無(wú)人機(jī)傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件：傳感器認(rèn)知

傳感器認(rèn)知項(xiàng)目描述電物理量的測(cè)量一般使用電工儀表和電子儀器，要求輸入的信號(hào)為電信號(hào)。而非電物理量的測(cè)量則需要將非電物理量轉(zhuǎn)換成與非電物理量有一定關(guān)系的電量，再進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的器件被稱為傳感器。本項(xiàng)目擬通過(guò)傳感器的特性調(diào)研、壓電式傳感器測(cè)量振動(dòng)頻率實(shí)驗(yàn)和測(cè)量數(shù)據(jù)處理實(shí)例等工作任務(wù)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)傳感器、掌握傳感器的基本特性，并培養(yǎng)學(xué)生愛(ài)護(hù)公物、規(guī)范操作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。認(rèn)識(shí)無(wú)人機(jī)上的傳感器一類是飛行控制傳感器，另一類是任務(wù)載荷傳感器。超聲傳感器飛控飛行（懸停、避障等）加速度計(jì)陀螺儀磁羅盤(pán)氣壓高度計(jì)雙目立體深度視覺(jué)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(wù)一

傳感器初識(shí)任務(wù)描述

傳感器是一種檢測(cè)裝置。它能感受到被測(cè)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(hào)或其他所需形式的信息輸出。本任務(wù)旨在通過(guò)對(duì)一般工業(yè)常用傳感器的型式、結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程、特性參數(shù)的調(diào)研來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的初識(shí)。任務(wù)實(shí)施1)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)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(jiàn)的傳感器，并說(shuō)明各傳感器的功能。3)查閱資料，小組總結(jié)匯報(bào)壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、使用場(chǎng)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(hào)、工作原理、量程、使用條件等資料，填寫(xiě)表1-1。知識(shí)鏈接傳感器的物理基礎(chǔ)（1）守恒定律（2）場(chǎng)的定律能量守恒、動(dòng)量守恒、電荷量守恒運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律、電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律等（3）物質(zhì)定律(4）統(tǒng)計(jì)法則例如，壓電晶體物質(zhì)法則--壓電效應(yīng)；半導(dǎo)體物質(zhì)法則—光電效應(yīng)等視覺(jué)聽(tīng)覺(jué)嗅覺(jué)觸覺(jué)味覺(jué)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(zhì)（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、規(guī)律、效應(yīng)等進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與信息轉(zhuǎn)換，并且輸出與輸入嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)的器件或裝置。?廣義：?狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。轉(zhuǎn)換元件指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蛳鄳?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蛳鄳?yīng)被測(cè)量的部分不是所有傳感器都必需包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。傳感器的組成框圖被測(cè)量敏感元件變換元件信號(hào)調(diào)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(cè)信號(hào)和信號(hào)轉(zhuǎn)換①傳感器是測(cè)量裝置，用于完成檢測(cè)任務(wù)④傳感器的輸入量和輸出量有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。②傳感器的輸入量是某一被測(cè)量，可以是物理量、化學(xué)量、生物量等③傳感器的輸出量要便于傳輸、轉(zhuǎn)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(cè)物理量分類基本被測(cè)物理量派生被測(cè)物理量位移線位移長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、平面度角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量角加速度角振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力壓力重力、應(yīng)力、力矩時(shí)間頻率周期、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)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(diǎn)2按傳感器工作原理分類電學(xué)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(xué)式傳感器光電式傳感器電勢(shì)型傳感器電荷型傳感器半導(dǎo)體型傳感器諧振式傳感器電化學(xué)式傳感器3按信號(hào)變換特征分類結(jié)構(gòu)型傳感器物性型傳感器通過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，如電容式傳感器利用敏感元件材料本身屬性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換，如壓電式傳感器4按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)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(jì)陀螺儀磁羅盤(pán)氣壓計(jì)任務(wù)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(wú)人機(jī)傳感器的分類任務(wù)二

傳感器的基本特性認(rèn)知任務(wù)描述

要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化特性并不失真地變換成相應(yīng)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(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。本任務(wù)利用壓電式傳感器測(cè)量物體振動(dòng)頻率實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器功能及其基本特性的認(rèn)知。

傳感器認(rèn)知任務(wù)實(shí)施1)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備檢測(cè)技術(shù)綜合試驗(yàn)臺(tái)，壓電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K，低通濾波器，振動(dòng)臺(tái)，示波器，導(dǎo)線等。2)實(shí)驗(yàn)電路連接。①如圖1-2所示，連接壓電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K和低通濾波器電路。③連接壓電式傳感器，連接振動(dòng)臺(tái)與振蕩器電路。②連接低通濾波器和示波器。④連接試驗(yàn)臺(tái)與壓電傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路。3)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)關(guān)，打開(kāi)示波器開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)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(shí)間而變化,或隨時(shí)間變化很緩慢時(shí)（穩(wěn)態(tài)）,傳感器輸出與輸入之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。y＝f（x）即靜態(tài)特性參數(shù)包括：靈敏度線性度重復(fù)性遲滯分辨率閾值漂移知識(shí)鏈接（一）線性度理想傳感器的輸出量與輸入量之間的關(guān)系應(yīng)是線性的。線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)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(shí)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(gè)有單位的量。例如：一個(gè)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(cè)系統(tǒng)的總靈敏度=該系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度的乘積。例題2：

某測(cè)溫檢測(cè)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(shù)）、0.2cm/V。求：1、該測(cè)溫系統(tǒng)的總靈敏度；

2、若已知記錄儀筆尖位移為8cm時(shí)，求所對(duì)應(yīng)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(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度。（三）重復(fù)性曲線越重合，重復(fù)性越好。遲滯是指?jìng)鞲衅髡蛱匦院头聪蛱匦缘牟灰恢鲁潭?。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(zhì)和機(jī)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(guò)某一范圍時(shí)，輸出值不變化，而當(dāng)輸入量的變化超過(guò)此范圍時(shí)，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(cè)量最小變化的能力。當(dāng)分辨力以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)，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(kāi)始保持為零，直到輸入增長(zhǎng)到某個(gè)最小值后，輸出才發(fā)生變化，把這個(gè)輸入的最小值稱為閾值。可以把閾值看作是傳感器在零點(diǎn)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(shí)間變化的現(xiàn)象。溫度漂移（八）穩(wěn)定性長(zhǎng)期穩(wěn)定性是指在室溫條件下，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來(lái)表征其輸出的穩(wěn)定程度。長(zhǎng)期穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性二、傳感器動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅麟S時(shí)間變化的輸入與輸出之間的響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器,其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律,即具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際上輸出信號(hào)將不會(huì)與輸入信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù),這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。例：動(dòng)態(tài)測(cè)溫設(shè)環(huán)境溫度為T(mén)0,水槽中水的溫度為T(mén),而且T＞T0

傳感器突然插入被測(cè)介質(zhì)中；用熱電偶測(cè)溫,理想情況測(cè)試曲線T是階躍變化的；實(shí)際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個(gè)過(guò)渡過(guò)程1.階躍響應(yīng)特性2.頻率響應(yīng)特性任務(wù)三

測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理方法認(rèn)知

傳感器認(rèn)知任務(wù)描述

測(cè)量的目的是希望通過(guò)測(cè)量而獲得被測(cè)量的真值。但在實(shí)際測(cè)量工作中，受被測(cè)對(duì)象、檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)方法和檢測(cè)人員等各種因素的影響，被測(cè)量的檢測(cè)值與真值之間存在差值，即測(cè)量誤差。為了減小測(cè)量誤差，得到較為精確的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)對(duì)多次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析和處理。本任務(wù)學(xué)習(xí)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方法。測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)步驟任務(wù)實(shí)施一、誤差的表示方法1.絕對(duì)誤差反映測(cè)量值偏離真值的大小。定義絕對(duì)誤差有正、負(fù)之分，且有量綱。修正值與絕對(duì)誤差大小相等、符號(hào)相反實(shí)際測(cè)量值絕對(duì)誤差不能很好地說(shuō)明測(cè)量質(zhì)量的好壞。如，在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，絕對(duì)誤差=1℃，對(duì)鋼水溫度測(cè)量來(lái)說(shuō)是極好的測(cè)量結(jié)果，但體溫測(cè)量是不允許的。知識(shí)鏈接2.相對(duì)誤差測(cè)量所造成的絕對(duì)誤差與被測(cè)量（約定）真值之比乘以100%。定義實(shí)際測(cè)量時(shí)用測(cè)量值x代替真值L則一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)誤差更能反映測(cè)量的可信程度。3.引用誤差又稱滿量程相對(duì)誤差測(cè)量的絕對(duì)誤差與儀表的滿量程值之比，一般也用百分?jǐn)?shù)表示儀表精度等級(jí)是根據(jù)最大引用誤差來(lái)確定的。例如，0.5級(jí)儀表的引用誤差的最大值不超過(guò)±0.5%；1.0級(jí)儀表的引用誤差的最大值不超過(guò)±1%。4.基本誤差指?jìng)鞲衅骰騼x表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)頻率（50±2）Hz、環(huán)境溫度（25±5）℃、濕度（65±5）%的條件下標(biāo)定的。如果傳感器在這個(gè)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(xiàn)的誤差，如溫度附加誤差、頻率附加誤差、電源電壓波動(dòng)附加誤差等。二、誤差的分類1.隨機(jī)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(duì)濕度、氣壓、振動(dòng)、電場(chǎng)，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(cè)量過(guò)程中，一系列有關(guān)因素微小的隨機(jī)波動(dòng)而形成的具有相互抵償性的誤差。形成原因隨機(jī)誤差是指某一測(cè)量值與同一待測(cè)量的無(wú)限多次的測(cè)量值的平均值之差。定義2.系統(tǒng)誤差在相同條件下，對(duì)同一物理量進(jìn)行多次測(cè)量，如果誤差是按一定規(guī)律（如線性、多項(xiàng)式、周期性等函數(shù)規(guī)律）出現(xiàn)的，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。定義JF1001-20