光电传感与检测技术--绪论.ppt
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1、,光电传感与检测技术,参考书目,光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社 光电传感与检测技术江晓军等编著 机械工业出版社 光电检测技术及应用周秀云等编著 电子工业出版社,教材,光电检测技术与应用郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社,教材,光电检测技术与应用郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社,参考书目,光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社 光电传感与检测技术江晓军等编著 机械工业出版社 光电检测技术及应用周秀云等编著 电子工业出版社,第一章 绪 论,1.1 课程内涵 1.2 课程特点 1.3 课程组成 光电传感技术 光电检测技术 1.3.1 什么是传感器? 1.3.2 光电传感
2、器的组成和分类 1.3.3 光电传感器的特性 1.3.4光电传感器技术的作用和地位 1.4 光电检测技术概述 1.5 光电检测系统组成 1.6 光电检测系统的基本工作原理 1.7 光电检测系统的基本结构形式 1.8 光电检测技术的特点 1.9 光电检测方法 1.10 光电检测技术发展趋势和应用,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,光电传感与检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术,它主要利用光电传感器将光学信号变换成电学信号,并采用电路放大和滤波处理等电子技术对变换后的电信号进行检测,然后用电子学、信息论、计算机等方法进行分析并进一步传递、储存、控制和显示。,光电传感与检测技术具有
3、非接触、精度高、速度快、自动化等特点,是光、机、电、计算机技术的综合应用。它将光电传感器与单片机技术、计算机技术及虚拟仪器技术相结合,使检测技术更加方便。,1.1 课程内涵,1.2 课程特点,光电传感与检测技术,第1章 绪 论, 光电传感技术 光电检测技术,1.3 课程组成,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,在我们日常生活中,使用着各种各样的传感器, 电冰箱、电饭煲中的温度传感器; 空调中的温度和湿度传感器; 煤气灶中的煤气泄漏传感器; 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器; 照相机中的光传感器; 汽车中燃料计和速度计等等,不胜枚举。 传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢?,1.3.
4、1 什么是传感器?,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.1什么是传感器?,第1章 绪 论,Ferrari330,光电传感与检测技术,车胎压力监测,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,1.3.1什么是传感器,眼(视觉) 耳(听觉) 鼻(嗅觉) 皮肤(触觉) 舌(味觉),感知外界信息 大脑 肌体,人体系统和机器系统比较,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.1什么是传感器,人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号,将这些信号传送给大脑,大脑把这些信号分析处理传递给肌体。 如果用机器完成这一过程,计算机相当人的大脑,执行机构相当人的肌体,传感器相当
5、于人的五官和皮肤。 传感器好比人体感官的延长,有人又称“电五官”。,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,从广义的角度来说,感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。,1.3.1什么是传感器,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,对于各种各样的被测量,有各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例:,1.3.1什么是传感器,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.2 光电传感器的组成和分类,光电传感器的组成:,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,光电传感器的分类:,(1)按照探测机理分
6、类:,光子传感器,内光电传感器:,光敏电阻、光生伏特器件、光电池、光敏二极管、光敏晶体管,外光电传感器:,光电管、光电倍增管、像增强器,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,(2)按照光电传感器输出信号的性质分类:,光纤传感器、 光栅传感器、 光电式传感器、 模拟光学传感器、 固态图象传感器,传感器一般要变换各种信息量为电量,对不同的输入信号,输出特性是不同的,由于受传感器内部储能元件(电感、电容、质量块、弹簧等)的影响, 对快变信号与慢变信号,反应大不相同。,慢变信号 输入X为静态或变化极缓慢的信号时研 究静态特性,即不随时间变化的特性。 快变信号 输入量X随时间t变化较快时考虑输 出的动态特
7、性,即随时间变化的特性;,传感器系统,输入 X,Y 输出,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,1.3.3 光电传感器的特性,(一) 传感器静态特性,当输入量(X)为静态(常量)或变化缓慢的 信号时(如环境温度、压力),讨论传感器的 静态特性,输入输出关系称静态特性。 静态特性包括: 线性度、迟滞、重复性、灵敏度、漂移 数学式表示为:,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(1)线性度:,传感器的输入输出关系可以用多项式表示:,(一) 传感器静态特性,其中: x 输入量, Y 输出量; a0 x = 0 时的输出值 a1 理想灵敏度 a2, a3an 非线性项系数,输入与输出之间数量关系的线性程度
8、,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,传感器的非线性误差(线性度) 用相对误差表示:, 最大非线性绝对误差 满量程输出 线性度,Y,X,Yi,Xi,Lmax,Y=kx+b,线性度是表征实际特性与拟合直线 不吻合的参数,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,各种直线拟合方法,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,最小二乘法线性度 设拟合直线方程: 取 n个测点, 第i 残差为: 求残差平方和为最小值:,解出k、b代入作拟合直线,i为非线性误差。,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,(2)迟滞,传感器在正、反 行程期间输入、 输出
9、曲线不重合 的现象称迟滞。,例:一电子秤 增加砝码 10g 50g 100g 200g 电桥输出 0.5mv 2mv 4mv 10mv 减砝码输出 1mv 3mv 6mv 10mv,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,迟滞误差计算由满量程输出的百分数表示:,为正、反 行程输出值间的最大差值,产生迟滞误差的原因: 由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。 如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。 迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,(3)重复性,传感器输入量按同一方向作多次 测量时输出特性不一致的
10、程度。 属于随机误差可用标准偏差表示:,或用正反行程中最大重复偏差 表示:,max 最大标准差;,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,(4)灵敏度,在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率:S = Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量: S = dy/dx 灵敏度单位,mv/mm mv/,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,(5)漂移,定义:在输入量保持不变的情况下,输出量随时间的变化 产生原因: 一是传感器自身结构参数; 二是周围环境(如温度,湿度等),温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为
11、20C)时的输出值的变化量与温度变化量之比来表示。,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,(6)分辨率和阈值,分辨率 传感器能够检测到的最小输入增量; 阈值 输入小到某种程度输出不再变化的值; 门槛灵敏度 指输入零点附近的分辨能力。,当输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出!,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(一) 传感器静态特性,当输入量随时间变化时,讨论传感器的动态特性。 如 :加速度、振动等,这时被测量是时间的函数, 或是频率的函数。 用时域法表示:,用频域法表示:,动态特性是传感器输出对(随时间变化的)输入量的响应特性,输入与输出之间存在的差异就是动
12、态误差!,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,例:动态测温 设环境温度为T0 ,水槽中水的温度为T,而且 TT0 用热电偶测温,传感器突然插入被测介质中; 理想情况测试曲线T是阶跃变化的; 实际热电偶输出值是缓慢变化,存在一个过渡过程,水温T,热电偶,环境温度To TTo,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关, 在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号和阶跃信号。 输入信号按正弦变化时,分析输出信号的振幅、相位、频率,称频率响应; 输入信号为阶跃变化时,对传感器输出信号随时间变化过程进行分析,称阶跃响应
13、(瞬态响应);,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(1) 传递函数,假设传感器输入、输出在线性范围变化,当输入量随时间变化时,它们的关系可用高阶常系数线性微分方程表示:,式中: Y输出;X输入;ai 、bi 为常数,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,微分方程两边取拉氏变换,将实函数变换到复变函数,时拉氏变换定义为:,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,传感器的传递函数:,传感器传递函数的在数学上的定义是:初始条件为零(t0,y=0)时,输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比,可由输入和传递函数求出输出拉氏变换,再求逆变换得
14、出y(t)将频域变换为时域 。,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,大多数传感器的情况一般有,传递函数可化简为:,分母多项式中的方程式有n个根,总可以分解为一次和二次的实系数因子,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,零阶系统是个特例,无时间滞后,n=0时,一阶系统,n = 1,二阶系统,n = 2,用分母的阶次代表传感器的特征,数学模型是n阶就称n阶传感器。一个高阶系统可以看成若干个零阶、一阶、二阶系统串联。传感器种类很多,一般可简化为一阶或二阶系统,高阶传感器较少,也可分解成若干低阶环节。,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测
15、技术,(2)一阶系统的动态响应(惯性系统),一阶系统传递函数,静态灵敏度,时间常数,设k=1传递函数可简化为:,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(a) 一阶传感器的阶跃响应(瞬态响应),单位阶跃信号拉氏变换为:,由拉氏反变换得到单位阶跃的响应信号为:,一阶系统输出拉氏变换为:,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,一阶传感器的阶跃响应,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,讨论: 瞬态响应是指数函数,输出曲线成指数变化逐渐达到稳定; 因为惯性存在,输出不能立刻达到稳定,理论上t时才 能达到稳定,当t=时即达到稳定值的63.
16、2%,可见时间 常数越小越好,是反映一阶传感器的重要参数; 实际运用时t = 4时工程上认为已达到稳定; 由曲线看出它与动态测 温相似,所以动态测温 是典型的一阶系统 。,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,(b) 一阶传感器的频率响应,输入正弦信号的拉氏变换,通过传递函数求出输出:,(二) 传感器动态特性,第1章 绪 论,光电传感与检测技术,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,构成现代信息技术的三大支柱是: 传感器技术(信息采集); 通信技术 (信息传输); 计算机技术(信息处理); 它们在信息系统中分别起到 “感官”、“神经”和“大脑”的作用。 在利用信息的过程中
17、首先要解决获取准确可靠的 信息,而传感器是获取信息的主要途径和手段。,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用,传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。 传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起到的作用大的多。这几乎是无可争议的事实。,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,在基础学科 研究中,传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高
18、压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。 现代工业生产 尤其是自动化生产过程中,每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数,一是保证产品达到最好的质量,二是保证设备工作在最佳状态。传感器是自动控制系统的关键基础器件,直接影响到自动化技术的水平。,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,现代工业生产,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,机器人,传感器系统包括 视觉:平面、立体 非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3
19、.4光电传感器技术的作用和地位,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.1 课程内涵 1.2 课程特点 1.3 课程组成 光电传感技术 光电检测技术 1.3.1 什么是传感器? 1.3.2 光电传感器的组成和分类 1.3.3 光电传感器的特性 1.3.4光电传感器技术的作用和地位 1.4 光电检测技术概述 1.5 光电检测系统组成 1.6 光电检测系统的基本工作原理 1.7 光电检测系统的基本结构形式 1.8 光电检测技术的特点 1.9 光电检测方法 1.10 光电检测技术发展趋势和应用,沙漠机器人,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,电子汽车衡,计量测试
20、,超声波测流量,红外测温,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,热电偶测温,医疗诊断,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,自动识别系统(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,感应式门禁,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域,湿度传感器,过程控制,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1
21、.3.4光电传感器技术的作用和地位,烟气 测量,环境监测,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,上海卢浦大桥通车应力试验,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,智能化水质检验,光电传感与检测技术,第1章 绪 论,1.3.4光电传感器技术的作用和地位,传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说:几乎每个现代化项目,以至各种复杂工程系统,都离不开各种各样的传感器。 由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是
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