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传感检测技术及的的应用


§3.3 传感器的描述方法
2、传递函数(复数域内)
(1)模型:运用拉普拉斯变换将时域的数学模型转换成复数域的数学模型。
(2)特点:
1)H(s)和输入x(t)的具体表达式无关。
传递函数H(s)用于描述系统本身固有的特性,与x(t)的表达式无关。x(t)不同 时,y(t)的表达式也不同,但二者拉普拉斯变换的比值始终保持为H(s) 。
G( j ) G( S ) s j
bm ( j ) m bm1 ( j ) m1 ... b1 ( j ) b0 an ( j ) n an 1 ( j ) n 1 ... a1 ( j ) a0
用复数形式表示:G(jω )= P(ω )+ jQ(ω ) 其中,P(ω)和 Q(ω)都是ω的实函数,以频率ω为横 坐标,以P(ω)和Q(ω)为纵坐标所绘的图形分别称为 系统的实频特性图与虚频特性图。 用指数形式表示:G(jω )= A(ω )ejφ (ω ) 其中
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§3.3 传感器的描述方法
二、动特性的表示方法(动态模型)

传感器的动态数学模型是指传感器在受到随时间 变化的输入量x(t)作用时,输出-输入之间的关系, 通常称为响应特性。

传感器的动态特性反映测量动态信号的能力,对 于连续时间系统主要有三种数学模型形式:
1、时域中的微分方程
2、复数域中的传递函数
Gi ( S )
G( S ) G1 ( S ) G2 ( S ) G3 ( S )
Y(S)
G ( S ) G1 ( S ) G2 ( S ) G3 ( S )

i 1
G (S )
i i 1
n
§3.3 传感器的描述方法
3、频率响应函数(频域内)
(1)模型:拉普拉斯变换中,s = σ + jω ,令σ =0,则有 s = jω ,将其代入H(s),得到
美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之 一; 德国视军用传感器为优先发展技术; 英、法等国对传感器的开发投资逐年升级。 我国目前也有近千家传感器生产和销售企业。

传感器的应用

传感器的应用遍及航空、航天、工业、农业、医疗、气象、 家用电器……各个领域与部门。它是生产自动化、科学测 试、计量核算、监测诊断等系统中不可缺少的基础环节。
物性型传感器举例(2)
如:压电式传感器
§3.2 传感器的组成及分类
一、传感器的组成
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§3.2 传感器的组成及分类
一、传感器的组成
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§3.2 传感器的组成及分类
二、 传感器的分类
物理型 1、按基本效应
化学型
生物型
2、按工作机理
物性型 结构型
能量转换型(自源型) 3、按能量变换关系 能量控制型(外源型)
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§3.3 传感器的描述方法
二、动特性的表示方法(动态模型)
微分方程、传递函数及频率响应函数的关系。
S=d/dt 传 递 函 数
微分方程
系 统
jω=d/dt
S=jω
频率特性
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§3.4 传感器的特性分析
一、传感器的静态特性
二、传感器的动态特性
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§3.4 传感器的特性分析
一、传感器的静态特性
密歇根大学的机械手装配模型
AGV小车位置识别
传感器的应用
航天 农业
交通
医学
传感器的应用
指纹传感器
透光率传感器
全自动洗衣机中的传感器: 衣物重量传感器,衣质传感 器,水温传感器,水质传感 器,透光率光传感器(洗净 度) 液位传感器,电阻传感 器(衣物烘干检测)。
温湿度传感器
温度传感器
传感器的应用

先修课程: 高等数学、物理、模拟电子、误差分析与数据处理等。
第一篇 传感检测技术基础
传感检测技术
第三章 传感器应用技术基础

传感器的定义及工作机理
传感器的组成及分类
传感器的描述方法 传感器的特性分析 传感器的标定与校准 改善传感器性能的主要技术途径 传感器发展趋势
§3.1 传感器的定义及工作机理
3、频率域中的频率响应函数
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§3.3 传感器的描述方法
1、微分方程(时域内描述)
(1)模型:
an
dny dt
n
an 1
d n 1 y dt n 1
dy d mx d m1 x dx ... a1 a0 y bm m bm1 m1 ... b1 b0 x dt dt dt dt
非 电 量 检 测 技 术 基 础 传 感 器 应 用 技 术 基 础


电 阻 式 传 感 器
电 感 式 传 感 器
电 容 式 传 感 器
压 电 式 传 感 器
热 电 式 传 感 器
磁 电 式 传 感 器
其 它 传 感 器
基础部分
典型传感器原理及应用部分
本课程的任务

要求掌握传感器的基本理论。 特别要求掌握几何量、机械量及有关测量中 常用的各种传感器的工作原理、输入输出特 性、误差分析与补偿方法。 能合理地选择和使用传感器,并进一步掌握 传感器的实验研究方法。
§3.1 传感器的定义及工作机理
二、工作机理
1、守恒定律 能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律是研究、 开发新型传感器的必须遵守的基本法则。
2、场的定律 动力场的运动定律、电磁场的感应定律等,其作用与物 体在空间的位置及分布状态有关。 利用场的定律制成的传感器统称为“结构性传感器”。 如:
+ + +
A
C
0A
静电场 定律 返回

结构型传感器举例
如:电感式传感器 利用法拉弟电磁感应定律 如:磁电式传感器
二、工作机理
σ=Eε
§3.1 传感器的定义及工作机理
3、物质定律 物质本身内在性质的定律(虎克定律、欧姆定律等)。
U=I R
利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直 接转换为电量。如:光电管(外光电效应)、压电晶体(正 压电效应)、光敏电阻、所有半导体传感器、以及所有利用 各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金的性能变 化的传感器。
Y
Lm L 100 % y FS
(2)常用拟和方法 理论直线法 最小二乘法 端点线法 端点平移法
YFS 标定曲线 ΔLm 拟合直线
X
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§3.4 传感器的特性分析
(2)常用的拟和方法
(a)理论拟合
(b)最小二乘拟合
(c)端点拟合
(d)端点平移拟合
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§3.4 传感器的特性分析
利用物质定律制成的传感器统称为“物性型传感器”。 举例
4、统计法则
微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。
物性型传感器举例(1)
如:光电转换元件
光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量, 并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质 的光电效应。 光电导效应是指半导体材料受到 光照时会产生电子-空穴对,使其导 电性能增强,光线愈强,阻值愈低,这 种光照后电阻率发生变化的现象, 称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏 电阻、光敏二极管、光敏三极管。
式中:Y—输出量 X—输入量 t-时间 dny/dtn——输出量对时间t的n阶导数
dmy/dtm——输入量对时间t的m阶导数 a0、a1、… 、an, b0、b1、… 、bn——常数(取决于传感器参数)
(2)特点:
优点:通过解微分方程易于分清暂态响应和稳态响应。 通解仅与传感器本身特性及初始条件有关; 特解不仅与传感器的特性有关,而且还与输入量x有关。 缺点:求解麻烦,尤其是通过增减环节来改善传感器的特性时 显得更 不方便。 返回
一、传感器的定义
所谓传感器(sensor),是来自“感觉”一词。工程上称为
“电五官”。 广义定义: 传感器是一种能将特定的被测量信息(包括物理量、化学量、 生物量等),按照一定规律转换某种可用的输出信号的器件或 装置。
可用信号是指便于处理、传输的信号。 狭义定义:
物理量、化学量 生物量等
电量
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传感检测技术及应用
郑州大学工学院机械工程学院
学习本课程的必要性

传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合 技术。它是信息技术的三大支柱之一。
传感与控制技术 通信技术 计算机技术
信息技术的三大支柱
目前的状态是:“大脑发达、五官不灵”
谁掌握和支配了传感器技术 谁就能够支配新时代 !


日本把传感器技术列为80年代十大技术之首;
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§3.3 传感器的描述方法
3、频率响应函数(频域内)
(2)特点:

用频率响应函数来描述系统的最大优点是它可以通过实验 来求得。 实验求得频率响应函数的原理,比较简单明了:依次用不 同频率ω i的简谐信号去激励被测系统,同时测出激励和 系统的稳态输出的幅值 Xi、Yi和相位差φ i。这样对于某 个ω i,便有了一组Yi/Xi=Ai和φ i,全部的Ai-ω i和φ i-ω i, i=1,2,3,…便可表达系统的频率响应函数。 需要特别指出,频率响应函数是描述系统的简谐输入和相 应的稳态输出的关系。因此,在测量系统频率响应函数时, 应当在系统响应达到稳态阶段时才进行测量。
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§3.3 传感器的描述方法
2、传递函数(复数域内)
(3)功用: 在框图中用作表示系统的动态特性的图示符号。 X Y

当组成系统的各个元件或环节的传递函数为已知时,就可 以 用传递函数来确定系统的总特性。 当n个环节串联时:
X(S) G1(S) G2(S) G3(S)
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