傳感器技術(shù)及應(yīng)用高職層次

1、書名：傳感器技術(shù)及應(yīng)用ISBN： 978-7-111-42947-0作者：出版社：機械工業(yè)出版社本書配有電子課件1傳感器技術(shù)及應(yīng)用陳文濤 主編2第一章 檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識 第一節(jié) 傳感器的基本知識一.傳感器的定義二.傳感器的組成三.傳感器分類四.傳感器技術(shù)的發(fā)展方向五.傳感器的基本特性3一.傳感器的定義傳感器是一種以一定的精確度能夠感受規(guī)定的被測量信息同時又能夠?qū)⒏惺艿降谋粶y量信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量器件或裝置。 傳感器的基本功能是將非電量轉(zhuǎn)化成電量進行輸出的裝置。 傳感器又稱為變換器、換能器、變送器、發(fā)送器與探測器等。 4二.傳感器的組成傳感器的

2、組成5敏感元件是直接感受被測量，并且將感受到的被測量轉(zhuǎn)換為與被測量有確定關(guān)系的某一物理量的元件。 轉(zhuǎn)換元件的作用就是將敏感元件送出的非電量轉(zhuǎn)化成適合于傳輸或測量的電信號。由于傳感器輸出信號一般都很微弱，因此傳感器在除敏感元件，轉(zhuǎn)換元件兩大組成部分之外，還必須加入信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路將輸出的信號進行調(diào)理與轉(zhuǎn)換、放大、運算與調(diào)制之后才能進行顯示和參與控制 。傳感器的各個組成部分可以集成在同一芯片上構(gòu)成傳感器模塊和集成電路傳感器 。6三.傳感器分類 按被測參數(shù)分類 機械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振動、噪聲 熱工量：溫度、熱量、流量、風(fēng)速、壓力、液位 物性參數(shù)：濃度、粘度、比重、酸堿度 狀態(tài)

3、參量：裂紋、缺陷、泄露、磨損、表面質(zhì)量7按傳感器的工作原理分類 按傳感器的工作原理可分為按應(yīng)變原理工作式、按電容原理工作式、按壓電原理工作式、按磁電原理工作式、按光電效應(yīng)原理工作式等，相應(yīng)的有應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等。 8按信號變換特性分類 結(jié)構(gòu)型：主要通過傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實現(xiàn)信號變換的。 物性型：利用敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換。9按能量關(guān)系分類 能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作。例如熱電偶、光電池等，這種類型傳感器也稱為有源傳感器。 能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測量的變化控制外部供給的能量的

4、變化。 10四.傳感器技術(shù)的發(fā)展方向 提高與改善傳感器的測量精度、量程范圍、可靠性等技術(shù)性能。尋找新原理、新材料、新工藝。 傳感器的智能化。 傳感器的集成化。 傳感器的多功能化。 傳感器的網(wǎng)絡(luò)化和微型化。 11五.傳感器的基本特性 傳感器輸出輸入之間的關(guān)系特性是傳感器的基本特性?；咎匦杂址譃殪o態(tài)特性和動態(tài)特性。 靜態(tài)特性是指靜態(tài)信號作用下的輸出輸入關(guān)系特性。動態(tài)特性是指動態(tài)信號作用下的輸出輸入關(guān)系特性 12線性度：線性度是指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。 yxyyxmym傳感器線性度示意圖 靈敏度:靈敏度是指在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值，用s來

5、表示，即若測量系統(tǒng)是由靈敏度分別為s1、s2、s3等多個獨立環(huán)節(jié)組成時，如圖1-3所示傳感器系統(tǒng)的總靈敏度S為 遲滯 :遲滯特性表明檢測系統(tǒng)在正向（輸入增大）和反向（輸入減少）行程期間，輸入輸出特性曲線不一致的程度. yxyyxmym傳感器遲滯示意圖 重復(fù)性:重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。傳感器重復(fù)性示意圖 16分辨率 :分辨率指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)能夠精確檢測到被測量的最小輸入信號增量。 漂移 :傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。 17第二節(jié)測量誤差的分析與處理 一.測量的概念二.測量的方法

6、三.測量誤差的分類 四.測量誤差的表示方法 18一.測量的概念測量：測量過程實際上是一個比較過程，就是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，從而獲得被測量大小的過程。 測量可分為狹義測量和廣義測量兩種。簡單的比較過程稱為狹義測量，而能對被測量完成檢出、變換、分析、處理顯示和控制的綜合過程，則稱為廣義測量。 19二.測量的方法 實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出的比值的方法，稱為測量方法。 按測量過程的特點分類 1.直接測量：利用測量儀器，直接讀取被測量的測量結(jié)果。 2.間接測量：已知被測量與其他幾個量有 確定的函數(shù)關(guān)系，可以分別測出其他幾個量,再利用函數(shù)關(guān)系求出被測量。 3.組合測量:是指在一個測量過程

7、中同時采用直接測量和間接測量兩種方法進行測量的測量方法。 20按測量結(jié)果的方式分類 1.偏差式測量 2.零位式測量 3.微差式測量 211.偏差式測量 利用測量儀表指針對于刻度初始點的偏移來讀出被測量的的測量方法。如萬用表測量。 特點：表內(nèi)沒有標(biāo)準(zhǔn)量具（如單位電流、單位電阻），只有經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)量具校準(zhǔn)過的刻度盤。比較是將被測量與刻度盤比較。 精度低，但簡單迅速。222.零位式測量 調(diào)節(jié)已知標(biāo)準(zhǔn)量與被測量達到平衡狀態(tài)（相等），讀取標(biāo)準(zhǔn)量作為被測值。 特點：測量裝置中有標(biāo)準(zhǔn)量具（如天平的砝碼、電橋的標(biāo)準(zhǔn)電阻），測量過程是將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量具比較，在平衡或指針指零時，讀取標(biāo)準(zhǔn)量具的大小。 精度高，操作復(fù)雜，

8、反應(yīng)速度較慢。233.微差式測量 零位式與偏差式測量的綜合應(yīng)用。 測量前先把被測量U調(diào)到基準(zhǔn)數(shù)值大小，調(diào)節(jié)已知標(biāo)準(zhǔn)量使二者相等，讀取被測值的基準(zhǔn)大小U0。 測量中只讀取被測值的微小變化U 計算得測量結(jié)果為： 24 特點：測量裝置中有標(biāo)準(zhǔn)量具，測量始條件是指針指零或平衡。 對微小信號實行偏差式測量。 減小了偏差式測量的范圍，精度高，小信號反應(yīng)速度快，適合于在線測量。 微差式測量原理圖25按測量精度因素條件分類 1.等精度測量:是指在整個測量過程中，如果影響和決定誤差大小的全部因素(條件)始終保持不變，比如由同一個測量者，用同一臺儀器、同樣的測量方法，在相同的環(huán)境條件下，對同一被測量進行多次重復(fù)測

9、量的測量方法。 2.不等精度測量:是指有時在高精度測量中，在不同的測量環(huán)境條件下，用不同精度的儀表、不同的測量方法、不同的測量次數(shù)，以及不同的測量者進行測量和對比的測量方法。 26按測量對象的變化特點分類 1.靜態(tài)測量:是指被測對象的大小不隨時間變化而變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)下進行的測量方法. 2.動態(tài)測量:是指被測對象的大小在測量過程中是隨時間不斷變化的，處于非穩(wěn)定狀態(tài)下進行的測量方法，稱為動態(tài)測量。 27按測量敏感元件是否與被測介質(zhì)接觸分類 1.接觸測量:是指傳感器直接與被測對象接觸，感受被測量的變化，從而獲取信號，并測量出其大小的方法。 2.非接觸測量:是指傳感器不直接與被測對象接觸，而是間接

10、感受被測量的變化，從而獲取信號，并測量出其大小的方法。28按測量敏感元件是否與被測介質(zhì)接觸分類 1.接觸測量:是指傳感器直接與被測對象接觸，感受被測量的變化，從而獲取信號，并測量出其大小的方法。 2.非接觸測量:是指傳感器不直接與被測對象接觸，而是間接感受被測量的變化，從而獲取信號，并測量出其大小的方法。29隨機誤差 1.在相同條件下，對同一被測量進行多次重復(fù)測量時，受偶然因素的影響而出現(xiàn)誤差的絕對值和符號以不可預(yù)知的方式變化著，則此類誤差稱為隨機誤差。 2.隨機誤差能夠反映測量結(jié)果的分散程度，通常稱為精密度。隨機誤差越小，說明多次測量時的分散性越小，精密度要高。 30檢測技術(shù)中，用精準(zhǔn)度（簡

11、稱精度，它從精密度和準(zhǔn)確度中各取一個字）反映精密度和準(zhǔn)確度的綜合結(jié)果。 31a規(guī)律性系統(tǒng)誤差小 正確度高。 結(jié)果分散性大 隨機誤差大 精密度低。b規(guī)律性系統(tǒng)誤差大 正確度低。 結(jié)果重復(fù)性好 隨機誤差小 精密度高。c規(guī)律性系統(tǒng)誤差小 正確度高。 結(jié)果重復(fù)性好 隨機誤差小 精密度高。 準(zhǔn)確度、精密度和精準(zhǔn)度示意圖32粗大誤差 1.粗大誤差是指明顯偏離測量結(jié)果的誤差，又稱過失誤差。 2.引起粗大誤差的根本原因主要是由測量人員操作失誤、讀數(shù)錯誤、記數(shù)錯誤而引起的，也完全沒有規(guī)律。 33四測量誤差的表示方法 絕對誤差:絕對誤差是指儀表的指示值X與被測量的真值X0之間的差值，可用下式表示： 測量值與真值的

12、差有單位、符號。絕對誤差可以直接反映測量結(jié)果與真值之間的偏差值，但不可作為測量精度的指標(biāo)。 34 相對誤差：相對誤差r是指儀表指示值的絕對誤差與被測量的真值X0的比值，可用下式表示： 絕對誤差與真值的（百分）比35引用誤差 ：引用誤差r0是指絕對誤差與儀表量程L的比值。 絕對誤差與儀表量程的（百分）比 儀表的最大引用誤差：最大絕對誤差與量程之（百 分）比。 *該式分子是指整個量程中最大絕對誤差，為定值，分母也是確定的。因此，對于一臺確定的檢測儀表或系統(tǒng)，最大引用誤差就是定值，可以用來衡量儀表精度。儀表的精度等級： 取儀表的最大引用誤差，去掉百分號。*常見儀表精度等級：01 02 05 10 15 20 25 50 3738本章小結(jié)測量是人們借助專門的技術(shù)和設(shè)備，通過實驗的方法，把被測量與作為單位的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，以確定出被測量是標(biāo)準(zhǔn)量的多少倍數(shù)的過程，所得的倍數(shù)就是測量值。測量方法有不同的分類。根據(jù)測量手續(xù)不同可分為直接測量、間接測量和聯(lián)立測量；根據(jù)測量時是否與被測對象相互接觸可分為接觸式測量和非接觸式測量；根據(jù)被測信號的變化情況不同分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量；根據(jù)輸出信號的性質(zhì)不同分為模擬式測量和數(shù)字式測量；根據(jù)測量方式不同可分為偏差式測量、零位式測量與微差式測量。3839測量誤差是客觀存在的，可用絕對誤差和相對誤差表示。絕對誤差反映測量值偏離真值的多少，而相對誤差反映測量值