新型传感技术 孙立军 sunlijun 绪论、第一章 传感器的一般特性 参考资料 教材 王化祥，张淑英传感器原理及应用（第3版） 其它 王君，凌振宝传感器原理及检测技术，2003 樊尚春，传感器技术及应用（第2版），2010 王化祥 等现代传感技术及应用，2008 王厚枢，陈行禄，传感器原理，1987 内容和学时安排 传感器的一般特性4 应变式传感器2 电容式传感器6 电感式传感器4 压电式传感器2 数字式传感器6 固态传感器6 光导纤维式传感器2 智能传感技术4 传感器的标定4 实验课6 复习和答疑2 合计42+6 基本要求 准时来上课； 不打扰其他同学听课； 平时成绩占10-20%，最后考试占80-90%。 热量表（户用） 传感器应用、科研实例 热量表（户用） 传感器应用、科研实例 热量表的安装示意图 传感器应用、科研实例 传感器应用、科研实例 式中：Q 释释放或吸收的热热量，kJ； qm 流经热经热 量表的水的质质量流量，kg / h ； qv 流经热经热 量表的水的体积积流量，m3 / h ； 流经热经热 量表的水的密度，kg / m3 ； h 热热交换换系统统入口与出口处处水的温差值对值对 应应的水的比焓值焓值 差，kJ / kg ； 时间时间 ，h。 热量的计算比焓差法 热量表的积算仪 传感器应用、科研实例 机械式热量表的基表 机械式热量表的表芯 传感器应用、科研实例 机械式热量表的计算流体力学（CFD）仿真模型 传感器应用、科研实例 传感器应用、科研实例 速度分布云图 速度矢量图 传感器应用、科研实例 叶轮叶片表面受力分析 传感器应用、科研实例 水流量标准装置 传感器应用、科研实例 CFD仿真与实验结果对比 传感器应用、科研实例 流量点 （m3/h） 仪仪表系 数(1/L) 平均仪仪表 系数(1/L) 线线性度误误 差(%) 流速 m/s 湍流 强度 仿真转转 速 (rad) 仿真仪仪表 系数(1/L) 仿真平均 仪仪表系数 (1/L) 仿真线线性 度误误差 (%) 0.0350.01980.07370.6069.92 11.0753.001 0.06410.584 10.7491.835 0.03620.06831.210.743 0.15110.695 0.34710.7590.2040.0557.1511.348 3.51810.9452.02180.041371.111.408 CFD仿真与实验结果对比 传感器应用、科研实例 （a） （b） (c) 需要优化的参数示意图 机械式热量表的基表结构参数优化 传感器应用、科研实例 各方案中改变变的参数及参数值值 优优化方案改变变参数参数值值 原模型=38.5；L=2.4 mm；R=26.5 mm；r=16 mm；b=0 mm 1R=38.5；L=2.4 mm；R=26 mm；r=16 mm；b=0 mm 2L=38.5；L=1.2 mm；R=26.5mm；r=16 mm；b=0 mm 3=39；L=2.4 mm；R=26 mm；r=16.5 mm；b=0 mm 4r=38.5；L=2.4 mm；R=26.5 mm；r=16.5 mm；b=0 mm 5、R=39；L=2.4 mm；R=26 mm；r=16 mm；b=0 mm 6、L、R、r=39；L=1.2 mm；R=26 mm；r=16.5 mm；b=0 mm 7、L、R、r=40；L=1.2 mm；R=25.8 mm；r=16.5 mm；b=0 mm 8、L、R、r、b=39；L=1.2 mm；R=26 mm；r=16.5 mm；b=2 mm 9、L、R、r、b=40；L=1.2 mm；R=25.8 mm；r=16.5 mm；b=2 mm 机械式热量表的基表结构参数优化 传感器应用、科研实例 知识背景： 数、理、电路、电子技术、自动控制理论等。 研究内容： 研究信息的提取与处理的理论、方法和技术。 我们的专业：“自动化” “工业自动化” “过程自动化” 我们的目的：要实现“过程控制” 或“运动控制” 即用自动化装置或设备代替人对生产过程进行操作 或控制。 绪论 热水阀冷水阀 热水 冷水 调节器传感器 执行器 调节目的： 水量适中，水温适宜。 绪论 控制系统举例 手动控制：凭感觉，根据经验做出决定，用手调节阀门。 自动控制：用自动化装置去感觉、去判断，去控制阀门。 代替人手的自动化装置执行器； 代替人大脑的自动化装置调节器、计算机（电脑）； 代替人感觉器官的自动化装置传感器； 在自动控制系统中，传感器又叫做电五官。 除了在自动控制系统中具有十分重要的作用之外，以 传感器为核心的自动检测系统本身就是一项十分重要的 工作，是国民经济各领域必不可少的，占有重要地位。 热 水 阀 冷水阀 热 水 冷水 绪论 控制系统举例 自动测量系统（如温度计、压力表、速度表和 液位计等）； 自动计量系统（如水表、电度表、计量秤以及 热量表等）； 自动保护、自动信号、自动诊断系统（自动控 制系统的组成部分）； 传感器被测对象输出单元 被测参数 x 非电量 输出参数 y 电量 绪论 自动检测系统 自动检测系统框图： 输出单元类型： 构成的自动检测系统 显示、记录仪表等 自动测量系统 计数器、累加器等 自动计量系统 报警器等 自动保护、自动信号系统 调节器、计算机等 自动管理、自动控制系统 各种自动检测系统，框图中的前两块一般是相同的。 输出单元的不同，使得自动检测系统具有不同的功能。 传感器被测对象 输出单元 被测参数 x非电量 输出参数 y电量 绪论 自动检测系统 绪论 传感器(transducer或sensor)是将各种非电量(包 括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换 成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量 )的装置。 传感器及传感技术 非电量（温度、压力、流量、物位、位移、转 角以及振动、加速度等等）； 电信号（电压、电流、电阻、电容、电感以及 电脉冲频率等等） 绪论 传感器及传感技术 绪论 传感器及传感技术 传感器技术是涉及到传感器的机理研究与分析 、传感器的设计与研制、传感器的性能评估与 应用的综合技术。 传感器技术也称为自动检测与自动转换技术。 传感器技术研究的主要内容是信息的提取、信 息的转换以及信号处理的理论和方法。 绪论 传感器的组成 转换元件敏感元件测量电路 非电量或 电参数 电量或 电参数 非电量电量 辅助电源 传感器的组成框图 1）敏感元件：也叫做“预变换器” 将被测非电量预先变成另一种易于变换成电量的非 电量。 2）转换元件： 将感受到的非电量直接转变成电量。 3）测量电路： 将转换元件输出的电量转换成便于显 示、记录、控制和处理的有用的电信号的电路。 绪论 传感器的组成 绪论 传感器的组成 敏感元件 被检测量x 非电量 输出y 电量 B型结构：敏感元件输出的电量还需要专用电路的变换 才能用来显示、记录等，这里的敏感元件也叫做电参数 传感器。 敏感元件 被检测量x 非电量 输出y 电量 测量电路 电参数 A型结构：敏感元件的输出可直接用来显示、记录。 . 按物理结构分类： 绪论 传感器的分类 C型结构：敏感元件的输出仍然是非电量，是易于转换 为电量的非电量。这里的敏感元件叫做预变换器。 被检测量x 非电量 敏感元件 输出y 电量 测量电路 电参数 转换元件 非电量 A、B、C型结构的传感器统称为简单结构型。 D型结构：(差动型结构) 输出Z 电量 差动电路 正向传感器 反向传感器 被检测量x 非电量 +x -x 电参数 电参数 -y +y 绪论 传感器的分类 绪论 传感器的分类 D型结构传感器中的正向传感器与反向传感器感受到 的被测量的作用方向相反（ +x 、-x ）；因此在相同 的被测量作用下，它们各自的输出也相反（+y、-y ）；输出同时作用到差动电路上，差动电路的输出Z 与输出信号之差（ +y) -(-y ）成正比，所以D型结 构传感器又称为差动结构型传感器。 差动型传感器的特点是：灵敏度高，抗干扰能力强 ，线性度好。 绪论 传感器的分类 在D型结构中，正向传感器与反向传感 器是在结构原理、尺寸、参数上完全相 同的简单结构型传感器。 . 按输入量（被测参数）分类： 可分为：温度、压力、差压、物位、位移量、 速度、加速度、湿度等传感器。 . 按测量原理分类 ： A.基于电磁学 （1）变电阻原理：电位器式、应变式传感器等。 绪论 传感器的分类 （2）变磁阻原理：电感式、差动变压器式、电 涡流式传感器等。 B. 基于固体物理学：半导体力敏、热敏、光敏 、气敏等传感器。 . 按结构型和物性型分类 ： A. 结构型：材料几何形状或尺寸的改变； B. 物性型：材料物理性质的变化； 绪论 传感器的分类 （一）测量的定义 (1) 测量就是人们借助专门设备，通过实验的方法对 客观事物取得测量结果的过程。 (2) 测量是通过物理实验，把一个量（被测量）和作 为比较单位的另一个量（标准）相比较的过程。 1.0 测量误差 任何测量结果与被测真实值之间都有差异。凡是测 量都不可避免地会出现测量误差。研究测量误差就是 要通过含有误差的测量结果求得被测真值的最佳逼近 值并估计其精确程度。 一. 误差的基本概念 第1章 传感器的一般特性 基准标准工作量器 基准分级: 一级最高，三级最差； 标准分等: 一等最高，三等最差。 （二）真实值与测得值 1.真实值: 是被测量的真实数值，是用任何手段也得不 到的。 在实际工作中把以下三种数值视为真实值： （1）真值A0 （理论真值，定义值）：由理论、定义来 的数值。 （2）指定值AS ：人为规定的数值。 （3）传递值A：由上一级基准或标准传递下来的数值。 1.0 测量误差 第1章 传感器的一般特性 （2）算术平均值 :如果排除系统误差，在等 精度的测量条件下，n为有限次，则 是被测量真 值（ A0 、 AS 或 A ）的数学期望。 （三）测量误差的分类 1. 随机误差：由于随机的、不确定的、不可预知的因 素而引起的测量误差。 2. 系统误差：有一定规律的误差。 3. 粗大误差：由于测量时人为的疏忽或失误造成的误 差，应予以剔除。 2.测得值：测得值有很多种表示方法，最常用的有如下 两种： （1）单次测得值x：一次测量所得数值。 1.0 测量误差 第1章 传感器的一般特性 （四）测量误差的表示方法 1. 绝对误差： 测得值=真实值+误差 即：误差=测得值-真实值 （1）真差=x- 与真实值之差；式中： x 为测得值；是真实值。 （2）剩余误差(残差) 与平均值之差；式中： 为第i次测得值； 是算术平 均值。 （3）标准误差（方均根差） 条件：测量次数 (无法办到) ；是真实值(无法得到 )。 1.0 测量误差 第1章 传感器的一般特性 用贝塞尔公式计算的标准误差： 在这个公式中， 既不需要 又可以用算术平均值来 代替真实值参与计算，避免了求取真值的困难。 2. 相对误差： （1）实际相对误差 一般写成： 绝对误差与真实值之比；式中： 为上述任意一种绝对 误差；A就是，是真实值（ A0、AS 或 A 中之一） 。 （2）示值相对误差 也叫读数相对误差。 1.0 测量误差 第1章 传感器的一般特性 是绝对误差与测得值之比；式中： 是测得值。 （3）引用相对误差 也叫额定相对误差、满度相对误差。式中的 是所用测量仪器或工具的测量上限 与下限 之差，叫做量程。如果 则有 比较