傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件 項(xiàng)目一識(shí)別與選用傳感器1.2 選用傳感器

《識(shí)別與選用傳感器》項(xiàng)目一識(shí)別與選用傳感器項(xiàng)目思維導(dǎo)圖識(shí)別與選用傳感器【知識(shí)目標(biāo)】

1．掌握傳感器的定義，了解傳感器的作用與分類；2．掌握傳感器的組成與應(yīng)用，會(huì)識(shí)別傳感器類型；3．了解傳感器的基本特性、標(biāo)定和校準(zhǔn)，了解傳感器的信號(hào)處理方式?！炯寄苣繕?biāo)】1．能復(fù)述并解釋傳感器的概念；2．能復(fù)述傳感器的組成、傳感器的基本功能和傳感器的共性；3.能比較不同類別的傳感器，會(huì)選擇傳感器的基本方法；項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)識(shí)別與選用傳感器4.能復(fù)述傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；5.會(huì)結(jié)合生活生產(chǎn)實(shí)際舉例說明傳感器的應(yīng)用?！舅仞B(yǎng)目標(biāo)】1．培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和作風(fēng)、創(chuàng)新求實(shí)精神；2．通過傳感器選用，培養(yǎng)學(xué)生愛國情懷，熱愛自己的祖國，要從身邊做起，從現(xiàn)在做起。傳播正能量，學(xué)好技術(shù)技能，為國家發(fā)展做貢獻(xiàn)。項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)1.2選用傳感器任務(wù)描述

無論是機(jī)械電子化產(chǎn)品（如數(shù)控機(jī)床），還是機(jī)電相互融合的高級(jí)產(chǎn)品（如機(jī)器人），都離不開檢測(cè)與傳感器這個(gè)重要環(huán)節(jié)。若沒有傳感器對(duì)原始的各種參數(shù)進(jìn)行精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè)，那么信號(hào)轉(zhuǎn)換、信息處理、正確顯示、控制器的最佳控制等，都是無法進(jìn)行和實(shí)現(xiàn)的。

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器的作用就相當(dāng)于人的感官，用于檢測(cè)有關(guān)外界環(huán)境及自身狀態(tài)的各種物理量（如力、位移、速度、位置等）及其變化，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后再通過相應(yīng)的變換、放大、調(diào)制與解調(diào)、濾波、運(yùn)算等電路將有用的信號(hào)檢測(cè)出來，反饋給控制裝置或送去顯示。1.2選用傳感器任務(wù)描述

各種不同的物理量需要監(jiān)測(cè)和控制，這就要求傳感器能感受被測(cè)非電量并將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的電量。傳感器所測(cè)量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，取決于傳感器的輸入—輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來描述。本節(jié)課任務(wù)就是了解傳感器的基本特性，信號(hào)處理及傳感器的標(biāo)定和選擇。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性

傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，它有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)之分。靜態(tài)特性是指當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，輸出與輸入之間關(guān)系稱為靜態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性是指當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，輸出與輸入之間關(guān)系稱為動(dòng)態(tài)特性。

對(duì)傳感器的要求：一個(gè)高精度的傳感器，必須要有良好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，從而確保檢測(cè)信號(hào)（或能量）的無失真轉(zhuǎn)換，使檢測(cè)結(jié)果盡量反映被測(cè)量的原始特征。傳感器除了描述輸出輸入關(guān)系的特性之外，還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。

在這里只討論傳感器靜態(tài)特性的主要指標(biāo)：

1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性1．線性度

線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入成線性關(guān)系的程度。傳感器的理想輸入—輸出特性應(yīng)該是線性的，有助于傳感器的理論分析、設(shè)計(jì)處理、制作標(biāo)定和測(cè)試；但實(shí)際的傳感器的輸入—輸出特性具有一定的非線性，因此要進(jìn)行非線性特性的線性化處理，在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線。擬合直線的選取有多種方法，如將零輸出和滿量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作為擬合直線，線性度就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)，如圖所示。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性

采用直線擬合線性化時(shí)，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度。通常用相對(duì)誤差eL表示：eL=×100%（1.1）

式中△Lmax——輸出平均值與擬合直線間的最大偏差；yFS——理論滿度值。

非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計(jì)算是否簡(jiǎn)便。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性

線性擬合的方法有：①理論擬合；②端點(diǎn)連線平移擬合；③端點(diǎn)連線擬合；④過零旋轉(zhuǎn)擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合等。a）理論擬合

b）過零旋轉(zhuǎn)擬合

c）端點(diǎn)連線擬合

d）端點(diǎn)連線平移擬合

1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性2．遲滯性

傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。遲滯特性一般是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得，如圖示。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，一般用兩曲線之間輸出量的最大差值△Hmax與滿量程輸出yFS的百分比來表示遲滯誤差，即eH=100%（1.2）

式中△Hmax——正反行程間輸出的最大差值；yFS——理論滿度值。

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性

對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)差值的最大者即為回程誤差。

產(chǎn)生遲滯的原因是：傳感器的機(jī)械部分、結(jié)構(gòu)材料方面存在不可避免的弱點(diǎn)，如軸承摩擦、間隙等。2．遲滯性

傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯特性一般是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得，如圖所示。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性

遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，一般用兩曲線之間輸出量的最大差值△Hmax與滿量程輸出yFS的百分比來表示遲滯誤差，即eH=100%（1.2）

式中△Hmax——正反行程間輸出的最大差值；yFS——理論滿度值。

遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)差值的最大者即為回程誤差。

產(chǎn)生遲滯的原因是：傳感器的機(jī)械部分、結(jié)構(gòu)材料方面存在不可避免的弱點(diǎn)，如軸承摩擦、間隙等。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性3．重復(fù)性

重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度，如圖所示。

重復(fù)性誤差可用正反行程中最大偏差表示：正行程的最大重復(fù)性偏差為△Rmax1，反行程的最大重復(fù)性偏差為△Rmax2取這兩個(gè)最大偏差中之較大者為△Rmax，用△Rmax與滿量程輸出yFS的百分比表示重復(fù)性偏差，即100%（1.3）eR=

1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性4．靈敏度

傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入變化量Δx之比即為靜態(tài)靈敏度，表達(dá)式為:（1.4）

K=

即傳感器的靈敏度就是校準(zhǔn)曲線的斜率。

因此，傳感器輸出曲線的斜率就是靈敏度。線性特性的傳感器，特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。

由于某種原因，會(huì)引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對(duì)誤差表示，即es=（Δk/k）×100%（1.5）1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性5．分辨力和閾值

分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到的最小的輸入增量。有些傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只作階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個(gè)“階梯”所代表的輸入量的大小。

分辨力用絕對(duì)值表示，用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)稱為分辨率，如圖所示。

在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性6．時(shí)間穩(wěn)定性（零漂）

時(shí)間穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時(shí)稱為長時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移，如圖1-19所示。

測(cè)試時(shí)先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。既可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差表示。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性7．溫度穩(wěn)定性（溫漂）

溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟认螺敵隽堪l(fā)生的變化。

測(cè)試時(shí)先將傳感器置于一定溫度（如20℃），將其輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，使溫度上升或下降一定的度數(shù)（如5℃或10℃），再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。

溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干℃的絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示，每℃引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性8．抗干擾穩(wěn)定性

指?jìng)鞲衅鲗?duì)外界干擾的抵抗能力。例如：抗沖擊和振動(dòng)的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場(chǎng)干擾的能力等。

評(píng)價(jià)這些能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。9.靜態(tài)誤差

靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谌砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與理論值的偏離程度。靜態(tài)誤差的求取方法：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差，看成是隨機(jī)分布，求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器一、傳感器的基本特性10.精確度

與精確度有關(guān)指標(biāo)：精密度、準(zhǔn)確度和精確度（精度）。

精密度：說明測(cè)量傳感器輸出值的分散性，即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，由同一個(gè)測(cè)量者，用同一個(gè)傳感器，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量結(jié)果的分散程度。精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。

準(zhǔn)確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。準(zhǔn)確度高不一定精密度高。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器二、傳感器的標(biāo)定

任何一種傳感器在裝配完后都必須按設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的性能鑒定。使用一段時(shí)

間后（中國計(jì)量法規(guī)定一般為一年）或經(jīng)過修理，也必須對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，以確保傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求。

傳感器的標(biāo)定是利用某種標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)新研制或生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行技術(shù)檢定和標(biāo)度；它是通過實(shí)驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量間的關(guān)系，并確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系或測(cè)量精度。

傳感器的校準(zhǔn)是指對(duì)使用或儲(chǔ)存一段時(shí)間后的傳感器性能進(jìn)行再次測(cè)試和校正，校準(zhǔn)的方法和要求與標(biāo)定相同。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器二、傳感器的標(biāo)定

傳感器的靜態(tài)標(biāo)定是在輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性等。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)是指沒有加速度、沒有振動(dòng)、沒有沖擊（如果它們本身是被測(cè)量除外）及環(huán)境溫度一般為室溫（20±5℃），相對(duì)濕度不大于85%，大氣壓力為7kPa的情形。

動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。常用的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)源是正弦信號(hào)和階躍信號(hào)。根據(jù)傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要涉及到一階傳感器的時(shí)間常數(shù)，二階傳感器的固有角頻率和阻尼系數(shù)等參數(shù)的確定。

標(biāo)定系統(tǒng)一般由被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器、被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)、待標(biāo)定傳感器配接的信號(hào)檢測(cè)設(shè)備三部分組成。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器三、傳感器信號(hào)處理

各種非電量經(jīng)傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，這些電信號(hào)比較微弱，并與輸入的被測(cè)量之間呈非線性關(guān)系，因此需要經(jīng)過信號(hào)放大、隔離、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、線性化處理和誤差修正等處理。

1．傳感器信號(hào)預(yù)處理

傳感器與微機(jī)的接口電路主要由信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)接口電路組成，如圖所示。其中，預(yù)處理電路把傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；計(jì)算機(jī)接口電路把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，并把計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)送至輸入接口的各功能部件；計(jì)算機(jī)還可通過其他接口把信息數(shù)據(jù)送往顯示器、控制器、打印機(jī)等。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器三、傳感器信號(hào)處理

2．傳感器信號(hào)的放大電路

測(cè)量放大器也稱儀表放大器（簡(jiǎn)稱IA），用于信號(hào)微弱且存在較大共模干擾的場(chǎng)合，具有精確的增益標(biāo)定，因此又稱數(shù)據(jù)放大器。3．信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)

傳感器輸出的信號(hào)，通常是一種頻率不高的弱小信號(hào)，要通過放大才能向下傳輸。從信號(hào)放大角度來看，直流信號(hào)（傳感器傳出的信號(hào)有許多是近似直流緩變信號(hào)）的放大比較困難。因此需要把傳感器輸出的緩變信號(hào)先變成具有高頻率的交流信號(hào)，再進(jìn)行放大和傳輸，最后，再還原成原來頻率的信號(hào)（信號(hào)已被放大），這樣的一個(gè)過程稱為信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器三、傳感器信號(hào)處理

調(diào)制是利用信號(hào)來控制高頻振蕩的過程，即人為地產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)（它由頻率、幅值、和相位3個(gè)參數(shù)決定），使這個(gè)高頻信號(hào)的3個(gè)參數(shù)中一個(gè)隨著需要傳輸?shù)男盘?hào)變化而變化。使得原來變化緩慢的信號(hào)被這個(gè)受控的高頻振蕩信號(hào)所代替，進(jìn)行放大和傳輸，以便得到最好的放大和傳輸效果，通常有調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻調(diào)制3種方法。解調(diào)是從已被放大和傳輸?shù)?，且有原來信?hào)的高頻信號(hào)中，把原來信號(hào)取出的過程。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器

三、傳感器信號(hào)處理

4．模數(shù)轉(zhuǎn)換

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（亦稱A/D轉(zhuǎn)換電路）的作用是將由傳感器檢測(cè)電路預(yù)處理過的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，然后輸入給微型計(jì)算機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換器是集成在一塊芯片上能完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的單元電路。A/D轉(zhuǎn)換的方法有多種，最常用的是比較型和積分型兩類。此外還有并行比較型、逐步逼近型、計(jì)數(shù)器型等。5．噪聲的抑制

在非電量的檢測(cè)及控制系統(tǒng)中，往往混入一些干擾的噪聲信號(hào)，它們會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差，這些誤差將導(dǎo)致控制程序紊亂，從而造成控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生誤動(dòng)作。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器

三、傳感器信號(hào)處理

因此在傳感器信號(hào)處理中，噪聲的抑制是非常重要的，噪聲的抑制也是傳感器信號(hào)處理的重要內(nèi)容之一。

噪聲就是測(cè)量系統(tǒng)電路中混入的無用信號(hào)，按噪聲源的不同，噪聲可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲兩種。

噪音的抑制方法主要有以下幾種：

①選用質(zhì)量好的元器件。

②接地。傳感器或電路接地，是為了清除電流流經(jīng)公共地線阻抗時(shí)產(chǎn)生的噪聲電壓，也可以避免受磁場(chǎng)或地電位差的影響。把接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，就可以抑制大部分的噪聲。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器

三、傳感器信號(hào)處理

③屏蔽。屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起

來，以隔離內(nèi)外電磁或電場(chǎng)相互干擾。屏蔽可分為3種，即電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽及電磁屏蔽。

④隔離。前后兩個(gè)電路信號(hào)端直接連接，容易形成環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時(shí)，常采用隔離的方法，把兩個(gè)電路的信號(hào)端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。

⑤濾波。濾波電路或?yàn)V波器是一種能使某一部分頻率順利通過而另一部分頻率受到較大衰減的裝置。常采用的方法是在運(yùn)算放大器的同相端接入一階或二階RC有源低通濾波器，使干擾的高頻信號(hào)濾除，而有用的低頻信號(hào)順利通過；反之，在輸入端接高通濾波囂，將低頻干擾濾除，使高頻有用信號(hào)順利通過。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感器四、傳感器的選用方法

現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在組建測(cè)量系統(tǒng)時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。

【從身邊做起】傳感器的選擇可能決定著測(cè)量的成敗，正如我們熱愛自己的祖國不是一個(gè)宏大夢(mèng)想，是一種行動(dòng)一種信念，也要從身邊做起，從現(xiàn)在做起。我們的國家是五千年文明古國，中華民族文化博大精深歷史悠久，激勵(lì)一代代中國人做出豐功偉績(jī)，我國的科技當(dāng)代日新月異，我們的經(jīng)濟(jì)躍進(jìn)了世界先進(jìn)行列。1.2選用傳感器知識(shí)鏈接：選用傳感