传感器与检测技术第十一讲1
第十一章智能测量技术及其应用
11.3.2 现场总线协议 1.物理层 2.数据链路层 3.应用层
1.物理层
在物理层采用基于Bell 202通信标准的频移键控FSK技术。 在现有的4~20mA模拟信号上叠加FSK数字信号，以1200Hz的 信号表示逻辑1，以2200Hz的信号表示逻辑0，通信速率为1200 bps，单台设备的最大通信距离为3000m，多台设备互连的最大 通信距离为1500m，通信介质为双绞线，最大节点数为15个。
温度、噪声以及漂移等进行处理和误差补偿。
3)智能化 传感器的智能化表现在：①具有自诊断、自校准功能，可在接通 电源时进行开机自检，可在工作中进行自检，并可实时自行诊断测试以确定
哪一组件有故障，提高了工作可靠性；②具有自适应、自调整功能，可根据
待测物理量的数值大小及变化情况自动选择测量量程和测量方式，提高了测 量的适用性；③具有记忆、存储功能，可进行测量数据的随时存取，加快了 信息的处理速度；④具有组态功能，可实现多传感器、多参数的复合测量， 扩大了测量与使用范围；⑤可通过改变程序或采用可编程的方法增减传感器 功能和规模来适应不同环境和对象，甚至达到改变传感器性质的目的。
要由传感器、相应信号处理电路、转换器、输入输出I/O接口等几部分组成。
(3)人机联系部件 人机联系部件的作用是沟通操作人员和传感器之间的联系， 主要由传感器面板中的键盘、显示器等组成。
(4)标准通信接口 标准通信接口用于实现智能传感器与通用型计算机的联系，
使传感器可以接受计算机的程控指令，较易构成多级分布式自动测控系统(集 散控制系统)。
11.3.2 现场总线协议
第11章 11.3.3 现场总线仪表应用的特点 11.4 虚拟仪表和软测量技术简介
11.1 概述 11.1.1 微型化 11.1.2 智能化 11.1.3 多功能化
电子传感器课程标准
《传感器技术及应用》课程标准课程编码：课程类别：主干专业基础课程适用专业：应用电子技术授课单位：应用电子技术教研室学时：52学时编写执笔人及编写日期：学分：审定负责人及审定日期：1、课程定位和课程设计1. 1课程性质与作用课程是应用电子技术专业的专业基础课程，本课程主要研究各类传感器的机理、结构、测量电路和应用方法，主要包括常用传感器、近代新型传感技术及信号调理电路等。
是学科整合课程。
“传感器技术及应用”是应用电子技术专业的一门主干专业基础课程，狭义讲，传感器是将各种非电量（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电量的器件或装置。
是非电量电测法的桥梁和纽带，在当今信息时代中，随着自动测控系统的发展，对传感技术的依赖程度愈来愈大，没有传感器也就没有现代化的自动检测和控制系统。
前导课程：《电工学》、《数字电子技术》、《模拟电子技术》、《高频电子线路》等后继课程：《电子测量技术》、《智能仪器》等1.2课程设计思路本课程组教师与行业、企业专家密切合作，在大量征求周边行业、企业专家意见的基础上，以企业需求和学生就业为导向，确定该课程的内容。
以专业能力、方法能力、社会能力的培养为重点，充分体现教学内容的职业性能。
2、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下教学目标：知识目标:⑴掌握测量及误差等理论知识⑵掌握常用传感器的基本工作原理、性能特点及使用方法⑶掌握常用的信号处理方法及智能仪表典型信号处理方法⑷了解抗干扰方面的基本知识⑸了解检测技术的新发展能力目标：⑴能够根据检测要求，合理的选用传感器及信号调理电路，⑵能对电子设备中的传感器进行调试和维护素质目标:⑴具有自主学习及自学能力⑵具有强烈的事业心和严谨的工作作风⑶善于与人交流合作3、课程内容与教学要求课程内容按照每次课的时间来考虑，分为19个单元，每个单元2个学时。
第一单元传感器概述（一）教学内容传感器的定义、组成及分类、敏感元件、传感元件，转换电路，自动检测系统组成、应用领域和发展趋势。
传感器与检测技术课程标准
《传感器与检测技术》课程原则课程编码：01060404 课程类别：专业理论课程课时：68 ` 学分：6合用专业：电气自动化技术开课学期：第三学期开课单位：信息工程学院撰写人：电气自动化教研室一、课程定位和设计思绪（一）课程定位《传感器与检测技术》是电子类各专业一门重要旳职业技术必修课，学生通过本大纲所规定旳所有教学内容旳学习，可以获得误差理论、传感器、自动检测工程应用方面旳基本知识。
（二）设计思绪1、按岗位所需能力设定培养目旳2、按课程培养目旳安排理论教学二、课程目旳（一）课程总目旳作为是电子类各专业一门重要旳职业技术必修书本，课程《传感器与检测技术》旳任务是简介传感器与检测技术综合应用，培养学生旳综合技术应用能力，使学生掌握检测系统旳设计和分析措施，可以根据工程需要选用合适旳传感器，使学生走上工作岗位后能更好地提高研发、系统构成等方面旳能力。
（二）详细目旳根据对教材内容、教学大纲及学生自身认知水平旳分析，教学目旳从知识目旳、能力目旳和素质目旳三个方面来分析。
1、知识目旳①掌握传感器旳基本概念、特性等；②理解传感器旳分类；③掌握传感器与检测技术旳目旳和意义。
2、能力目旳①掌握检测系统旳设计和分析措施，可以根据工程需要选用合适旳传感器；②理解各类别传感器旳工作原理，掌握其性能特点，理解其应用；③良好旳编程思绪和风格。
3、素质目旳①具有综合技术应用能力；②培养严谨踏实旳作风，训练自己旳逻辑思维；③锻炼自己分析问题、处理问题旳能力。
三、课程内容、规定及课时安排（一）课程内容及规定（二）课程课时安排四、实行提议（一）选用教材宋雪臣.《传感器与检测技术》. 人民邮电出版社（二）教学措施贯彻“以学生为中心”旳教学理念，采用课堂教学、多媒体教学、案例导入、任务驱动、讲练结合和分组讨论旳教学措施（三）教学评价1．教学是足于加强学生实际操作能力旳培养，采用项目教学，以工作任务引领提高学生学习爱好，激发学生旳成就动机。
任务十一 加速踏板位置传感器检测与维修(教案)-《新能源汽车整车控制技术》
任务十一加速踏板位置传感器检测与维修一、教学目标（一）知识目标1.能通过与客户交流和查阅相关维修技术资料获取车辆信息。
2.能独立制订工作计划并按计划实施。
3.能够正确的说明加速踏板位置传感器结构、位置、工作原理。
4.能够拆画加速踏板位置传感器的电路图。
5.能够对加速踏板位置传感器检测、拆装。
（二）能力目标将系统复杂的知识图表化——对知识进行加工提炼，绘制图表，便于理解、记忆和复习，提高自学能力。
（三）素质目标1.在学习和检修过程中，遵守汽车维修安全操作规程，并养成7S现场管理的工作习惯。
2.能与小组成员顺畅沟通、通力协作，共同完成任务。
3.能客观进行自评、互评，具备接受他人的评价的承受力。
二、教学重难点加速踏板位置传感器结构、位置、工作原理，拆画加速踏板位置传感器的电路图，加速踏板位置传感器检测、拆装。
三、教学内容复习前课：旋钮式电子换挡操纵机构的工作原理？旋钮式电子操纵机构的电路图？新课讲授：一、加速踏板传感器定义加速踏板传感器是用来测量加速踏板位置的传感器。
在车辆行驶过程中，驾驶员踩下加速踏板的速率信号和位移信号被转换为模拟量信号传递给VCU，VCU通过计算后再将控制信息传输给电机控制器，电机控制器据此对电机进行控制，加速踏板信号是电机控制器的重要输入信号。
二、加速踏板传感器分类加速踏板传感器主要分为：电位计式、感应式和霍尔式三类。
其中电位计式是接触式，感应式和霍尔式是非接触式。
常见的加速踏板传感器主要是电位计式和霍尔式。
电位计式传感器采用可变电阻分压原理；霍尔式传感器采用霍尔效应原理，输出的是线性信号，无接触、无磨损且工作可靠。
三、霍尔式加速踏板传感器1.工作原理车辆启动后，驾驶员踩踏加速踏板，带动与加速踏板相连的永久磁铁一起旋转，磁铁与霍尔元件之间的相对位置发生改变，进而改变了磁力线射入霍尔元件的角度，也就改变了霍尔元件输出的电压值。
霍尔元件输出的电压值与磁铁位置呈一一对应的线性关系，测量此霍尔电压就可以测得加速踏板的角位移。
现代检测理论与技术网课题目和答案
第一讲：1、传感器是一种将特定的被测信号按照一定的规律转换为可用输出信号的装置，它主要由敏感元件和转换元件组成。
2、基本型现代检测系统一般包括传感器、信号处理、数据采集、计算机、输出显示等五部分。
3、传感器技术发展趋势及重点研究开发主要体现在高精确度、小型化、集成化、多功能化、智能化等方面。
4、检测技术的发展主要体现在①不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性②传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展③重视非接触式检测技术研究④检测系统智能化等方面。
5、一个完整的检测过程包括信息数据采集、信号处理、信号传输、信号记录、信号显示等方面。
6、现代检测系统的基本结构大致可分为智能仪器、个人仪器和自动测试系统等三类。
7、传感器按能量关系可分为能量变换型和能量控制型两类。
8、传感器按输出量可分为模拟式和数字式两类。
9、智能传感器一般具有①自校零、自标定、自矫正②自动补偿③自动采集数据。
并对数据进行预处理④自动进行检测、自选量程、自寻故障⑤数据存储、记忆与信息处理功能⑥双向通讯、标准化数字输出或符号输出等功能。
第二讲：1．仪表的精度等级是指仪表的（）A．绝对误差B．最大误差 C．相对误差 D．最大引用误差2.属于传感器动态特性指标的是( )A.重复性B.线性度C.灵敏度D.固有频率3.按照分类，阈值指标属于( )A.灵敏度B.静态指标C.过载能力D.量程4.与价格成反比的指标是( )A.可靠性B.经济性C.精度D.灵敏度5.属于传感器静态指标的是( )A.固有频率B.临界频率C.阻尼比D.重复性6. 属于传感器动态特性指标的是( )A.量程B.过冲量C.稳定性D.线性度7.传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的( )A.线性度越好B.迟滞越小C.重复性越好D.灵敏度越高8.传感器的灵敏度越高，表示传感器( )A.线性度越好B.能感知的输入变化量越小C.重复性越好D.迟滞越小9.传感器的标定是在明确传感器的输入与输出关系的前提下，利用某种( )对传感器进行标定。
11第十一讲 信息融合与目标跟踪课件 航迹管理
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9.2 航迹管理
前提： 1、局部传感器的点迹与航迹完成关联； 2、点迹与航迹间的一对一关系已经完全确定。
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航迹管理的主要内容
1)已有起始标志的航迹转换为确认航迹；
2)可能由干扰等产生的虚假航迹应予以撤消； 3)点迹在本周期未被录用，而自动变成下一周 期的自由点迹；
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4)航迹头变成了起始航迹；
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集中式融合系统的数据处理
每个传感器有自己的数据处理系统，形成局部 航迹； 各传感器的局部航迹并没有被利用，而直接将 每个传感器的点迹送给融合节点，即融合中心，在 融合中心进行点迹与航迹的融合。
3
主要缺点
需要传送大量的点迹和缺乏鲁棒性；
点迹变化范围很宽（非同质传感器的数据），同 一时间进行处理比较复杂，在融合中心不能得到 可靠的点迹；
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常用方法
1、经验法 2、逻辑法 3、纯数学法 4、直觉法 5、记分法
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一、逻辑法
处理的主要内容： 1、航迹头 2、航迹起始 3、航迹确认 4、航迹保持 5、航迹撤销
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1、航迹头
定义：每条航迹的第一个点迹。
出现类型： 1）通常出现在远距离范围内，除非传感器开始 工作时目标就出现在近距离范围内。
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基本概念
局部航迹：多传感器融合系统中，每个传感器的 跟踪器所给出的航迹。 系统航迹：航迹融合系统将各个局部航迹融合后 形成的航迹。 局部航迹与系统航迹融合后形成的航迹仍称为系 统航迹。
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航迹融合
航迹融合实际上是传感器的状态估计融合，包括 局部传感器与局部传感器状态估计的融合和局部 传感器与全局传感器状态估计的融合。 由于公共过程噪声的原因，在应用状态估计融合 系统中，来自不同传感器的航迹估计误差未必是 独立。
第十一讲 LonWorks技术和LON总线
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4.3 LonWorks技术
4.3.1 建立平台 4.3.2 神经元芯片 4.3.3 神经元芯片应用程序 4.3.4 收发器 4.3.5 LonWorks节点 4.3.6 路由器 4.3.7 开发工具 4.3.8 LNS技术
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4.1 LonWorks技术概述（6）
IFSF－国际加油站标准论坛（International Forecourt Standards Forum）（领域：加油站） SEMI－半导体设备与材料学会（Semiconductor Equipment and Materials Incorporated）（领 域：半导体生产设备） 将Internet带入生活 i.LON 1000 Internet服务器能够使公司的计划和数 据系统实时收到内臵于楼宇和工厂中的设备发来的信 息。
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4.2 LonTalk通信协议
4.2.1 协议定义 4.2.2 LonTalk MAC子层 4.2.3 LonTalk 协议寻址 4.2.4 LonTalk 网络变量 4.2.5 LonTalk 协议的报文类型 4.2.6 LonTalk 信道类型 4.2.7 LonTalk 特征和优点 4.2.8 LonTalk 标准
为了有效解决这些问题，开始建立一个完整 平台来设计、建造和安装智能控制设备。
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LonWorks提供除应用以外的一切
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4.3.2 神经元芯片——概述（1）
为了经济、标准化布臵，埃施朗设计了神经元芯片。 对开发者和集成商而言，神经元芯片的优势在于它的 完整性。 内嵌的通信协议和处理器避免了在这些方面的任何开 发和编程。神经元芯片提供了ISO/OSI参考模型的前 6层，只有应用层需要编程和配臵。这使得标准化的 实现和开发、配臵变得更容易。 大部分LonWorks装臵利用神经元芯片的功能，并将 其用作控制处理器。
第十一章-微弱信号检测技术
锁相放大器的工作过程
I 随时间缓变的信号
经过调制
λ(t)
I
信号恢复
输出信号 （与信号幅度成 λ(t) 正比，与相对相 位有关）
ωm
送入锁相放大器
信号输入
Lock-in
参考信号
ωm
互相关函数
两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特
性可以用互相关函数来表达：
lim R12 ( ) T
1 2T
模拟锁相放大器
数字锁相放大器
锁相放大器
2. 锁定放大器抑制噪声的基本出发点
( 1 )用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处,再进行放 大, 以避开1/f 噪声的不利影响； ( 2 )利用相关器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声
与信号同频又同相的概率很小； （3）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，
1.锁相放大器概述
自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的 后，微弱信号检测技术得到了突破性的发展。后来又出现了模拟锁相放 大器(ALIA) 和数字锁相放大器(DLIA) 。对于数字锁相放大器而言，又 出现基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA 。还有基于PC的系统级 模块化DLIA ，这种锁相的算法是采用C，C++等语言实现的。由于整个 系统运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。
通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪 声。
把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性， 可以减少或消除。
锁相放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境 中检测弱信号。
通常干扰是可以减少或消除的外部扰动，而由于材料 或器件的物理原因产生的噪声则很难消除。
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2020/5/21
静态磁头一般用两个磁头，两个磁头间距为nW/4，其
中n为正整数，W为磁信号节距，也就是两个磁头布置成 相位差90°关系。其信号处理方式可分为鉴幅方式和鉴相 方式两种。
2020/5/21
磁栅传感器的结构和工作原理
❖组成 ❖测量原理 ❖磁栅结构、原理、对磁栅的要求 ❖磁头结构、原理、种类
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组成：
磁栅式传感器主要由磁栅、磁头和检测电路 组成。
测量原理:
磁栅上录有等间距的磁信号，它是利用磁带录 音的原理将等节距的周期变化的电信号(正弦波或 矩形波)用录磁的方法记录在磁性尺子或圆盘上而 制成的。
静态磁头
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动态磁头
动态磁头为非调制式磁头，又称速度响应 式磁头
它只有一组线圈
静止时就没有信 号输出。因此它不 适合用于长度测量
1—磁头；2—磁栅；3—输出波形
2020/5/21 动态磁头的工作原理
静态磁头
静态磁头是调制式磁头，又称磁通响应式磁头。
它与动态磁头的根本不同之处在于，在磁头
• 对磁尺表面要求长磁栅平直度为（0.005～ 0.01）mm/m，圆磁栅的不圆度为0.005～ 0.01mm，表面粗糙度要小。
• 要求所录磁信号幅度均匀，幅度变化小于10% ，节距均匀，满足一定精度要求。
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几种常见磁栅的结构
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（二）磁头
磁栅上的磁信号由读取磁头读出，按读取 信号方式的不同，磁头可分为 动态磁头
影响细分误差的主要因素有：①由于磁膜不均 匀或录磁过程不完善造成磁栅上信号幅度不相等； ②两个磁头间距偏离1/4节距较远；③两个磁头参 数不对称引起的误差；④磁场高次谐波分量和感 应电动势高次谐波分量的影响。
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应用： 鉴相型磁栅数字式位移显示装置（简称为磁栅数显表）：
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U0Umsin 2W xsi2 nt
x U m —— 幅值系数； ——磁头与磁栅的相对位移；
W ——磁栅的节距；
——激励磁信号的角频率
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磁栅传感器的数字测量原理：
根据磁栅和磁头相对移动读出磁栅上的信号的 不同，所采用的信号处理方式也不同。
动态磁头只有一组绕组，其输出信号为正弦波，信号的处理
磁栅传感器的特点： ①录制方便，成本低廉。当发现所录磁栅不合
适时可抹去重录； ②使用方便，可在仪器或机床上安装后再录制
磁栅，因而可避免安装误差； ③可方便地录制任意节距的磁栅。例如检查蜗
杆时希望基准量中含有π因子，可在节距中考虑。
2020/5/21
磁栅传感器的误差也包括零位误差与细分误差两 项：
影响零位误差的主要因素有：①磁栅的节距误 差；②磁栅的安装与变形误差；③磁栅剩磁变化 所引起的零位漂移；④外界电磁场干扰等。
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鉴幅法
若两磁头的激励磁绕组加上同相的正弦激励磁信
号，则两磁头的输出信号为：
U1Umsin 2W xsi2 nt
U2Umco2W sxsi2 nt
经滤除高频载波后，得到与位移量 x成比例的信号为：
U1' Umsin2Wx
U2'
2x Umc
若两磁头的激励磁绕组上施加相位差为/4的正弦激励信号， 或将输出信号移相/2，则两磁头输出信号变为：
装有磁栅传感器的仪器或装置工作时，磁头相 对于磁栅有一定的相对位置，在这个过程中，磁头 把磁栅上的磁信号读出来，这样就把被测位置或位 移转202换0/5/21 成电信号。
（一）磁栅
磁栅结构如图所示，磁栅基体1是用不导磁材 料做成的，上面镀一层均匀的磁性薄膜2，经过录 磁，其磁信号排列情况如图中所示，要求录磁信 号幅度均匀，幅度变化应小于10％，节距均匀。 目前长磁栅常用的磁信号节距一般为0.05mm和 0.02mm两种，圆磁栅的角节距一般为几分至几十 分。
U1Umsin 2W xco2 st
U2Umco2W sxsi2 nt
将两个磁头的输出用求和电路相加，则获得总输出为：
UU 1U2U msin 2 x2t
结论：输出信号的幅值不变，但相位与磁头、磁栅相对 位移量χ有关。
2020/5/21
磁栅传感器的优缺点及使用范围与感应同步 器相似，其精度略低于感应同步器。
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具体使用时对磁栅还有如下的要求：
• 磁栅的基尺（磁尺）要求不导磁，线膨胀系数 应与仪器或机床的相应部分相近似。由于在基 尺上要镀一层磁性薄膜，所以要求基尺有良好 的加工和电镀性能。
• 为了使磁尺上录的磁信号能长时期保存，并希 望产生较大的输出信号，要求磁性薄膜剩磁感 应要大，矫顽力要高，电镀要均匀，目前常用 Ni-Co-P合金。
与磁栅之间没有相对运动的情况下也有信号输
出。
铁心的磁阻很大，磁 栅上的信号磁通不能通过 磁头，因而输出绕组无感 应电势输出。只有当激励 磁信号两次过零时，铁心 不饱和，磁栅上的信号磁 通才能通过输出绕组的铁 心而产生感应电势。
2020/5/21
静态磁头的工作原理
1—磁头；2—磁栅；3—输出波形
静态磁头的磁栅是利用它的漏磁通变化来产生 感应电动势的。静态磁头输出信号的频率为励磁电 源频率的两倍，其幅值则与磁栅与磁头之间的相对 位移成正弦（或余弦）关系。