無人機傳感器與檢測技術課件：傳感器認知

傳感器認知項目描述電物理量的測量一般使用電工儀表和電子儀器，要求輸入的信號為電信號。而非電物理量的測量則需要將非電物理量轉換成與非電物理量有一定關系的電量，再進行測量，實現這種技術的器件被稱為傳感器。本項目擬通過傳感器的特性調研、壓電式傳感器測量振動頻率實驗和測量數據處理實例等工作任務，讓學生認識傳感器、掌握傳感器的基本特性，并培養(yǎng)學生愛護公物、規(guī)范操作、團隊協(xié)作意識。認識無人機上的傳感器一類是飛行控制傳感器，另一類是任務載荷傳感器。超聲傳感器飛控飛行（懸停、避障等）加速度計陀螺儀磁羅盤氣壓高度計雙目立體深度視覺傳感器圖像傳感器大疆

御MavicAir2上的傳感器大疆PHANTOM4A上的傳感器大疆PHANTOM4Pro上的紅外線傳感器任務一

傳感器初識任務描述

傳感器是一種檢測裝置。它能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。本任務旨在通過對一般工業(yè)常用傳感器的型式、結構、工作過程、特性參數的調研來實現傳感器的初識。任務實施1)實驗室準備壓電式傳感器、電阻式傳感器、電容式傳感器等常用傳感器。2)列舉生活中常見的傳感器，并說明各傳感器的功能。3)查閱資料，小組總結匯報壓電式傳感器的結構、工作原理、使用場合等。4)查閱資料，收集常用電阻式傳感器和電容式傳感器的型號、工作原理、量程、使用條件等資料，填寫表1-1。知識鏈接傳感器的物理基礎（1）守恒定律（2）場的定律能量守恒、動量守恒、電荷量守恒運動場的運動定律、電磁場的感應定律等（3）物質定律(4）統(tǒng)計法則例如，壓電晶體物質法則--壓電效應；半導體物質法則—光電效應等視覺聽覺嗅覺觸覺味覺大腦肌體圖像傳感器壓力傳感器氣體傳感器離子傳感器溫度傳感器一、傳感器的定義凡是利用一定的物質（物理、化學、生物）法則、定理、規(guī)律、效應等進行能量轉換與信息轉換，并且輸出與輸入嚴格一一對應的器件或裝置。?廣義：?狹義：能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。轉換元件指傳感器中能將敏感元件感受或相應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。敏感元件是指傳感器中能直接感受或相應被測量的部分不是所有傳感器都必需包括敏感元件和轉換元件。傳感器的組成框圖被測量敏感元件變換元件信號調理電路非電量電物理量電參量輔助電源傳感器的基本功能是檢測信號和信號轉換①傳感器是測量裝置，用于完成檢測任務④傳感器的輸入量和輸出量有一定的對應關系，且應有一定的精確度。②傳感器的輸入量是某一被測量，可以是物理量、化學量、生物量等③傳感器的輸出量要便于傳輸、轉換、處理和顯示等，可以是氣、光、電物理量等；繁多二、傳感器的分類1按被測物理量分類基本被測物理量派生被測物理量位移線位移長度、厚度、應變、振動、磨損、平面度角位移旋轉角、偏轉角、角振動速度線速度速度、振動、流量、動量角速度轉速、角振動加速度線加速度振動、沖擊、質量角加速度角振動、轉矩、轉動慣量力壓力重力、應力、力矩時間頻率周期、計數、統(tǒng)計分布溫度熱容、氣體速度、渦流光光通量與密度、光譜分布濕度水氣、水分、露點2按傳感器工作原理分類電學式傳感器電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器磁電式傳感器電渦流式傳感器磁學式傳感器光電式傳感器電勢型傳感器電荷型傳感器半導體型傳感器諧振式傳感器電化學式傳感器3按信號變換特征分類結構型傳感器物性型傳感器通過傳感器結構參數的變化來實現信號的轉換，如電容式傳感器利用敏感元件材料本身屬性的變化來實現信號的變換，如壓電式傳感器4按能量關系分類能量轉換型傳感器能量控制型傳感器飛控系統(tǒng)中的傳感器加速度計陀螺儀磁羅盤氣壓計任務載荷傳感器超聲波傳感器紅外傳感器圖像傳感器氣體傳感器濕度傳感器……三、無人機傳感器的分類任務二

傳感器的基本特性認知任務描述

要對各種各樣的參數進行檢測和控制，要求傳感器能感受被測非電量的變化特性并不失真地變換成相應的電量，這取決于傳感器的輸入-輸出特性，而傳感器的輸入-輸出特性可用靜態(tài)熱性和動態(tài)特性來描述。本任務利用壓電式傳感器測量物體振動頻率實驗來實現對傳感器功能及其基本特性的認知。

傳感器認知任務實施1)實驗室準備檢測技術綜合試驗臺，壓電傳感器實驗模塊，低通濾波器，振動臺，示波器，導線等。2)實驗電路連接。①如圖1-2所示，連接壓電傳感器實驗模塊和低通濾波器電路。③連接壓電式傳感器，連接振動臺與振蕩器電路。②連接低通濾波器和示波器。④連接試驗臺與壓電傳感器實驗模塊電路。3)開始實驗。打開試驗臺開關，打開示波器開關，旋轉試驗臺上的低頻振蕩器旋鈕。4)旋大低頻振蕩器旋鈕，傳感器輸出波形如圖所示。一、傳感器靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指輸入量不隨時間而變化,或隨時間變化很緩慢時（穩(wěn)態(tài)）,傳感器輸出與輸入之間的對應關系。y＝f（x）即靜態(tài)特性參數包括：靈敏度線性度重復性遲滯分辨率閾值漂移知識鏈接（一）線性度理想傳感器的輸出量與輸入量之間的關系應是線性的。線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差。例題1：某一傳感器，其實際輸出輸入曲線與擬合直線的最大偏差為ΔLmax＝４℃，而理論滿量程范圍為（－４０～１２０）℃，求該傳感器的線性度？解：yyxKOOxK靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。（二）靈敏度非線性傳感器線性傳感器Sn越大，傳感器越靈敏。K不變K變化靈敏度是個有單位的量。例如：一個溫度傳感器輸出為電壓值，則該溫度傳感器的溫度靈敏度為mv／℃，表示一攝氏度引起多少電壓輸出。傳感器或傳感檢測系統(tǒng)的總靈敏度=該系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)靈敏度的乘積。例題2：

某測溫檢測系統(tǒng)，由熱電阻溫度傳感器、電橋、放大器、記錄儀組成，各部分靈敏度分別為：0.4?/℃、0.02V/?、100（放大倍數）、0.2cm/V。求：1、該測溫系統(tǒng)的總靈敏度；

2、若已知記錄儀筆尖位移為8cm時，求所對應的溫度變化值。解：1、Sn=K1×K2×K3×K4=0.4×0.02×100×0.2=0.16Cm/℃2、Sn=8cm/△T=0.16∴△T=50℃重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度。（三）重復性曲線越重合，重復性越好。遲滯是指傳感器正向特性和反向特性的不一致程度。yxymaxy0xmax不靈敏區(qū)（死區(qū)）ΔHmaxO正向反向（四）遲滯主要是由感器敏感元件材料的物理性質和機械零部件的缺陷造成。若輸入量緩慢變化且其變化值未超過某一范圍時，輸出值不變化，而當輸入量的變化超過此范圍時，輸出值發(fā)生變化，輸入量的變化范圍即為分辨力。（五）分辨力分辨力是描述傳感器可以感受到的被測量最小變化的能力。當分辨力以滿量程輸出的百分數表示時，則稱為分辨率。（六）閾值如果傳感器的輸入從零逐漸增加，其輸出一開始保持為零，直到輸入增長到某個最小值后，輸出才發(fā)生變化，把這個輸入的最小值稱為閾值?？梢园验撝悼醋魇莻鞲衅髟诹泓c附近的分辨率。（七）漂移漂移是指輸入量不變的情況下，輸出量卻隨時間變化的現象。溫度漂移（八）穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性是指在室溫條件下，經過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征其輸出的穩(wěn)定程度。長期穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性二、傳感器動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器隨時間變化的輸入與輸出之間的響應特性。一個動態(tài)特性好的傳感器,其輸出將再現輸入量的變化規(guī)律,即具有相同的時間函數。實際上輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數,這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。例：動態(tài)測溫設環(huán)境溫度為T0,水槽中水的溫度為T,而且T＞T0

傳感器突然插入被測介質中；用熱電偶測溫,理想情況測試曲線T是階躍變化的；實際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個過渡過程1.階躍響應特性2.頻率響應特性任務三

測量誤差與數據處理方法認知

傳感器認知任務描述

測量的目的是希望通過測量而獲得被測量的真值。但在實際測量工作中，受被測對象、檢測系統(tǒng)、檢測方法和檢測人員等各種因素的影響，被測量的檢測值與真值之間存在差值，即測量誤差。為了減小測量誤差，得到較為精確的測量結果，應對多次測量結果進行分析和處理。本任務學習測量數據的處理方法。測量結果的數據步驟任務實施一、誤差的表示方法1.絕對誤差反映測量值偏離真值的大小。定義絕對誤差有正、負之分，且有量綱。修正值與絕對誤差大小相等、符號相反實際測量值絕對誤差不能很好地說明測量質量的好壞。如，在進行溫度測量時，絕對誤差=1℃，對鋼水溫度測量來說是極好的測量結果，但體溫測量是不允許的。知識鏈接2.相對誤差測量所造成的絕對誤差與被測量（約定）真值之比乘以100%。定義實際測量時用測量值x代替真值L則一般來說，相對誤差更能反映測量的可信程度。3.引用誤差又稱滿量程相對誤差測量的絕對誤差與儀表的滿量程值之比，一般也用百分數表示儀表精度等級是根據最大引用誤差來確定的。例如，0.5級儀表的引用誤差的最大值不超過±0.5%；1.0級儀表的引用誤差的最大值不超過±1%。4.基本誤差指傳感器或儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差。例如，某傳感器是在電源電壓（250±5）V、電網頻率（50±2）Hz、環(huán)境溫度（25±5）℃、濕度（65±5）%的條件下標定的。如果傳感器在這個條件下工作，則傳感器所具有的誤差為基本誤差。5.附加誤差指在傳感器或儀表的使用條件偏離額定條件下出現的誤差，如溫度附加誤差、頻率附加誤差、電源電壓波動附加誤差等。二、誤差的分類1.隨機誤差，也稱為偶然誤差和不定誤差引起原因環(huán)境溫度、相對濕度、氣壓、振動、電場，分析人員操作的微小差異以及儀器的不穩(wěn)定等是由于在測量過程中，一系列有關因素微小的隨機波動而形成的具有相互抵償性的誤差。形成原因隨機誤差是指某一測量值與同一待測量的無限多次的測量值的平均值之差。定義2.系統(tǒng)誤差在相同條件下，對同一物理量進行多次測量，如果誤差是按一定規(guī)律（如線性、多項式、周期性等函數規(guī)律）出現的，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。定義JF1001-20