模块一认识传感器与检测技术中

1、机、电类 传感器与检测技术项目教程 多媒体课件 ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 www.sensor- 或 2015年2月第1版 （作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,前言,传感器与检测技术项目教程共10个模块。 模块一是认识传感器与检测技术； 模块二模块十： 按检测对象，从易到难，逐一介绍： “重量检测” 、 “温度检测” 、 “压力检测” 、 “流量检测” 、 “液位检测” 、 “振动检测” 、 “光学检测” 、 “小位移检测” 、 “数字式位移检测” 。 模块二模块十均有“知识链接”、“项目”、“任务”及“知识拓展”的安排。,現在時間是： 10:18,建议教学课时分配表 （各学校可根据专业与具体情况作适当调整）,本模块介绍传感器及检测技术的定义、检测技术涉及的领域、检测系统的组成、检测技术的发展、传感器的组成、基本原理、传感器的特性、制图法求取灵敏度、线性度、滞差等参数的方法。简要介绍了测量误差及处理。,主要内容介绍,今天是：2019年6月21日星期五,项目一、认识检测技术 项目二、认识传感器 项目三、测量方法及测量误差,模块一、认识传感器与检测技术

2、 目录,检测技术的发展趋势,1不断提高检测系统的测量准确度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性。 近年来，人们研制出许多高准确度和宽量程的检测仪器以满足各种需要。人们还对传感器的可靠性和故障率的数学模型进行了大量的研究，使得检测系统的可靠性及寿命大幅度提高。现在，许多检测系统可以在极其恶劣的环境下连续工作数十万小时。,提高测量精度,数字式 电压表及 欧姆表,量程切换到2V时，分辨力可达到10V,提高可靠性,火箭内的仪器必须能承受巨大的加速度和振动。,提高可靠性（续）,设想中的月球基地仪器设备必须能承受巨大的温差和宇宙射线辐射。,2应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,月球车,勇气号火星车,好奇号火星车,“惠更斯”号登陆土卫六时拍摄的照片（距离太阳14.3亿公里）,土卫六的表面 （固态甲烷）,表面温度-180,卵形土卫一表面的大陨石坑。 直径130公里，坑底10公里,“玉兔”号月球车,哈勃天文望远镜（CCD图像传感器） 拍摄的星云照片,哈勃天文望远镜 拍摄的马头座星云照片,毒品检查,指纹识别门禁,指印智能门禁、手机系统,3发展集成化、功能化、智能化 传感器,4采用计算机技术，使检测技术

3、智能化,面部 识别技术,使用模糊（FUZZY）理论计算的电子血压计,振荡法电子血压计是用压力传感器来检测血液流动时血管振动的变化；而传统的柯氏音法血压计是用听诊器听取血液流动时发生的脉冲声。,5发展网络化传感器及及网络化检测系统,网络化传感器,.,项目二、认识传感器,【项目教学目标】 知识目标 1）熟悉传感器的定义及组成。 2）熟悉传感器的特性。 技能目标 1）掌握作图法求取传感器的灵敏度。 2）掌握作图法求取传感器的线性度。,現在時間是： 10:18,一、传感器定义及传感器的组成,传感器的定义（参考GB7665-87）： 传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为换能器、检测器、探头等。,传感器的组成,大部分传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。 例：测量压力的电位器式压力传感器,图1-9 电位器式压力传感器 1弹簧管（敏感元件） 2电位器（传感元件、测量转换电路） 3电刷 4传动机构（齿轮-

4、齿条）,以“电位器式压力传感器”来理解原理框图,图1-10 电位器式压力传感器的原理框图 当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力p值的变化。在这个传感器中，弹簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移。电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量电阻的变化R。当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。在这个例子中，电位器又属于分压比式测量转换电路。,弹性敏感元件（弹簧管）,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,弹簧管将压力转换为角位移,弹簧管放大图,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。,机械式压力传感器的外形及内部结构,被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量。,在右图中， 电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量电阻的变化（R）,360度圆盘形电位器传感器(测量角位移),右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊

5、片接电源。,电源端,滑动臂,接地,二、传感器分类,传感器的种类繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有： ）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。 2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。 3）按传感器输出信号的性质分类：可分为输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器，输出为脉冲或代码的数字型传感器。,三、传感器基本特性,传感器的特性一般指输入/输出特性， 包括：灵敏度、分辨力、分辨率、线性度、迟滞、稳定度、电磁兼容性、可靠性等。,1.灵敏度 ：,灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K 来表示：,灵敏度太高，检测系统的稳定性将降低。,作图法求灵敏度过程,x,y,x1,x,y,0,切点,传感器 特性曲线,xmax,例1-1 有一压力传感器，测量范围为50300kPa，输出特性如图1-12所示，请用作图法求取该压力传感器在输入为250kPa时的灵敏度K250，并比较在输入为70kPa时灵敏度的大小。,图1-12 用作图法求取

6、某压力传感器不同输入点的灵敏度,传感器特性曲线的灵敏度分析,对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。 从输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高。可以通过作该曲线某一点的切线的方法（作图法）求得曲线上任一点的灵敏度 由切线的斜率可以看出，上一页图中x2点的斜率高，灵敏度比x1点高。,2.分辨力 指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。 对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。 一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。 右表的分辨力为多少？,3.分辨率 将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。,右表的满量程为99.9A， 问：该表的分辨力、分辨率为多少？,解：分辨力=0.1A， 分辨率=0.1A99.90.1% 。,4.线性度,线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。 将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟

7、合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好 。线性度的计算公式如下：,线性误差（也称非线性误差）,非线性误差可以直接通过对多点误差的大小来描述。例如：0%时误差为0%，25%时误差为+0.5%，50%时误差为0%，75%时，误差为： -0.5%，100%时误差为0%。,作图法求端基线性度,图1-13 端基线性度作图方法 1端基拟合直线 y=Kx+b 2实际特性曲线,作图法求端基线性度的演示,首先作一根理论直线将仪表输出起始点与满量程点连接起来的直线，称为“端基直线”。,5.迟滞误差,迟滞误差又称为回差或变差，是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度： 式中 Hmax最大迟滞偏差； ymax-ymin量程范围 迟滞会引起重复性和 分辨力变差，测量盲区。 产生迟滞现象的原因： 传感器敏感元件材料的 弹性滞后、运动部件摩擦、 传动机构的间隙、紧固件松动等。,图1-14 迟滞特性,6.稳定性,稳定度：仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力。以仪表的示值变化量和时间的长短之比来表示。 例如，某仪表输出电压值在8h内的

8、最大变化量为1.2mV，则表示该仪表的稳定性为1.2mV/(8h)。 环境影响量：指由外界环境变化而引起的示值变化量： 1.零漂：用于描述仪表（已调零）在受外界环境影响后，输出不再等于零，而有一定的漂移。 2.温度稳定性：又称为温度漂移，指传感器在外界温度下输出量发生的变化。用温度每变化1引起的绝对误差或相对误差表示，又称为温度误差系数。,7.可靠性,反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。包括： （1）故障平均间隔时间（MTBF） 指两次故障间隔的平均时间。 （2）平均修复时间（MTTR） 指排除故障所花费的平均时间。 （3）故障率或失效率（） 指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后，单位时间内发生失效的概率。,可靠性,反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。包括： 故障平均间隔时间、平均修复时间、故障率或失效率等。,初期失效期,开始阶段故障率很高，失效的可能性很大。但随着使用时间的增加而迅速降低。故障原因主要是设计或制造上有缺陷，所以应尽量在使用前期予以暴露，并消除之。有时为了加速渡过这一危险期，在检测系统通电的情况下，将之放置于高温环境低温环境高温环境反复循环，称为“老化”试验。 a）小型盐雾试验箱 b）高低温循环老化室,例1-2 某传感器电路由表1-2所列元器件组成，若不考虑结构、装配等其它因索，只考虑元器件的失效，求：该传感器电路总的故障率。 表1-2 某传感器电路的元器件故障率,解 该传感器电路总的故障率由所组成的元器件故障率累加得到,休 息 一 下,拓展阅读网络资料列表网址：http:/,2019年6月21日星期五,現在時間是： 10:18 休息一下！,

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