1第一章检测技术的基础知识

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汽车的自动驾驶？
自动驾驶汽车，又称 无人驾驶汽车、电脑 驾驶汽车、或轮式移 动机器人，是一种通 动机器人，是 种通 过电脑系统实现无人 驾驶的智能汽车。
自动驾驶汽车技术的研发， 自动驾驶汽车技术的研发 在20世纪也已经有数十年 的历史，于21世纪初才呈 现出接近实用化的趋势。
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导致汽车自动驾驶困难的原因是什么？
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一阶传感器的单位阶跃响应特点 阶传感器的单位阶跃响应特点
一阶传感器的时间常数τ越小，响应速度越 快，响应曲线越接近输入的阶跃曲线，动 态误 越小 态误差越小。 因此，一阶传感器的时间常数τ越小越好。

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（2）二阶传感器的单位阶跃响应

设传感器静态灵敏度k=1，二阶传感器的传递函 数为 2 Y s
灵敏度 漂移
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1.2 传感器的基本特性


在检测系统和控制系统中，要完成对各种参数进 行检测和控制 必须要求传感器能够将感受到非 行检测和控制，必须要求传感器能够将感受到非 电量的变化不失真的变换成相应的电量。 传感器能否完成不失真的转换，这取决于传感器 的基本特性，也就是输入输出特性。 传感器的基本特性是由其内部结构参数所决定的 一种外部特性，通常可分为静态特性和动态特性。 种外部特性 常 分 静 特性 动 特性


理论线性度: 拟合直线为理论直线, 通常以 0% 作为直线起始点, 满量程输出100%作为终止点。 端基线性度: 以校准曲线的零点输出和满量程输 出值连成的直线为拟合直线。 独立线性度: 作两条与端基直线平行的直线, 使之 恰好包围所有的标定点, 以与二直线等距离的直线 作为拟合直线。 作为拟合直线。 最小二乘法线性度: 以最小二乘法拟合的直线为 拟合直线。 拟合直线
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3）迟滞

输入逐渐增加到某一值, 与输 入逐渐减小到同一输入值时 的输出值不相等, 叫迟滞现象。 迟滞差表示这种不相等的程 度。 其值以满量程的输出 YFS的百分数表示。
H max H 100% YFS
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4）重复性

重复性是指传感器在相同工 作条件下，输入量沿同一方 向变化时，在全量程范围内 连续多次测量，所得到各特 性曲线不一致程度。
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作业与考试
平时作业三 次 考试 问题讨论分 析报告 析报 文献阅读与 综述
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第一章 第 章 检测技术的基础知识
1.1 检测技术的基本概念（名词解释）
1.1.1 1 1 1 测量 以确定量值为目的的一组操作。 是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象， 即对事物作出量化描述，即对非量化实物的量化 过程。
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敏感元件
转换元件
信号调理转换电路
传感器
辅助电源 输出单元自动检测系统Fra bibliotek被测对象
激励信号
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智能检测技术：将人工智能的技术和方法应用 智能检测技术 将人 智能的技术和方法应用
于参数检测的技术。
要点： 有敏感元件 应用了人工智能技术（如人工神经元网络算法、遗 传算法、多信息融合技术等）
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1 1 3 传感器 1.1.3
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列车轴温测量问题
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机械效率检测系统
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发动机性能测试系统
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卷曲机对中检测系统
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带材厚 度检测 带材表 面缺陷 检测
带材速 度检测
板形检 测问题
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课程主要内容安排：
基础知识和基本概念 （李琦） 李琦 测量数据处理 （李维勤） 测量不确定度的评定与表示方法 （李维勤） 温度检测技术 （李琦） 压力检测技术 （李琦） 流量检测技术 （李琦） 物位检测技术 （李琦） 机械量检测技术 （李琦） 视觉检测技术 （李维勤） 多传感器数据融合技术 （李维勤） 软测量技术 （李维勤） 传感器的补偿、标定及抗干扰问题 （李琦）
转换元件
信号调理转换电路
输出
辅助电源
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传感器的数学描述
设测量信号为 信 为x ，传感器输出为 传感 输 为 y , 比例系数为 系数为 k 则有： y=kx (理想状态） 考虑非线性、零位： y=f(x) 设环境因素为N 则：y=( x , N ) 由于环境对输出的影响为：
Δy
f f Δ Δx ΔN N x
H s X s
n
s 2 n s n2
2
式中，ωn为传感器的固有频率， 式中 为传感器的固有频率 ζ为传感器的阻 尼比。 对于初始状态为零的传感器，当输入为单位阶跃 对于初始状态为零的传感器 当输入为单位阶跃 信号时，X(s)=1/s，传感器输出的拉氏变换为 2 n Y ( s ) H ( s )X ( s ) 2 s( s 2 2 n s n )
称为米，单位符号为m。 同量纲的量即使这些量不是同种量，其单位可有相同 的名称和符号。如功、热、能量，单位都是焦尔（J）。 测量单位在我国又称计量单位。
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1 1 2 测量系统 1.1.2


测量系统：用来对被测特性定量测量或定性评价 测量系统 用来对被测特性定量测量或定性评价 的仪器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、 人员 环境和假设的集合 是用来获得测量结果 人员、环境和假设的集合；是用来获得测量结果 的整个过程。 自动检测系统 在物理量的测试中 能自动地按 自动检测系统：在物理量的测试中，能自动地按 照一定的程序选择测量对象，获得测量数据，并 对数据进行分析和处理 最后将结果显示或记录 对数据进行分析和处理，最后将结果显示或记录 下来的系统。
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绪论
从自动驾驶 问题说起
本课程内容
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飞机的自动驾驶：
1914年，美国人斯派雷 制成了电动陀螺稳定装 置，成为了自动驾驶仪 现代 驶 的雏形。现代自动驾驶 仪已广泛应用于飞机， 机载计算机能够确定最 佳飞行路线，包括爬升 和下降等，并对油门和 各控制翼面发出指令。
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船舶的驾驶自动化：
1920年德国最先采用自动操舵仪。 50到60年代由于PID的应用，提 高了自动操舵仪性能。70年代微 处理机的引入，使自适应自动操 舵仪进入了实用阶段。 舵仪进入了实用阶段
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联系方式： 联系方式
办公室：教5-109 电话：13809196675 （李琦） 15291188260 （李维勤） QQ群：传感器与智能检测技术 （217505477） 倡导大家以实名申请加入
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为了将授课内容及作业方便与大家沟通，希望每位上 课同学给我发一个邮件，在主题栏注明：姓名，学号。 不写具体内容。 今后同学也可以通过邮件将自己感兴趣的问题发给我， 共同讨论。 收到邮件后会及时回复大家。 邮件信箱：13809196675@
测量的四个要素 测量的客体即测量对象 计量单位 测量方法 测量的准确度
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量值：用一个数和一个合适的计量单位表示的量。 测 单位 用于表示与其相 较的同种 大小的 测量单位：用于表示与其相比较的同种量大小的 约定定义和采用的特定量。
约定地赋予测量单位以名称和符号。如长度的单位名 约定地赋予测量单位以名称和符号 如长度的单位名
Y(s) H(s)X(s) 1 1 τs 1 s

则一阶传感器的单位阶跃响应为
y( t ) L1 Y ( s ) 1 e t
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由图可见一阶传感器响 应特性为 阶惯性环节， 应特性为一阶惯性环节， 响应曲线不是立即反映 输入的变化，而是按斜 率为1/τ的指数规律上升， 的指数规律上升 最终到达稳态之。 理论上t趋于无穷时传感 器的响应才能达到稳态 值。 一般认为t=（3~4）τ时 传感器的响应已达到稳 态。

H s
Y s k X s s 1
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时间常数τ具有时间的量纲，反映传感器惯性大 具有时间的量纲 反映传感器惯性大 小，k为静态灵敏度。在线性传感器中k为常数， 在进行动态分析时 k只是一个倍数关系，因 在进行动态分析时， 只是一个倍数关系 因 此，为方便起见，在讨论时设k=1。 当传感器的初始状态为零 输入为单位阶跃信 当传感器的初始状态为零、输入为单位阶跃信 号时，X(s)=1/s，传感器输出的拉氏变换为
Rmax R 100% YFS
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5）稳定性

稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持 其性能参数的能力。 理想的情况是, 不管什么时候传感器的灵敏度 等特性参数不随时间变化。 实际上, 随着时间的推移, 大多数传感器的特 性会改变 这是因为传感元件或构成传感器 性会改变。这是因为传感元件或构成传感器 的部件的特性随时间发生变化, 产生的这种变 化现象也叫漂移。 化现象也叫漂移
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1.2.1 传感器静态特性
传感器的静态特性是指被测量的值处于稳 定状态时，系统的输出与输入之间的关系。 灵敏度 、线性度 、迟滞 、重复性 、稳定 性

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1）灵敏度
灵敏度是描述传感器的输出量（一般为电 学量 对输入量 学量）对输入量（一般为非电学量）敏感 般为非电学量 敏感 程度的特性参数。 其定义为: 传感器输出量的变化值与相应 的被测量（输入量）的变化值之比, 用公 式表示为 y
理想的传感器输出与输入呈 线性关系。 线性度定义为: 传感器的输 出—输入校准曲线与理论拟 合直线之间的最大偏差与传 感器满量程输出之比, 称为 该传感器的线性度或称 非 该传感器的线性度或称“非 线性误差”。 通常用相对误 差表示其大小： 表示其大小
Lmax L 100% YFS
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k
x
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1）灵敏度


对于线性传感器，灵敏 度就是传感器静态特性 的斜率 即k=y/x为常 的斜率，即 数，而对于非线性传感 器而言，其灵敏度为一 言 其 度 变量，可用k=dy/dx表 示。 传感器的灵敏度如图所 示。人们一般希望传感 器的灵敏度较高，在量 程范围内为线性。