.现代检测技术周李鹏高等教育出版社4.传感器与应用电路设计何继文主编科学出版社5.传感器手册鲍丙豪周燕化学工业出版社课本：贾伯年，俞朴主编，《传感器技术》，东南大出版社，2007年6.美国大学测试经典教材《测量系统应用与设计》【美】ErnestO.Doebelin王伯雄译电子工程出版社特点：标定、测试方法、所用测试方法和精度，传感器的厂家考核方式考试方式（闭卷）平时成绩（10％）实验所占比例（15％）测量原理：第一章传感器的一般特性简介测量特点：精度高，速度快，量程广，智能化。传感器的一般特性简介1.非电量的智能化测量2.传感器的静态特性3.传感器的动态特性4.思考题与习题一、被测量分类非电量：常见的非电量有：电量：电压、电流、阻抗、频率及时间等。机械量：位移、尺寸、形状、力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、加速度、振动等。热工量：温度、热量、比热、热流量、热分布；压力、压差、真空度；流量、流速、物位、液位等。物性量：酸碱度、盐度、浓度、粘度、密度、比重等。状态量：颜色、透明度、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。非电量数远大于电量数生物量、核子物理量等二、测量方法分类传统法：缺点是慢、差、费，已被淘汰。智能化法：其特点是自动测量，自动数据处理，稳定性强，测速快，精度高，性价比大。2.非电量的智能化测量1.电量的测量方法1.传感器定义(P1)（1）定义（2）通俗定义三.传感器的概念及分类2.传感器的组成（1）敏感元件（2）转换元件（3）转换电路举例：气体压力传感器3.传感器分类物性型：光电式、压电式、热电式、超声波式、射线式、半导体式等。（1）按物理效应分类(P2)结构型：R、L、C式、磁电式、气电式、谐振式等（2）按输出信号分类：模拟式和数字式（3）按物理原理分类：电参量、光电、热电（4）按用途分类四.传感器的意义传感器是人类五官的延伸。传感器是工业生产、农业生产、国防建设、科学研究和办公室自动化的基础。若没有传感器，任何自动化及智能化都是空谈。五.传感器的内容传感器的内容包括以下五个方面：因为理性知识才能反映事物的本质，而感性知识则只反映事物的表面现象，因此前者才是本课程的目的和讲授重点。六.传感器的发展D生物传感器，仿生传感器。A发现新材料、新功能、新效应；B数字化、集成化、智能化（差压、静压、温度、处理、记忆、演算）；C无线化和网络化（蓝牙传感器和网络传感器）；动物的感觉器官及其对人类研究传感器的启迪1.蝙蝠的感觉器官口腔发出超声波，耳朵接收回波。回波定位技术——雷达的原理。雷达及其在军事上的应用B超及其在医学上的应用动物的感觉器官及其对人类研究传感器的启迪2.海豚的感觉器官　　口腔发出声波(15~250000赫兹)，下颚骨与内耳接收回波，也是回波定位。　　海中雷达——声纳。　　声波在水中传播的速度为1425米/秒，是空气中速度的4.5倍。动物的感觉器官及其对人类研究传感器的启迪3.蛇的感觉器官　　红外探测，可辨别0.001℃(千分之一摄氏度)，是当今的红外温度计所不及的。红外制导技术红外测温仪红外线遥控器——　响尾蛇导弹动物的感觉器官及其对人类研究传感器的启迪4.鸟的感觉器官　　鸟眼占其头部的1/3，与其大脑的体积相当。　　鹰的视觉细胞是人眼的16倍。　　鹰的视力是人的8倍。动物的感觉器官及其对人类研究传感器的启迪5.狗的感觉器官　　嗅觉特别发达，对醋酸等溶液的气味而言，可以感受到人类鼻子感受该气味千万分之一的酸味。　　听力是人类听力的16倍。6.猫的感觉器官　　猫的瞳孔可以迅速放大和缩小。　　猫胡子是通道宽窄的触觉传感器。自学内容1.传感器的构成方法；（P2）2.传感器的要求；（P2）3.传感器的地位及作用。（P5～P9）思考题P9：0-2、0-3非电量的智能化测量传感器的静态特性传感器的动态特性思考题与习题F数字万用表1009(使用说明书)                                            产品型号：数字万用表1009型号Model1009直流电压400mV/4/40/400/600V±0.6%rdg±4dgt(400mV/4/40/400V)±1.0%rdg±4dgt(600V)交流电压400mV/4/40/400/600V(InputImpedance10MΩ)±1.6%rdg±4dgt(20|400mV)±1.3%rdg±4dgt(4/40V)±1.6%rdg±4dgt(400/600V)频率5.12/51.2/512Hz/5.12/51.2/512KHz/5.12/10MHz直流电流400/4000μA/40/400mA/4/10A±2.0%rdg±4dgt(400/4000μA)±1.0%rdg±4dgt(40/400mA/)±1.6%rdg+4dgt(4/10A)交流电流400/4000μA/40/400mA/4/10A±2.6%rdg±4dgt(400/4000μA)±2.0%rdg±4dgt(40/400mA/4/10A)电阻400Ω/4/40/400kΩ/4/40MΩ±1.0%rdg±4dgt(400Ω/4/40/400KΩ/4MΩ)±2.0%rdg士4dgt(40MΩ)二极管测试4VReleaseVoltage:Approx,0.4mATestCurrent电容40nF/400nF/4μF/40μF/100μF导通测试400Ω(BuzzerSoundsbelow50Ω)耐压3700VACfor1分钟安全标准IEC61010|1CAT.III300VIEC61010|2|031IEC61326|1电源R6P(1.5V)×2体积155(L)×75(W)×33(D)mm重量260gapprox附件测试线,0.5A/250Vfuse×1,10A/250Vfuse×1R6Px2说明书型号Model1009问题1.买传感器时我们需要考虑什么参数？2.用传感器设计完仪器给客户什么参数？3.研究传感器特性的目的一、技术俗语1.静态特性：是指传感器的输入为常量时，传感器的输入/输出关系的一些特性。2.校准曲线：在静态标准条件下，利用标准仪器测得的传感器的输入/输出曲线称为校准曲线。它可分为有序正程和反程校准曲线。传感器的静态特性的准确测量如图1-2a所示。（a）3.拟合曲线：拟合直线是根据传感器的输入/输出校准曲线按一定的误差原则划出的直线。一、技术俗语（续）常用的拟合直线a:理论拟合直线(1-1)通常该法只具有理论意义。则理论拟合直线是设校准曲线的拟合方程为:b.过零点旋转拟合直线(1-2)式中，ε为使±相等的附加斜率。该直线方程定义为：常用的拟合直线(续)该法简便，但误差较大。c.最小二乘法拟合直线该法准确度高，在计算机普及的今天应当推广。(1-3)式中，(1-4)(1-5)常用的拟合直线(续)拟合直线定义为：常用的拟合直线(续)d.端点直线拟合法常用的拟合直线(续)e端点平移拟合法（最佳直线法）常用的拟合直线(续)（f）硬件线性化方法原理：以非线性矫正非线性“以畸制畸”方法一：利用线性元件和非线性元件的串、并联。方法二：两只非线性传感器差动方式，非线性误差大小相等，极性相反。（h）软件线性化方法1、计算法条件：传感器输出与被测量间有确定的数学表达式方法：软件编写计算程序数学表达式的获得：曲线拟合2、查表法条件：传感器输出与被测量间无法用函数拟合3、插值法原理：将查表法与计算法结合方法：线性插值、抛物线插值、拉格朗日插值、牛顿插值、埃米特插值：1.“改善传感器特性的软件处理方法”,《传感器世界》，2001年2期3.“传感器特性曲线的一种拟合方法”,《传感器技术》，2003年1期参考文献：二、主要技术指标线性度是传感器的固有特性。它定义为：校准曲线与拟合直线的最大偏差⊿Lm与满刻度的百分比，即1．线性度：Linearity（1-6）二、主要技术指标某正向与反向校准曲线对间的最大偏差与满刻度之比，即：(1-7)3.灵敏度(Sensitivity)：增量之比对于线性传感器，K＝常数。(1-8)2.回差(Hysteresis)二、主要技术指标式中，i－－最大随差序号，J-----多次测量序号4.重复性（Repeatability)二、主要技术指标6.阈值Threshold5.分辨力（分辨率）Resolution意义：在测量范围内能测出的输入量的最小值。意义:从输出看能测出的输入量最小变化值，实际上是零位附近的分辨力。（“死区”）7.稳定性　Stability意义：又称长期稳定性表示：用输出值与起始标定之间的差异来表示，也常用有效期来表示8.漂移　Drifting意义：传感器不因输入的原因而发生的变化零点漂移：时漂、温漂灵敏度漂移二、主要技术指标二、主要技术指标9.满量程输出：又称校准满量程输出，为工作特性所决定的最大输出值和最小输出值的代数差。10.量程：测量上线与下线的代数差。11.测量范围：是在保证传感器性能指标的前提下，最大被测量与最小被测量所表示的区间。12.静态误差[精度]　Precision是传感器的综合性能指标,意义：传感器在满量程内任一点上与理论值的最大偏差二、主要技术指标(1)将非线性、回差、按几何法或代数发综合(2)一定置信概率下的极限偏差静态特性各参数的实验室求法以上三大指标的实验室求取法1）.取其量程的5～10个等分点，输入标准信号，测其输出信号，正反行程各三次。2）.求出正反行程平均值。3）.给出拟合直线(端点连线或最小二乘法)。4）.求出正程平均值与拟合直线在各测点的差值，找出最大值，则可求出线性度。5）.求出正反程平均值在各测点的差值，找出最大值，即可求出迟滞。6）.分别求出正程三次或反程三次在各测点的差值，取其最大值，即可求得重复性误差。静态特性各参数的实验室求法00.020.040.060.080.10正1反-2.730.563.967.4010.8814.42-2.710.664.067.4910.9514.42正2反-2.710.613.997.4310.8914.47-2.680.684.097.5310.9314.47正3反-2.680.644.037.4510.9414.46-2.690.694.117.5210.9914.46静态特性各参数的实验室求法平正均反-2.710.603.997.4310.9014.45-2.690.684.097.5110.9614.45总平均-2.700.644.047.4710.9314.45端点线性理-2.700.734.167.5911.0214.45最小二乘理-2.770.664.097.5210.9514.38L端点0.010.130.170.160.120.00L最小-0.060.060.100.090.05-0.07H0.02-0.08-0.10-0.08-0.060R正0.050.080.070.050.060.05R反0.030.050.050.040.060.05静态特性各参数的实验室求法静态特性各参数的实验室求法1、一压力传感器标定数据如下表所列，试求线性度、滞后、重复性和总精度评价。非电量的智能化测量传感器的静态特性传感器的动态特性思考题与习题F一、传感器动态分析的基本特点1.动态特性定义当传感器的输入幅值恒定，但频率变化时，输出量的频率特性称为传感器的动态特性，如输出量的幅频特性、相频特性，输出脉冲的上升时间及稳定时间等。2.传感器动态分析的特殊性3.分析动态特性的方法4.动态分析的数学模型三、模拟传感器的动态特性举例二、传感器传递函数和频率响应函数（P16）二、模拟传感器的动态特性举例1.二阶传感器：由图有：（1-11）则上式可化为：经拉氏变换后则为：(1-13)（1-14）二、模拟传感器的动态特性举例微分方程（1-14）的解：（1）正弦激励：系统幅频特性：（1-15)式中，—系统输入为X(ω)时的灵敏度。二、模拟传感器的动态特性举例当ξ→0时，在ωτ=1处k(ω)趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，谐振现象逐渐不明显。当ξ≥0.707时，不再出现谐振，这时k(ω)将随着ωτ的增大而单调下降。当ξ→0时，在ωτ=1处k(ω)趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，谐振现象逐渐不明显。当ξ≥0.707时，不再出现谐振，这时k(ω)将随着ωτ的增大而单调下降。二阶传感器的阶跃响应单位阶跃响应通式特征方程根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：1）0＜ξ＜1(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根 方程通解 根据t→∞,y→kA求出A3；根据初始条件求出A1、A2，则令x=A其曲线如图，这是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越慢。(设允许相对误差γy=0.02)2)ξ=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即上升时间过冲量稳定时间tW=4τ/ξ4）ξ>1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根3)ξ=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,过渡函数为过渡函数为二、模拟传感器的动态特性举例（2）阶跃激励实际传感器，ξ值一般可适当安排，兼顾过冲量δm不要太大，稳定时间tω不要过长的要求。在ξ＝0.6～0.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当ξ=0.6～0.7时，幅值比k(ω)/k在比较宽的范围内变化较小。计算表明在ωτ＝0～0.58范围内，幅值比变化不超过5％，相频特性中φ(ω)接近于线性关系。对于高阶传感器，在写出运动方程后，可根据式具体情况写出传递函数、频率特性等。在求出特征方程共轭复根和实根后，可将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研究其过渡函数。有些传感器可能难于写出运动方程，这时可采用实验方法，即通过输入不同频率的周期信号与阶跃信号，以获得该传感器系统的幅频特性、相频特性与过渡函数等。2．一阶传感器系统运动方程化为：（1-17）(1-18)K——静态灵敏度(K=b0/a0)传递函数：幅频特性：2．一阶传感器(2)阶跃激励：2．一阶传感器（2）阶跃输入时的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应对一阶系统的传感器，设在t=0时，x和y均为0，当t>0时，有一单位阶跃信号输入,如图。此时微分方程为t齐次方程通解：非齐次方程特解：y2=1(t>0)方程解：以初始条件y(0)=0代入上式，即得t=0时，C1=-1，所以输出的初值为0,随着时间推移y接近于1,当t=τ时,y=0.63在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。3.零阶传感器可见，灵敏度K与频率无关，这是理想的性能。零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞后，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。四、传感器动态特性的引入误差估计1.误差估计问题2．误差估计举例解：(1)运动方程标准比：（原方程→）将原方程左右两边除以3，则得：由此得：（2）由题意有：∴∴，故传感器相应频率范围为（0～0.0032）Hz。这就是说，当被测信号频率超出此频率范围时，则或的测量误差将超过2％，按在工程上是不允许的。自学内容1.传感器的互换性（P21～P23）2.改善传感器性能的技术途径（P23～P26）；3.传感器的合理选用（P26～P29）。作业：P33：1-6；1-7思考题：P33：1-1；1-31-8；1-9（二阶）思考题与习题1.如何使非电量的检测实现智能化？2.某传感器给定精度为，满度值输出为50mV，求可能出现的最大误差（以mV计）。当传感器使用在满刻度的和时计算可能产生的百分误差。由你的计算结果能得出什么结论？3.有一个传感器，其微分方程为，其中y为输出电压（mV），x为输入温度（）试求该传感器的时间常数和静态灵敏度k。4.已知某二阶系统传感器的自振频率，阻尼比，若要求传感器的输出幅值误差小于3％，试确定该传感器的工作频率范围。