傳感器和測量基本概念

傳感器和測量基本概念第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)傳感器基本概念

一、檢測技術(shù)在國民經(jīng)濟中的地位和作用

檢測技術(shù)是現(xiàn)代化領(lǐng)域中很有發(fā)展前途的技術(shù)，它在國民經(jīng)濟中起著極其重要的作用。

第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、檢測系統(tǒng)組成

目前，非電量的檢測多采用電測量法，即首先將各種非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，然后?jīng)過一系列的處理，將非電量參數(shù)顯示出來，其原理框圖如1—1所示。第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器（Transducer）是指一個能把被測的非電量變換成電量的器件。信號處理電路的作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定功率的電壓或電流、頻率信號等，以推廣后級的顯示電路、數(shù)據(jù)處理電路及執(zhí)行機構(gòu)。第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月目前常用的顯示器有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀等。第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)處理裝置用來對測試所得的實驗結(jié)果進行處理、運算、分析，對動態(tài)測試結(jié)果作頻譜分析、幅值譜分析、能量譜分析等，完成以上工作必須采用計算機技術(shù)。第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)據(jù)處理的結(jié)果通常送到顯示器和執(zhí)行機構(gòu)中去，以顯示運算處理的各種數(shù)據(jù)及控制各種被控對象。而在不帶數(shù)數(shù)據(jù)處理裝置的自動檢測系統(tǒng)中，顯示器和執(zhí)行機構(gòu)由信號處理電路直接驅(qū)動，如圖1—1中的虛線所示。第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月所謂執(zhí)行機構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥門、伺服電動機等在電路中起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護等作用的電器設備。許多檢測系統(tǒng)能輸出與被測量有關(guān)的電流或電壓信號，去驅(qū)動這些執(zhí)行機構(gòu)，從而為自動控制系統(tǒng)提供信號。第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在的檢測系統(tǒng)越來越多地使用計算機（微機）來控制執(zhí)行機構(gòu)的工作。檢測技術(shù)、計算機技術(shù)與執(zhí)行機構(gòu)等配合就能構(gòu)成工業(yè)中的某些控制系統(tǒng)。第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月三、檢測技術(shù)發(fā)展趨勢1)不斷提高檢測系統(tǒng)的測量精度、量程范圍延長使用壽命、提高可靠性2)應用新技術(shù)和新的物理效應，擴大檢測領(lǐng)域3)發(fā)展集成化、功能化的傳感器4)采用微機技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)測量的基本概念一.測量定義：將被測量與同性質(zhì)的標準量用專門的技術(shù)和設備進行比較，獲得被測量對比該標準量的倍數(shù)，從而在量值上給出被測量的大小和符號。第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月表示式：X=A*X0其中：X為被測量；X0為標準量；A為比值（無量綱）。第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月標準量必須有單位，單位越小，A數(shù)值越大，A=X/X0，測量精度越高。例：以mm最小分格，以cm最小分格，哪個測量精度高。而人眼分辨1/10。標準量：國際上或國家特定機構(gòu)所指定的。第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月測量方法：直接測量（如電壓表測電壓）從事先分度好的表盤讀被測量。間接測量（如伏安法測電阻）利用被測量與某中間量之函數(shù)關(guān)系，先測出中間量，再通過函數(shù)關(guān)系計算被測量。第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、測量儀表的精確度與分辨率精確度〈精度〉指標有三個：精密度、準確度、精度等級。精密度（隨機誤差）：描述測量儀表指示值不一致程度的量。第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月精確度：精密度和準確度的總和，以測量誤差相對值反映測量儀表的優(yōu)良程度。精度等級：在規(guī)定工作條件下，其最大絕對允許誤差相對儀表測量范圍的百分數(shù)。式A%=Δgmax/Xmax-Xmin*100%第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月Δgmax為最大絕對允許誤差值。Xmax/Xmin為測量范圍的上、下限。A為精度等級，以標準百分數(shù)分檔。A可為0.001，0.005，0.02，0.05…1.5，2.5，4.0，6.0等第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月分辨率：顯示儀表能夠檢測到被測量最小變化量的本領(lǐng)。模擬表為最小刻度一半（讀數(shù)誤差）/數(shù)字表為最后一位數(shù)字的一個字（讀數(shù)誤差）。第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月三、直接測量的三種方法第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月零位法：被測量與已知標準量在比較儀器中進行比較，使這兩種量對儀器的作用抵消為零（例如天平測量砝碼，已知標準量）。測量精度高。偏差法：測量儀表用指針相對于表盤上刻度線的位移來直接表示被測量的大?。ㄓ脴藴柿繕硕ㄟ^，例如彈簧秤）。測量精度不高。微差法：零位法和偏差法的結(jié)合，先將被測量與一個已知標準兩進行比較，即不徹底的零位法，不足部分，即被測量與標準量之差，再用偏差法測出（例如長度測量）。誤差小，不需反復平衡操作。第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月四、測量誤差及分類（一）絕對誤差和相對誤差絕對誤差：測量值A(chǔ)x與真值A(chǔ)0之間的差值。Δ=Ax-A0修正值α=-Δ第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月相對誤差：實際相對誤差rA：絕對誤差Δ與被測量真值A(chǔ)0的百分比。rA=Δ/A0*100%示值相對誤差rx：絕對誤差Δ與被測量Ax的百分比。rx=Δ/Ax*100%滿度相對誤差rm：絕對誤差Δ與滿度值A(chǔ)m的百分比。rm=Δ/Am*100%第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月精度等級s：當Δ取最大值Δm時，滿度相對誤差。S=︱Δm/Am︳*100%我國電工儀表0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0，七個級別。第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）粗大誤差、系統(tǒng)誤差和隨即誤差粗大誤差：明顯偏離真值的誤差。應剔除系統(tǒng)誤差：誤差數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者。隨機誤差：誤差的絕對值和正負以不可預見的方式變化，服從統(tǒng)計規(guī)律。第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差靜態(tài)誤差：被測量不隨時間變化。動態(tài)誤差：被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)輸出在時間上不能與被測量的變化吻合。第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)傳感器特性一、傳感器的一般特性傳感器將被測量的變化能否不失真地變換成相應電量取決于傳感器本身基本特性。輸出—輸入特性。靜態(tài)特性：被測量的數(shù)值在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系。靜態(tài)特性技術(shù)指標：線性度、靈敏度、遲滯和重復性。線性度(非線性誤差)：實際輸出—輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差再與輸出滿度值相比。如圖1—2所示。第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月rL=Δmax/ym*100%其中：rL為線性度；Δmax為最大非線性絕對誤差；Ym為輸出滿度值。第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月靈敏度：在穩(wěn)態(tài)標準條件下，輸出變化與輸入變化的比值K。(輸出變化量Δy與引起該變化的輸入變化量Δx之比，校正曲線斜率。線性傳感器K為常數(shù)。)K=輸出量的變化量/輸入量的變化量=遲滯（實驗方法測得）：輸入量增大行程期間和輸入量減小行程期間，輸出—輸入特性曲線不重合的程度。如圖1—3所示。第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月yH=1/2*Δmax/ym*100%其中：Δmax為正、反行程輸出最大差值。重復性：輸入量在同一方向〈增或減〉做全量程內(nèi)連續(xù)重復測量，所得輸出—輸入特性曲線不一致的程度。如圖1-4

第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月Yr=±△max/ym*100%△max為△m1、△m2之較大者。第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)特性：測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應特性。實際中大量的被測量隨時間變化的是動態(tài)信號；若輸出隨時間的變化規(guī)律再現(xiàn)輸入量隨時間的變化規(guī)律，說明性能好。動態(tài)誤差：實際傳感器的輸出信號與輸入信號不會具有相同的時間常數(shù)。（對隨時間變化的輸入量的響應特性。第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、傳感器中的彈性敏感元件傳感器一般由敏感元件和傳感元件兩個基本部分組成。如圖1-5所示。第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月敏感元件：直接感受被測非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其它量〈一般仍為非電量〉的元件。例如膜片將被測壓力轉(zhuǎn)變成位移。傳感元件：將敏感元件感受到的非電量轉(zhuǎn)換為別的非電量的器件。例如電阻應變片將應變（位移）轉(zhuǎn)換成電阻的變化。轉(zhuǎn)換電路：傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號。例如電橋、放大器、振蕩器等。第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月然而，并不是所有傳感器必須包括敏感元件和傳感元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時兼為傳感元件。如果傳感元件直接感受被測非電量而輸出與之成確定關(guān)系的電量，此傳感器無敏感元件。例如壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻等。敏感元件與傳感元件合二為一。第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月機械彈性敏感元件的輸入量，可以是集中的力、力矩、流體壓力和溫度等各種非電量。而輸出量是彈性元件本身的變形〈應變、位移、轉(zhuǎn)角等〉。第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月彈性元件分類：兩大類（變換力和變換壓力）變換力：力變換成應變或位移的彈性元件。變換壓力：壓力變換成應變或位移的彈性元件。第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月。但威力標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系?？刹捎酶鞣N方法，包括計算機硬件或軟件補償，進行線性化處理。但這些辦法都較復雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，采用直線擬合的辦法來線性化。理論擬合：如圖1—7，與測試無關(guān)，簡單但很大，擬合直線為傳感器理論特性。第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月過零旋轉(zhuǎn)擬合：如圖1—8，常用校正曲線過零的傳感器，擬合時，使=。簡單且誤差小。第45頁，