模塊認(rèn)識傳感器與檢測技術(shù)(中)

機(jī)、電類

《傳感器與檢測技術(shù)項目教程》

多媒體課件

ISBN978-7-111-48817-0

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2015年2月第1版

（作者：梁森、黃杭美、王明霄、王侃夫）前言《傳感器與檢測技術(shù)項目教程》共10個模塊。模塊一是認(rèn)識傳感器與檢測技術(shù)；模塊二~模塊十：按檢測對象，從易到難，逐一介紹：“重量檢測”、“溫度檢測”、“壓力檢測”、“流量檢測”、“液位檢測”、“振動檢測”、“光學(xué)檢測”、“小位移檢測”、“數(shù)字式位移檢測”。模塊二~模塊十均有“知識鏈接”、“項目”、“任務(wù)”及“知識拓展”的安排?，F(xiàn)在時間是：

*建議教學(xué)課時分配表

（各學(xué)校可根據(jù)專業(yè)與具體情況作適當(dāng)調(diào)整）

模塊順序與名稱課時模塊順序與名稱課時模塊一認(rèn)識檢測技術(shù)與傳感器12模塊九小位移檢測3模塊二重量檢測3模塊十?dāng)?shù)字式位置檢測3模塊三溫度檢測4理論課時32模塊四壓力檢測4實驗6模塊五流量檢測3實訓(xùn)6模塊六液位檢測3討論課、習(xí)題課2模塊七振動檢測3考試（建議開卷）2模塊八光學(xué)量檢測4合計48主要內(nèi)容介紹本模塊介紹傳感器及檢測技術(shù)的定義、檢測技術(shù)涉及的領(lǐng)域、檢測系統(tǒng)的組成、檢測技術(shù)的發(fā)展、傳感器的組成、基本原理、傳感器的特性、制圖法求取靈敏度、線性度、滯差等參數(shù)的方法。簡要介紹了測量誤差及處理。今天是：16五月2023模塊一、認(rèn)識傳感器與檢測技術(shù)目錄項目一、認(rèn)識檢測技術(shù)項目二、認(rèn)識傳感器項目三、測量方法及測量誤差進(jìn)入檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢1．不斷提高檢測系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性。近年來，人們研制出許多高準(zhǔn)確度和寬量程的檢測儀器以滿足各種需要。人們還對傳感器的可靠性和故障率的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了大量的研究，使得檢測系統(tǒng)的可靠性及壽命大幅度提高?，F(xiàn)在，許多檢測系統(tǒng)可以在極其惡劣的環(huán)境下連續(xù)工作數(shù)十萬小時。提高測量精度量程切換到2V時，分辨力可達(dá)到10μV數(shù)字式電壓表及歐姆表提高可靠性

火箭內(nèi)的儀器必須能承受巨大的加速度和振動。提高可靠性（續(xù)）

設(shè)想中的月球基地儀器設(shè)備必須能承受巨大的溫差和宇宙射線輻射。2．應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域月球車勇氣號火星車好奇號火星車“惠更斯”號登陸土衛(wèi)六時拍攝的照片（距離太陽14.3億公里）表面溫度-180℃

土衛(wèi)六的表面（固態(tài)甲烷）卵形土衛(wèi)一表面的大隕石坑。直徑130公里，坑底10公里“玉兔”號月球車哈勃天文望遠(yuǎn)鏡（CCD圖像傳感器）

拍攝的星云照片哈勃天文望遠(yuǎn)鏡

拍攝的馬頭座星云照片毒品檢查

3．發(fā)展集成化、功能化、智能化

傳感器

指紋識別門禁指印智能門禁、手機(jī)系統(tǒng)4．采用計算機(jī)技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化

面部識別技術(shù)使用模糊（FUZZY）理論計算的電子血壓計振蕩法電子血壓計是用壓力傳感器來檢測血液流動時血管振動的變化；而傳統(tǒng)的柯氏音法血壓計是用聽診器聽取血液流動時發(fā)生的脈沖聲。5．發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及及網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化傳感器.項目二、認(rèn)識傳感器

【項目教學(xué)目標(biāo)】?知識目標(biāo)1）熟悉傳感器的定義及組成。2）熟悉傳感器的特性。?技能目標(biāo)1）掌握作圖法求取傳感器的靈敏度。2）掌握作圖法求取傳感器的線性度?；啬夸洭F(xiàn)在時間是：

*一、傳感器定義及傳感器的組成傳感器的定義（參考GB7665-87）：傳感器是一種檢測裝置，能感受規(guī)定的被測量，并能將檢測感受到的信息，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，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，有時也可以稱為換能器、檢測器、探頭等。傳感器的組成大部分傳感器由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。例：測量壓力的電位器式壓力傳感器

圖1-9

電位器式壓力傳感器1－彈簧管（敏感元件）2－電位器（傳感元件、測量轉(zhuǎn)換電路）3－電刷4－傳動機(jī)構(gòu)（齒輪-齒條）以“電位器式壓力傳感器”來理解原理框圖圖1-10

電位器式壓力傳感器的原理框圖當(dāng)被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。電位器電阻的變化量反映了被測壓力p值的變化。在這個傳感器中，彈簧管為敏感元件，它將壓力轉(zhuǎn)換成角位移α。電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量——電阻的變化ΔR。當(dāng)電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓Uo。在這個例子中，電位器又屬于分壓比式測量轉(zhuǎn)換電路。彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。彈性敏感元件（彈簧管）彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移αα彈簧管放大圖當(dāng)被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。

機(jī)械式壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換成電參量。在右圖中，電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量——電阻的變化（ΔR）

360度圓盤形電位器傳感器(測量角位移)右圖所示的360度圓盤形電位器的中間焊片為滑動片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。電源端滑動臂接地二、傳感器分類傳感器的種類繁多，分類不盡相同。常用的分類方法有：１）按被測量分類：可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。2）按測量原理分類：可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。3）按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類：可分為輸出為開關(guān)量（“1”和“0”或“開”和“關(guān)”）的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬量的模擬型傳感器，輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。三、傳感器基本特性

傳感器的特性一般指輸入/輸出特性，包括：靈敏度、分辨力、分辨率、線性度、遲滯、穩(wěn)定度、電磁兼容性、可靠性等。

1.靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：

靈敏度太高，檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性將降低。

作圖法求靈敏度過程xyx1ΔxΔy0切點(diǎn)傳感器特性曲線xmax例1-1

有一壓力傳感器，測量范圍為50～300kPa，輸出特性如圖1-12所示，請用作圖法求取該壓力傳感器在輸入為250kPa時的靈敏度K250，并比較在輸入為70kPa時靈敏度的大小。圖1-12

用作圖法求取某壓力傳感器不同輸入點(diǎn)的靈敏度傳感器特性曲線的靈敏度分析對線性傳感器而言，靈敏度為一常數(shù)；對非線性傳感器而言，靈敏度隨輸入量的變化而變化。從輸出曲線看，曲線越陡，靈敏度越高?？梢酝ㄟ^作該曲線某一點(diǎn)的切線的方法（作圖法）求得曲線上任一點(diǎn)的靈敏度由切線的斜率可以看出，上一頁圖中x2點(diǎn)的斜率高，靈敏度比x1點(diǎn)高。2.分辨力

指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。

對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。

一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。

右表的分辨力為多少？

3.分辨率

將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。

右表的滿量程為99.9A，

問：該表的分辨力、分辨率為多少？解：分辨力=0.1A，分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%

。4.線性度線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。將傳感器輸出起始點(diǎn)與滿量程點(diǎn)連接起來的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度，非線性誤差越小越好。線性度的計算公式如下：線性誤差（也稱非線性誤差）

非線性誤差可以直接通過對多點(diǎn)誤差的大小來描述。例如：0%時誤差為0%，25%時誤差為+0.5%，50%時誤差為0%，75%時，誤差為：-0.5%，100%時誤差為0%。作圖法求端基線性度圖1-13

端基線性度作圖方法1－端基擬合直線y=Kx+b

2－實際特性曲線作圖法求端基線性度的演示

首先作一根理論直線——將儀表輸出起始點(diǎn)與滿量程點(diǎn)連接起來的直線，稱為“端基直線”。

5.遲滯誤差

遲滯誤差又稱為回差或變差，是指傳感器正向特性和反向特性的不一致程度：式中ΔHmax——最大遲滯偏差；ymax-ymin——量程范圍遲滯會引起重復(fù)性和分辨力變差，測量盲區(qū)。產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因：傳感器敏感元件材料的彈性滯后、運(yùn)動部件摩擦、傳動機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動等。圖1-14遲滯特性6.穩(wěn)定性穩(wěn)定度：儀表在所有條件都恒定不變的情況下，在規(guī)定的時間內(nèi)能維持其示值不變的能力。以儀表的示值變化量和時間的長短之比來表示。例如，某儀表輸出電壓值在8h內(nèi)的最大變化量為1.2mV，則表示該儀表的穩(wěn)定性為1.2mV/(8h)。環(huán)境影響量：指由外界環(huán)境變化而引起的示值變化量：1.零漂：用于描述儀表（已調(diào)零）在受外界環(huán)境影響后，輸出不再等于零，而有一定的漂移。2.溫度穩(wěn)定性：又稱為溫度漂移，指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。用溫度每變化1℃引起的絕對誤差或相對誤差表示，又稱為溫度誤差系數(shù)。7.可靠性反映傳感器和檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標(biāo)。包括：（1）故障平均間隔時間（MTBF）指兩次故障間隔的平均時間。（2）平均修復(fù)時間（MTTR）指排除故障所花費(fèi)的平均時間。（3）故障率或失效率（λ）指工作到某一時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時刻后，單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。

可靠性反映傳感器和檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標(biāo)。包括：故障平均間隔時間、平均修復(fù)時間、故障率或失效率等。期（浴盆曲線）早期失效期（偶然失效期）初期失效期

開始階段故障率很高，失效的可能性很大。但隨著使用時間的增加而迅速降低。故障原因主要是設(shè)計或制造上有缺陷，所以應(yīng)盡量在使用前期予以暴露，并消除之。有時為了加速渡過這一危險期，在檢測系統(tǒng)通電的情況下，將之放置于高溫環(huán)境→低溫環(huán)境→高溫環(huán)境……反復(fù)循環(huán)，稱為“老化”試驗。a）小型鹽霧試驗箱b）高低溫循環(huán)老化室例1-2

某傳感器電路由表1-2所列元器件組成，若不考慮結(jié)構(gòu)、裝配等其它因索