传感器概况.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,传感器与检测技术,1,一、人机系统的机能对应关系,外,界,信,息,感 官,人 脑,肢 体,人 体 系 统,传感器,计算机,执行器,机 器 系 统,Sensor、Transducer,“机电五官”,2,性能凌驾于人的感官之上：,（1）测量人体无法感知的量,（3）测量范围宽、精确高、可靠性好,（2）恶劣环境下工作,温度传感器：,-196 1800,压力传感器：,0.01psi 10000psi,精度：,0.1%0.01%,可靠度：,8 9,级,3,重力感应器,光电传感器,距离传感器,电子罗盘,三轴陀螺仪,2、,手机与传感器,5,3.智能楼宇与传感器,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：安全监测、照明控制、空调控制、水/废水管理等。,6,4、,汽车与传感器,传统：行驶速度、距离、发动机旋转速度、燃料剩余量,安全：安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、电子变 速控制装置、汽车“黑匣子”,环保：排气循环装置、电子燃料喷射装置,7,8,智能机器人：判断能力,视觉传感器、触觉传感器,足球机器人,迎宾机器人,10,2003年9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜,。,“不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上降临。”,小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。,“金字塔漫游者”，511，地面探测雷达、超声波传感器（测石头厚度）。,12,7、,传感器与环境保护,环境监测仪器,14,温湿度、露点探头、CO,2,探头、大气压力传感器,湿度传感器,湿度传感器,15,微波,红外接收传感器,红外线分布差异,矿藏埋藏地区,地 面,8、,传感器与遥感技术,飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、,远红外线、微波,船舶：超声波传感器,16,9、,传感器在军事技术领域的应用,中国利剑无人机,美国全球鹰无人机,美国捕食无人机,惯性导航系统；,GPS；,迎角传感器；,侧滑角传感器；,大气数据计算机,17,9、,传感器在军事技术领域的应用,美国高级将领与著名学者访谈录陈伯江,“信息时代的军事革命”,美国参联会副主席欧文斯上将,“改变那种认为军事力量主要是军舰、坦克和飞机的概念，把我们的注意力放在思考信息和电信技术所能提供的军事力量上来。这场军事革命标志着一种转变，即从重视军舰、坦克和飞机，转为,重视诸如传感器,这类东西的作用。”,“陆军、海军、空军都将只不过是历史的产物你也许将成立一个把,所有的传感器,放在一起的军种（可称之为传感器军）用于观察战场”,18,3、现代信息产业的三大支柱,通讯技术、计算机技术、传感器技术,既是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。,如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，信息的准确获得与精密检测就成了一句空话，通讯技术和计算机技术也就成了无源之水，无本之木，现代测量与自动化技术随之变成水中之月、镜中之花。,20,日本科学技术厅把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通讯、激光、半导体、超导和传感器）之一。日本政府还在21世纪技术预测中将传感器列为首位。,美国白宫将“传感器及信号处理”列为对国家安全和经济发展有重要影响的关键技术之一。,西欧各国在制定“尤里卡”发展计划中，把传感器技术作为优先发展的重点技术,。,我国政府在“863计划”及重点科技攻关项目中，均把传感器列在重要位置。,4、各国政府高度重视,21,4、,微型化,微机电系统,MEMS（Microelectro-mechanical System）,轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、,可运动的微型机电装置,。,微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器,集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、,悬臂梁、光学镜片 执行机构,借助集成电路的制造技术来制造机械装置,23,5、,新型功能材料的开发,各种新型传感器孕育在新材料之中,半导体材料和新工艺的发展：半导体传感器,压电半导体材料发展：压电集成传感器,高分子压电薄膜的出现：机器人触觉传感器,微型、新型、智能传感器的发展!,24,例：曹冲称象,方法：比较法；,装置：船、石头、小秤；,检查,、,测量,，从而得到：,定性,、,定量,的结果。,26,检测,（,Detection,):,利用各种物理、化学效应，选择合适的,装置(传感器)与方法,，将生产、科研和生活等各方面的有关信息通过,测量并进行相应处理,从而赋予,定性或定量结果,的过程称为检测技术,。,前者是基础，后者是,目的与延伸,27,仪表单元：实现各种控制作用的手段和条件，它将检测到的数据进行,运算处理,，并通过相应的单元实现对,被控变量的调节,目的：监测、控制,(监控，monitoring),检测和仪表单元都是控制系统的重要基础，两者紧密相关，相辅相成,28,1.1,检测仪表控制系统,1.1.1,典型的检测仪表控制系统,石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业,以天然气为原料生产合成氨,压力调节（PC）,流量调节（FC）,液位调节（LC）,30,脱硫塔压力调节控制(PC),压力参数检测，实现检测信号转换和传输,实现被控量控制,实现调节规律计算,31,流量调节控制子系统,(FC),图1-3 脱硫塔流量控制系统结构框图,实现安全火花防爆,检测流量并对检测信号进行转换和传输,32,可见：在无特殊条件要求下，常规工业检测仪表控制系统的构成基本相同，而与具体采用的仪表类型无关。,由此可见：无论是压力还是流量调节控制，都需要如下基本单元：,变送单元（,transducing,unit,）：,参数检测及信号转换和传输的单元；,调节单元,(,regulating unit,),：,实现调节控制规律的单元；,执行单元,(,actuating unit,),：,实现被控变量控制作用的单元；,33,被控（被测）对象(,plant,),：是控制系统的核心，它可以是单输入单输出对象，也可以是多输入多输出。,检测单元(,detecting unit,)：,是控制系统实现控制调节作用的基础，它完成对所有被测变量的直接或间接测量。,变送单元(,transducing unit,)：,完成对被测变量信号的转换和传输。,调节单元(,regulating unit,)：,完成调节控制规律的运算。,执行单元(,actuating unit,)：,是实现控制的执行机构，接收控制信号驱动执行机构调节被控变量。,显示单元(,display unit,)：,是控制系统的附属单元。,闭环回路控制系统,plant,Detecting unit,Transducing unit,Display unit,Regulating unit,Actuating unit,Operator,1.1.2,检测仪表控制系统结构分析,34,1.2.1 测量范围、上下限、量程,测量范围,(measuring range),：,是仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。,测量范围的最小值和最大值分别称为,测量下限,(lower range limit),和,测量上限,(upper range limit),；,测量范围表示法,：下限值上限值,仪表的量程,：,是测量上限与下限值的代数差，即：,量程=测量上限值-测量下限值,1.2,基本概念,记为：,35,例1,：一个温度测量仪表的下限值是-50，上限值是150，则其测量范围可表示为-50150，量程为200。,由此可见，给出仪表的测量范围便知其上下限及量程，反之，如果只给出仪表的量程，却无法确定其上下限及测量范围。,例2,：某秤测量范围为：0100公斤，则量程为100公斤，秤的上下限分别为：100公斤、0公斤。,36,仪表的零点,：,指测量下限。,仪表测量范围的另一种常用的表示方法,：,是给出仪表的零点和量程。,零点迁移,：,通常将零点的变化称为零点迁移；,量程迁移,：,量程的变化称为量程迁移。,标尺特性曲线,X-Y,：,令被测量为,x,，输出仪表指针位置为,y,。则：,横坐标,X=(x/,量程,)100%,纵坐标,Y=(y/,标尺长度,)100%,1.2.2 零点迁移和量程迁移,在标尺为线性的前提下，标尺特性曲线为一定斜率的线段,37,零点迁移,(zero,transfer),：仪表零点变为-2mm，其量程不变，则其测量范围为-28mm。其标尺特性曲线由原线段1平移至线段2。,量程迁移,(range transfer),：仪表零点不变，量程改变，,量程变小：变为,8mm,，则其测量范围为,08mm,。其标尺特性曲线移至线段,3,。,量程变大：变为,15mm,，则其测量范围为,015mm,。其标尺特性曲线移至线段,4,。,0,100%,100%,X,Y,1,20%,2,-20%,80%,3,67%,125%,4,假设有一测位移仪表，其测量范围为010mm，则量程为10mm。其标尺特性曲线如图线段1。,38,结论,：,单纯零点的标尺特性曲线的斜率不变。,单纯量程迁移的标尺特性的斜率有所变化，量程变小，斜率变大，超量程会损坏仪表（线段3）。量程变大，斜率变小，欠量程没有充分利用仪表的标尺显示（线段4）。,零点迁移与量程迁移并存的情况较多，可扩大仪表的通用性。,39,1.2.3 灵敏度和分辨率,灵敏度,(sensitivity),：,是仪表对被测参数变化的灵敏程度。表示方法为：仪表输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。在稳态条件下即:,灵敏度的特点,：,可见,量程迁移,灵敏度的改变；,零点迁移,则,灵敏度不变,。,灵敏度有量纲,灵敏度具有可传递性,仪表分辨率,（,resolution,称仪表灵敏限、灵敏阈）。它表示引起,输出值变化的最小输入量变化值,。当输入有微小变化时输出就有变化，则说明分辨率高。灵敏度高，则分辨率高。,40,灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力,(a)线性传感器 (b)非线性传感器,41,作图法求灵敏度过程,x,y,x,1,x,y,0,切点,传感器 特性曲线,x,max,42,1.2.4 误 差(error),示值和约定真值,示值,：仪表指示装置所显示的被测值称为示值。,真值,：,理论值,约定真值,：实际中，常用精度等级比较高的仪表测出的，或用特定方法确定的约定真值代替被测量的真值。,绝对误差和相对误差,绝对误差,：绝对误差=示值-约定真值。,相对误差,：常用百分数表示，即,相对误差越小，精度越高,作用：衡量仪表的精度,43,例如：测量L,1,=10mm的尺寸，误差,1,=8m,T,2,=80的温度,误差,2,=0.005,比较两次测量精度的高低。（不可用绝对误差表示）,解,：,因此，测温试验的精度高。,相对误差可用来比较测量不同的被测量的精度高低。,44,引用误差,用量程取代相对误差公式中的约定真值得引用误差，即:,例如：量程为0V10V的电压表，在测9.02V的电压时，示值为9V，则此时，该电压表的引用误差为：,最大引用误差,允许误差：仪表在出厂时要规定引用误差的允许值，简称,允许误差,。最大引用误差,允许误差,(9-9.02)/10=-0.2%,仪表基本误差的主要形式，是仪表的主要质量指标。,45,误 差,误差,=,基本误差,+,附加误差,基本误差,：仪表在使用时按照严格规定的环境条件进行测量，而产生的误差。,附加误差,：仪表在超出规定的工作条件工作时，所产生的额外的误差。,静态误差：,指仪表静止状态时的误差，或被测量变化十分缓慢时所呈现的误差。即仪表的,稳态误差,。仪表静态误差应用更普遍。,动态误差：,指仪表因惯性延迟所引起的附加误差，或变化过程中的误差,。,46,1.2.5 精确度,仪表的精确度,：,允许的最大引用误差去掉百分号和号后的数字来衡量的。,例如,：某仪表的最大引用误差为-0.5%，则其精度等级为0.5级。,精度等级,：按仪表工业规定将精确度划分为若干个等级，称为精度等级。,1.0,级的意思是在规定条件下实际测量的绝对误差不会超过量程的,1%,。精度等级的数字越小，精度越高。,图为精度等级的确定方法,47,例题:,最大引用误差,2.5%,。,最大绝对误差,m,=(2.5%)(1.5-0)=,0.0375MPa,其相对误差为,0.0375/0.70=,5.4%,在正常情况下，用,0.5,级、量程为,100,温度表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差是多少？,m,=(0.5%)100=0.5,现有精度为,0.5,级的,0,300,的和精度为,1.0,级的,0,100,的两个温度计，要测量,80,的温度，试问采用哪一个温度计更好？,首先考察被测量是否在仪表的测量范围内，再求最大允许误差：,m1=(0.5%)300=1.5,m2=(1.0%)100=1.0,可见，选用,1.0,级的,0,100,的温度计更好。,某压力表精度为,2.5,级，量程为,0,1.5MPa,，试求（,1,）该表的最大引用误差是多少？（,2,）可能出现的最大绝对误差是多少？（,3,）测量结果显示为,0.70MPa,时，其相对误差是多少？,48,1.2.6 滞环、死区和回差,滞环效应分析,同一输入，对应多个输出值，出现误差。,滞环：,储能效应,例如弹性变形、磁滞。,实际上升曲线和实际下降,曲线不重合。,特性曲线形成环状。,49,死区：,dead band,死区效应，例如传动机构,的摩擦和间隙。,实际上升曲线和实际,下降曲线不重合。,仪表输入小到一定范围后不,足以引起输出的任何变化。,死区效应分析,50,综合效应：,既有储能效应，也具有,死区效应。,各种情况下，实际上升曲,线和实际下降曲线间的最大差值称为回差或变差。,综合效应分析,51,衡量仪表不受随机因素影响的能力。,选用上升曲线最大离散程度和,下降曲线最大离散程度中的最大,值。,1.2.7 重复性和再现性,重复性：在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输入值进行测量所得的多个输出值之间相互一致的程度。,52,再现性：包括滞环和死区，仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示。,仪表性能稳定的一种标志。,53,可靠度：衡量仪表能够正常作并发挥其功能的程度。,指标1：（多个仪表）,指标2：有效度（单个仪表）,体现在仪表正常工作和出现故障两个方面：,正常工作方面：平均无故障工作时间。,出现故障方面：平均故障修复时间。,1.2.8 可靠性,54,1.2.9 其他,漂移,(,drift,),：,保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的缓慢变化。分为,时漂,和,温漂,。可说明仪表工作的稳定性能，如果仪表需要长时间运行，这一性能更为重要。,响应时间,(response time),：,当仪表输入阶跃变化时，输出从一个稳态值到另一个稳态值所需要的时间。,由于传感器响应输入量的变化需要时间，而各环节的信号放大、传输、和变换等均需要时间，因此在进行测量时，需要一个,等待时间,，它一定要大于仪表的响应时间，故希望仪表的响应时间越小越好。,55,1.3,检测仪表技术发展趋势,发展趋势主要体现在：,成组传感器的复合检测,微机械量检测技术,智能传感器的发展,各种智能仪表的出现,计算机多媒体化的虚拟仪表,传感器、变送器和调节器的网络化产品,56,本章主要内容,典型的检测仪表控制系统及工业检测仪表控制系统的一般结构,检测和仪表中常用的基本性能指标,测量范围、上下限、量程,；零点迁移和量程迁移；灵敏度和分辨率；误差；精确度,；滞环、死区和回差,检测仪表技术发展趋势,57,作业：,1-2,、,1-4,、,1-6,、,1-7,58,