傳感與檢測技術(shù)CH1

1、正版可修改PPT課件傳感與檢測技術(shù)CH1 傳感與檢測技術(shù)模塊一 傳感器及檢測基本知識模塊學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握傳感器的概念、作用、分類和主要技術(shù)參數(shù)；2.了解傳感器在各工程領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢；3.掌握測量誤差的定義、分類和表示形式；4.能進(jìn)行測量誤差和準(zhǔn)確度的計算；5.掌握檢測和轉(zhuǎn)換電路的電路形式、原理和作用；6.能正確選用檢測和轉(zhuǎn)換電路。項目一 傳感器基本知識任務(wù)描述：通過教材、參考書、網(wǎng)絡(luò)搜集傳感器的應(yīng)用實例，加深對傳感器基本知識的理解。學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握傳感器的定義，明確傳感器是什么；2.了解按不同分類方法分類傳感器的種類；3.理解傳感器主要技術(shù)參數(shù)的含義；4.了解傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域和

2、發(fā)展趨勢。學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：資料：通過教學(xué)參考書和網(wǎng)絡(luò)搜集傳感器及應(yīng)用的相關(guān)知識。任務(wù)一 認(rèn)識傳感器知識準(zhǔn)備：1傳感器的定義傳感器類似人的眼、鼻和口，是用來獲取外界各種信息的元件。傳感器就是利用物理、化學(xué)或生物效應(yīng)，把被測的物理量、化學(xué)量、生物量等非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件或裝置。在自動化控制系統(tǒng)中，傳感器相當(dāng)于是系統(tǒng)的感覺器官，傳感器能快速、精確地獲取各類信息，系統(tǒng)正是靠對這些信息的分析處理實現(xiàn)決策控制，使整個系統(tǒng)有序工作。傳感器可以檢測的信息范圍很廣，常見的輸入、輸出量和轉(zhuǎn)換原理如表1-1所示。任務(wù)一 認(rèn)識傳感器表1-1 傳感器的輸入、輸出量和轉(zhuǎn)換原理任務(wù)一 認(rèn)識傳感器2傳感器的組成與分類（1）傳感器

3、的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖1-1所示。任務(wù)一 認(rèn)識傳感器（2）傳感器的分類（1）按被測量分類，可分為力學(xué)量、光學(xué)量、磁學(xué)量、幾何學(xué)量、運動學(xué)量、流速與流量、液面、熱學(xué)量、化學(xué)量、生物量傳感器等。這種分類有利于選擇傳感器、應(yīng)用傳感器（2）按照工作原理分類，可分為電阻式、電容式、電感式，光電式，光柵式、熱電式、壓電式、紅外、光纖、超聲波、激光傳感器等。這種分類有利于研究、設(shè)計傳感器，有利于對傳感器的工作原理進(jìn)行闡述。（3）按敏感材料不同分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、石英傳感器、光導(dǎo)纖推傳感器、金屬傳感器、有機材料傳感器、高分子材料傳感器等。這種分類法可分出很多種

4、類。（4）按照傳感器輸出量的性質(zhì)分為摸擬傳感器、數(shù)字傳感器。其中數(shù)字傳感器便干與計算機聯(lián)用，且抗干擾性較強，例如脈沖盤式角度數(shù)字傳感器、光柵傳感器等。傳感器數(shù)字化是今后的發(fā)展趨勢。（5）按應(yīng)用場合不同分為工業(yè)用，農(nóng)用、軍用、醫(yī)用、科研用、環(huán)保用和家電用傳感器等。若按具體便用場合，還可分為汽車用、船艦用、飛機用、宇宙飛船用、防災(zāi)用傳感器等。（6）根據(jù)使用目的的不同，又可分為計測用、監(jiān)視用，位查用、診斷用，控制用和分析用傳感器等。任務(wù)一 認(rèn)識傳感器.傳感器的特性與主要技術(shù)參數(shù)（1）反映傳感器靜態(tài)特性的性能指標(biāo)靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。表征傳感

5、器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力、遲滯、重復(fù)性、漂移等，傳感器的參數(shù)指標(biāo)決定了傳感器的性能以及選用傳感器的原則。任務(wù)一 認(rèn)識傳感器（2) 反映傳感器動態(tài)特性的性能指標(biāo)動態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為隨時間變化的信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。主要動態(tài)特性的性能指標(biāo)有時域單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo)和頻域頻率特性性能指標(biāo)。任務(wù)一 認(rèn)識傳感器任務(wù)實施：觀察常用傳感器實物，認(rèn)識傳感器。任務(wù)二 了解傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域1傳感器在制造業(yè)中的應(yīng)用2傳感器在汽車中的應(yīng)用3傳感器在生活中的應(yīng)用4傳感器在機器人上的應(yīng)用5傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用6傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用7傳感器在航空及航天領(lǐng)域的應(yīng)用8傳感器在遙感

6、技術(shù)中的應(yīng)用任務(wù)二 了解傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域任務(wù)實施：每名同學(xué)結(jié)合自己搜集的一個傳感器應(yīng)用實例，說明傳感器的種類、作用和傳感器在應(yīng)用中要滿足哪些技術(shù)參數(shù)要求。任務(wù)三 了解傳感器的發(fā)展趨勢1.微型化2.智能化3.無線網(wǎng)絡(luò)化4.集成化5.多樣化任務(wù)三 了解傳感器的發(fā)展趨勢任務(wù)實施：結(jié)合對傳感器發(fā)展趨勢的認(rèn)識，展望未來傳感器在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。任務(wù)評價：表1-2 任務(wù)評價表項目二 傳感器的測量誤差和準(zhǔn)確度任務(wù)描述：進(jìn)行測量誤差和準(zhǔn)確度的計算。學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握測量誤差的定義和分類；2.理解絕對誤差、相對誤差和準(zhǔn)確度的定義；3.能進(jìn)行絕對誤差和相對誤差的計算；4.能進(jìn)行準(zhǔn)確度的計算。學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：資料：通過

7、教學(xué)參考書和網(wǎng)絡(luò)搜集測量誤差和準(zhǔn)確度的相關(guān)知識。任務(wù)一 識記誤差的類型知識準(zhǔn)備：1.測量誤差的定義測量結(jié)果與真實值之間的差值稱為測量誤差。2.測量誤差的分類（1）根據(jù)產(chǎn)生測量誤差的原因，可以將測量誤差分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和粗大誤差三大類。任務(wù)一 識記誤差的類型1）系統(tǒng)誤差 在相同測量條件下多次測量同一物理量，其誤差大小和符號能夠恒定不變或按照一定規(guī)律變化的測量誤差，稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差表征測量的準(zhǔn)確度。2）偶然誤差 在相同測量條件下多次測量同一物理量，其誤差大小和符號都不確定，呈無規(guī)律的隨機性，此類誤差稱為偶然誤差。偶然誤差又稱隨機誤差，通常用精密度表征隨機誤差的大小。準(zhǔn)確度和精密度統(tǒng)稱為

8、精確度，簡稱精度。3）粗大誤差 是測量過程中測量者的失誤或受到突然且強大的干擾所引起的誤差。含有粗大誤差的測量數(shù)值是壞值，應(yīng)該剔除。任務(wù)一 識記誤差的類型（2）根據(jù)被測量與時間的關(guān)系測量誤差分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。1）靜態(tài)誤差測量過程中被測量不隨時間變化時所產(chǎn)生的測量誤差稱為靜態(tài)誤差。2）動態(tài)誤差測量過程中被測量在隨時間變化過程中所產(chǎn)生的測量誤差稱為動態(tài)誤差。動態(tài)誤差是由于檢測系統(tǒng)對輸入信號的滯后或?qū)斎胄盘栔胁煌l率成分所產(chǎn)生不同的衰減或延遲所造成的。動態(tài)誤差值等于動態(tài)測量和靜態(tài)測量所得誤差的差值。任務(wù)一 識記誤差的類型任務(wù)實施：從系統(tǒng)誤差、偶然誤差產(chǎn)生的原因分析如何減小。任務(wù)二 計算誤差知

9、識準(zhǔn)備：測量誤差的表示形式有絕對誤差和相對誤差兩種。（1）絕對誤差測量值A(chǔ)x與被測量真值A(chǔ)0之間的差值，稱為絕對誤差，用符號表示，計算為： Ax-A0 （1.1）式中：絕對誤差； Ax測量值； A0被測真值。任務(wù)二 計算誤差由于被測量的真值A(chǔ)0是不知道的，所以用標(biāo)準(zhǔn)表測得的真值A(chǔ)來替代。這樣絕對誤差定義為：Ax-A （1.2）式中： A標(biāo)準(zhǔn)表的指示值，稱為實際值。 請注意： 1）絕對誤差是有正、負(fù)的。當(dāng)測量值大于實際值時，絕對誤差為正；當(dāng)測量值小于實際值時，絕對誤差為負(fù)。2）絕對誤差的單位與被測量的單位相同。3）絕對誤差和誤差的絕對值不能混為一談。任務(wù)二 計算誤差（2）相對誤差 相對誤差用百分

10、數(shù)的形式表示，又有實際相對誤差、示值（標(biāo)稱）相對誤差、滿度（引用）相對誤差之分。1)實際相對誤差：它等于絕對誤差與實際值的百分比。用 表示，表達(dá)式為： （1.3）式中： 實際相對誤差； A0 實際值。任務(wù)二 計算誤差2)示值（標(biāo)稱）相對誤差：它等于絕對誤差與示值的百分比。用 表示，表達(dá)式為： （1.4）式中： 示值（標(biāo)稱）相對誤差； Ax 示值。任務(wù)二 計算誤差3）滿度（引用）相對誤差：它等于絕對誤差與儀表滿量程值的百分比。用 表示，表達(dá)式為： （1.5）式中： 實際相對誤差； Am實際值。任務(wù)二 計算誤差任務(wù)實施：完成下面兩題計算。1、某電路中的電流為10mA，用甲電流表測量時的讀數(shù)為9.8

11、mA，用乙電流表測量時其讀數(shù)為10.3mA。試求兩次測量的絕對誤差。 2、電壓表甲測量實際值為100V的電壓時，實測值為101V；電壓表乙測量實際值為1000V的電壓時，實測值為998V。試求兩次測量的相對誤差，并判斷哪次測量的準(zhǔn)確度高。任務(wù)三 計算準(zhǔn)確度知識準(zhǔn)備：傳感器和測量儀表的誤差是以準(zhǔn)確度表示的。準(zhǔn)確度常用最大引用誤差S%來表示，即: (1.6)式中: 為絕對誤差最大值; 為滿度值。任務(wù)三 計算準(zhǔn)確度任務(wù)實施：完成下面兩題計算。1、校驗一只滿度值為100V的電壓表，發(fā)現(xiàn)50V處的誤差最大，其值為1V，求該表的準(zhǔn)確度等級？2、試問用1.5 級的（0-100）的和1.0 級的（0-500）

12、的兩個溫度計測量80的水，哪個準(zhǔn)確度高？任務(wù)評價：表1-3 任務(wù)評價表項目三 檢測電路基本知識任務(wù)描述：完成PT100檢測電路的設(shè)計。學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握檢測電路的作用和對檢測電路要求；2.能根據(jù)需要正確選用檢測電路。學(xué)習(xí)準(zhǔn)備：資料：搜集檢測和轉(zhuǎn)換電路實例和PT100的技術(shù)資料。任務(wù)一 明確檢測電路的作用知識準(zhǔn)備：1檢測和轉(zhuǎn)換電路的作用完成傳感器輸出信號處理的各種接口電路統(tǒng)稱為傳感器檢測電路。傳感器檢測電路利用傳感器把被測量信息撿取出來，并轉(zhuǎn)換成測量儀表或儀器所能接收的信號，再進(jìn)行測量以確定量值的過程；或轉(zhuǎn)換成執(zhí)行器所能接收的信號，實現(xiàn)對被測物理量的控制。任務(wù)一 明確檢測電路的作用2對檢測和轉(zhuǎn)換

13、電路的要求（1）盡可能提高包括傳感器和接口電路在內(nèi)的整體效率，為了不影響或盡可能地少影響被測對象的本來狀態(tài)，要求從被測對象上獲得的能量越小越好。（2）具有一定的信號處理能力。（3）提供傳感器多需要的驅(qū)動電源。（4）盡可能完善抗干擾和抗高壓沖擊保護機制。這種機制包括輸入端的保護、前后級電路隔離、模擬和數(shù)字濾波等。任務(wù)一 明確檢測電路的作用任務(wù)實施：列舉實際電路說明檢測和轉(zhuǎn)換電路的作用。任務(wù)二 選用檢測和轉(zhuǎn)換電路知識準(zhǔn)備：傳感器輸出的信號有電阻、電感、電荷和電壓等多樣形式，輸出信號微弱，動態(tài)范圍寬，且傳感器的輸出阻抗較高。因此，傳感器的輸出信號會產(chǎn)生較大的衰減，易受環(huán)境因素的影響，不易于檢測。根據(jù)

14、傳感器輸出信號的不同特點，要采取不同的處理方法，傳感器信號的處理主要由檢測和轉(zhuǎn)換電路來完成，典型的檢測和轉(zhuǎn)換電路主要有以下幾種。任務(wù)二 選用檢測和轉(zhuǎn)換電路1.阻抗匹配器 傳感器輸出阻抗都比較高，為防止信號的衰減，常常采用高輸入阻抗的阻抗匹配器作為傳感器輸入到測量系統(tǒng)的前置電路。常用的阻抗匹配器有半導(dǎo)體管阻抗匹配器，場效應(yīng)管阻抗匹配器，運算放大器阻抗匹配器。半導(dǎo)體管阻抗匹配器，實際上是一個半導(dǎo)體管共集電極電路，又稱為射極輸出器。場效應(yīng)管是一種電平驅(qū)動元件，柵漏極間電流很小，其輸入阻抗可高達(dá) 1012 以上，可作阻抗匹配器。運算放大器阻抗匹配器。任務(wù)二 選用檢測和轉(zhuǎn)換電路 2 .電橋電路1）直流電

15、橋電橋的輸出電壓可由下式給出，即：UOUT = 電橋的平衡條件為：R2R4= R1R3任務(wù)二 選用檢測和轉(zhuǎn)換電路2）交流電橋測量時一個元件的阻抗增加，另一個元件的阻抗減小，假定Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z，則電橋的輸出電壓為：任務(wù)二 選用檢測和轉(zhuǎn)換電路3.放大電路傳感器的輸出信號一般比較微弱，因而在大多數(shù)情況下都需要放大電路。 目前檢測系統(tǒng)中的放大電路，除特殊情況外，一般都采用運算放大器構(gòu)成。任務(wù)二 選用檢測和轉(zhuǎn)換電路1)反相放大器2)同相放大器3)差動放大器(a)反向放大器 （b）同相放大器 （c）差動放大器 圖1-3 放大電路任務(wù)二 選用檢測和轉(zhuǎn)換電路4.電荷放大器 壓電式傳感器輸出的信號是電荷量的變化，配上適當(dāng)?shù)碾娙莺?，輸出電壓可高達(dá)幾十伏到數(shù)百伏，但信號功率卻很小，信號源的內(nèi)阻也很大。因此壓電式傳感器使