項(xiàng)目一 檢測技術(shù)基礎(chǔ)

項(xiàng)目一傳感器與檢測技術(shù)主講教師：鄭金艷第二學(xué)習(xí)周檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識知識目標(biāo)：熟悉測量的基本概念與測量的方法掌握測量的基本誤差與分析方法掌握傳感器的定義、組成及類型了解傳感器的基本特性與性能指標(biāo)掌握電橋電路的工作原理及應(yīng)用了解調(diào)制電路、濾波電路的工作原理及作用

能夠進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的處理能夠根據(jù)實(shí)際要求選用傳感器能夠根據(jù)需要設(shè)計(jì)合適的測量電路

技能目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)項(xiàng)目背景生產(chǎn)過程中有各種各樣的參數(shù)需要進(jìn)行檢測和控制。檢測是指在各類生產(chǎn)、科研、試驗(yàn)及服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域，為及時(shí)獲得被測、被控對象的有關(guān)信息而實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)地對一些參量進(jìn)行定性檢查和定量測量。能從被檢測的參量中提取有用信息(它往往是電量)，并且有時(shí)還將它轉(zhuǎn)換成易于傳遞和處理的電信號，稱之為傳感器。檢測系統(tǒng)的主要組成部分之一是測量，人們采用各種測量手段來獲取所研究對象在數(shù)量上的信息，從而通過測量所得到的是定量的結(jié)果。檢測系統(tǒng)的終端設(shè)備應(yīng)該包括各種指示、顯示裝置和記錄儀表，以及各種控制用的伺服機(jī)構(gòu)或元件。任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理知識分布網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù)處理任務(wù)實(shí)施知識拓展相關(guān)知識檢測及自動檢測系統(tǒng)測量及測量方法測量誤差及分析測量數(shù)據(jù)分析及處理測量誤差的估計(jì)和校正測量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理檢測技術(shù)的發(fā)展測量數(shù)據(jù)處理任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理

對某一零件長度等精度測量16次，得到如下數(shù)據(jù)（單位為cm）：27.774，27.778，27.771，27.780，27.772，27.777，27.773，27.775，27.774，27.772，27.774，27.776，27.775，27.777，27.777，27.779。假定該測量數(shù)據(jù)不存在固定的系統(tǒng)誤差，請計(jì)算出該零件的長度?！救蝿?wù)描述】任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理1.1.1檢測及自動檢測系統(tǒng)1.檢測技術(shù)的概念與作用

檢測技術(shù)是人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進(jìn)行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技術(shù)措施。

在自動化系統(tǒng)中，首先需要通過檢測獲取生產(chǎn)流程中的各種有關(guān)信息，然后對它們進(jìn)行分析、判斷，以便進(jìn)行自動控制?！鞠嚓P(guān)知識】2.自動檢測系統(tǒng)

自動檢測系統(tǒng)指在物理量的測試中，能自動地按照一定的程序選擇測量對象，獲得測量數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，最后將結(jié)果顯示或記錄下來的系統(tǒng)。一個(gè)完整的檢測系統(tǒng)通常由傳感器、測量電路、顯示記錄裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示、處理和控制等功能。檢測系統(tǒng)的組成框圖如圖1-1所示。

圖1-1自動檢測系統(tǒng)框圖任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理各部分作用：（1）傳感器：傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。（2）測量電路：測量電路的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓或電流信號。（3）顯示記錄部分：顯示記錄裝置是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。

（4）數(shù)據(jù)處理裝置：數(shù)據(jù)處理裝置是用來對測試所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、分析，對動態(tài)測試結(jié)果做頻譜分析、相關(guān)分析等，完成這些任務(wù)需要采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。（5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動部件，通常采用電力驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動等幾種方式。

任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理1.1.2測量及測量方法1．測量的定義

測量就是借助于專門的技術(shù)工具或手段，通過實(shí)驗(yàn)的方法把被測量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，求取二者比值從而得到被測量數(shù)值大小的過程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理2．測量方法及分類

測量方法是指將被測量與其單位值進(jìn)行比較的實(shí)驗(yàn)方法。按不同的分類方法進(jìn)行分類可得到不同的分類結(jié)果。（1）根據(jù)測量的手段分類，可分為直接測量和間接測量。任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理

直接測量間接測量

任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理（2）根據(jù)被測量是否隨時(shí)間變化，可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。靜態(tài)測量動態(tài)測量（地震振動波的測量）（3）根據(jù)被測量結(jié)果的顯示方式，可分為模擬式測量和數(shù)字式測量。任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理

模擬式測量 數(shù)字式測量任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理（4）根據(jù)測量時(shí)是否與被測對象接觸，可分為接觸式測量和非接觸式測量。

接觸式測量非接觸式測量（紅外傳感器測量IC溫度）任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理（5）根據(jù)是否在生產(chǎn)線上檢測，可分為在線檢測和離線檢測。在線測量離線測量3．測量方法的選擇

考慮下列主要因素：從被測量本身的特點(diǎn)來考慮從測量的精確度和靈敏度來考慮考慮測量環(huán)境是否符合測量設(shè)備和測量技術(shù)的要求測量方法簡單可靠，測量原理科學(xué)任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理1.1.3測量誤差及分析1.測量誤差表示的方法1）絕對誤差絕對誤差也稱示值誤差，是測量儀器的示值x與被測量的真值A(chǔ)0之差，則絕對誤差△x為

由于一般無法求得真值A(chǔ)0，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常用精度高一級的標(biāo)準(zhǔn)器具的示值，即實(shí)際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0。x與A之差稱為測量器具的示值誤差，記為

采用絕對誤差（示值誤差）表示測量誤差，可以比較客觀地反映測量的準(zhǔn)確性。任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理2）相對誤差相對誤差是絕對誤差與被測量的約定值之百分比值。在實(shí)際測量中，相對誤差有實(shí)際相對誤差、示值相對誤差和滿度（引用）相對誤差。（1）實(shí)際相對誤差。實(shí)際相對誤差用絕對誤差△x與約定真值A(chǔ)的百分比表示

（2）示值相對誤差。示值相對誤差用絕對誤差△x與示值x的百分比表示

（3）滿度（引用）相對誤差。滿度相對誤差用絕對誤差△x與儀表滿量程值A(chǔ)m的百分比表示

任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理【例1-1】某溫度計(jì)的量程范圍為0~500℃，校驗(yàn)時(shí)該表的最大絕對誤差為6℃，試確定該儀表的精度等級。解：根據(jù)題意得△xm=6℃，Am=500℃,帶入式（1-6），則該溫度計(jì)的基本誤差介于1.0%與1.5%之間，因此該表的精度等級為1.5級。任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理2．測量誤差分析根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生原因可將其分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。1）系統(tǒng)誤差

在相同條件下多次測量同一量值時(shí)，誤差值保持恒定；或者當(dāng)條件改變時(shí)，其值按某一確定的規(guī)律變化的誤差，統(tǒng)稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差按其出現(xiàn)的規(guī)律又可分為定值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差。

系統(tǒng)誤差表征測量的準(zhǔn)確度，可以通過實(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法計(jì)算修正，也可以通過重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理2）隨機(jī)誤差在相同條件下，以不可預(yù)知的方式變化的測量誤差稱為隨機(jī)誤差。在一定測量條件下對同一值進(jìn)行大量重復(fù)測量時(shí)，總體隨機(jī)誤差的產(chǎn)生滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即具有有界性、對稱性、抵償性、單峰性。因此，可以分析和估算誤差值的變動范圍，并通過取平均值的辦法來減小對測量結(jié)果的影響。隨機(jī)誤差的表達(dá)式為：任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理彈著點(diǎn)很分散，表明它的精密度低彈著點(diǎn)集中但偏向一方，表明精密度雖高，但準(zhǔn)確度低彈著點(diǎn)集中靶心，則表明既精密又準(zhǔn)確，即精確度高任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理3）粗大誤差

超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差，粗大誤差又稱疏忽誤差。粗大誤差的出現(xiàn)具有突然性，它是由某些偶爾發(fā)生的反常因素造成的。

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，要采用的測量值不應(yīng)該包含有粗大誤差，即所有的壞值都應(yīng)當(dāng)剔除。所以進(jìn)行誤差分析時(shí)，要估計(jì)的誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理1.1.4測量數(shù)據(jù)處理在實(shí)際測量工作中，所測得的數(shù)據(jù)并不一定十分理想。為了能得到較精確的測量結(jié)果，應(yīng)對多次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理可以按照下列步驟進(jìn)行：任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理將所測得的數(shù)據(jù)按照下列步驟進(jìn)行處理：（1）按測量數(shù)值的順序列成表格，形成測量數(shù)據(jù)表：【任務(wù)實(shí)施】任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理【知識拓展】1．測量誤差的估計(jì)和校正1）隨機(jī)誤差的影響及統(tǒng)計(jì)處理隨機(jī)誤差處理的任務(wù)就是從隨機(jī)數(shù)據(jù)中求出最接近真值的值(或稱最佳估計(jì)值)，對數(shù)據(jù)精密度的高低(或稱可信程度)進(jìn)行評定并給出測量結(jié)果。2）系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)與判別發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差一般比較困難，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的常用方法有以下幾種：任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理（1）實(shí)驗(yàn)對比法這種方法是通過改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件，進(jìn)行不同條件的測量來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的，該方法適用于發(fā)現(xiàn)固定的系統(tǒng)誤差。（2）殘余誤差觀察法將一個(gè)測量列的殘余誤差Vi在Vi—n坐標(biāo)中依次連接后，如圖1-3所示，通過觀察誤差曲線即可以判斷有無系統(tǒng)誤差的存在。圖1-3Vi—n示意圖任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理（3）準(zhǔn)則判別法通過現(xiàn)有的相關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行理論計(jì)算，也可以檢驗(yàn)測量數(shù)據(jù)中是否含有系統(tǒng)誤差。3）系統(tǒng)誤差的校正（1）采用修正值方法

（2）從產(chǎn)生根源消除（3）補(bǔ)償法任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理2．測量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理1）表格法表格法是把被測量數(shù)據(jù)精選、定值，按一定的規(guī)律歸納整理后列于一個(gè)或幾個(gè)表格中。2）圖解法圖解法是把互相關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照自變量和因變量的關(guān)系在適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系中繪制成幾何圖形，用來表示被測量的變化規(guī)律和相關(guān)變量之間的關(guān)系。3）解析法通過實(shí)驗(yàn)獲得一系列數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅可用圖表法表示出函數(shù)之間的關(guān)系，而且可用與圖形相對應(yīng)的數(shù)學(xué)公式來描述函數(shù)之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步用數(shù)學(xué)分析的方法來研究這些變量之間的關(guān)系。任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理3．檢測技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面：

（1）不斷提高儀器的性能、可靠性，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。（2）新原理、新材料和新工藝將產(chǎn)生更多品質(zhì)優(yōu)良的新型傳感器。（3）開發(fā)展小型化、集成化、多功能化、多維化、智能化和高性能、大量程裝置。（4）微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)與儀器儀表和傳感器的結(jié)合，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域，構(gòu)成新一代智能化測試系統(tǒng)，使測量精度、自動化水平進(jìn)一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統(tǒng)。檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理神舟六號回收過程的：測控技術(shù)任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理檢測技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用人造衛(wèi)星紅外掃描區(qū)域任務(wù)1.1測量數(shù)據(jù)處理地震中的生命探測儀一、認(rèn)識傳感器傳感器是人類通過儀器探知自然界的觸角，它的作用與人的感官相類似。如果將計(jì)算機(jī)視為識別和處理信息的“大腦”，將通信系統(tǒng)比作傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”，將執(zhí)行器比作人的肌體的話，那么傳感器就相當(dāng)于人的五官?！案小薄獋鞲衅鲗Ρ粶y量的對象敏感?！皞鳌薄獋魉蛡鞲衅鞲惺鼙粶y量的信息。圖1-3自動水龍頭圖1-2自動門2．工業(yè)生產(chǎn)中使用的傳感器液位傳感器光電傳感器位置傳感器圖1-4食用油的自動化生產(chǎn)線圖1-5光電計(jì)數(shù)機(jī)光電傳感器3．地震救助中使用的傳感器

（a）雷達(dá)波探測器（b）視頻探測器（c）音頻探測器（d）紅外熱成像生命探測儀

圖1-6生命探測設(shè)備4．農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的傳感器圖1-7塑料大棚5．汽車中使用的傳感器圖1-8汽車中使用的部分傳感器任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用【任務(wù)描述】要實(shí)時(shí)監(jiān)測一個(gè)加熱爐的溫度：測量溫度范圍大約為50～80℃，檢測結(jié)果的精度要求達(dá)到1℃。現(xiàn)有3種帶數(shù)字顯示表的溫度傳感器，它們的量程分別是0～500℃,0～300℃,0～100℃，精度等級分別是0.2級、0.5級、1.0級，為了滿足測量需要，選擇合適的傳感器。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用【相關(guān)知識】1.2.1傳感器的定義與組成1.傳感器的定義

傳感器是指能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可輸出信號的器件或裝置。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用

2.傳感器的組成

傳感器通常由敏感元件、傳感元件及測量電路組成。（1）敏感元件：敏感元件是指傳感器中直接感受被測量的部分。在完成非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接轉(zhuǎn)成電量，敏感元件在接受被測量后輸出一種易于變?yōu)殡娏康姆请娏俊?/p>

（2）轉(zhuǎn)換元件。轉(zhuǎn)換元件也叫傳感元件，是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號元件。（3）測量電路。測量電路又稱為轉(zhuǎn)換電路，其作用是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(jìn)行處理，如放大、濾波、線性化和補(bǔ)償?shù)?，以轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率參量等。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用例：下圖所示為一種氣體壓力傳感器的示意圖。膜盒2下半部與殼體1固定連接，上半部通過連桿與磁芯4相連，磁芯4置于兩個(gè)電感線圈3中，后者接入轉(zhuǎn)換電路5。膜盒外部與大氣壓力pa相通，內(nèi)部感受被測壓力p。當(dāng)p變化時(shí)，引起膜盒上半部移動，即輸出相應(yīng)的位移量。這里的膜盒就是敏感元件，轉(zhuǎn)換元件為可變電感線圈，將電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路5，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用1.2.2傳感器的種類（1）按被測量分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。（2）按測量原理分為電阻、電容、電感、光柵、熱電偶、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。（3）按傳感器能量轉(zhuǎn)換情況可分為能量變換型（發(fā)電型）和能量控制型（參量型）兩種。（4）按傳感器工作原理可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器等。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用1.2.3傳感器的基本特性傳感器的基本特性：對傳感器的輸出量與輸入量之間對應(yīng)關(guān)系的描述就稱為傳感器的特性。它分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種。1.傳感器的靜態(tài)特性1）靈敏度傳感器的靈敏度S是指達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比?？杀硎緸椋喝蝿?wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用

如上圖所示，輸入輸出為線性關(guān)系的傳感器，其靈敏度為一常數(shù)，靈敏度為直線的斜率。若傳感器的輸入輸出為非線性關(guān)系，其靈敏度為工作點(diǎn)處的切線斜率。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用【例1-2】有一個(gè)位移傳感器，當(dāng)位移變化為0.5mm時(shí)，輸出電壓變化為150Mv，則靈敏度是多少?解：靈敏度為：任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用2）線性度

線性度又稱為線性誤差，是指傳感器實(shí)際特性曲線與擬合直線（也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出的百分比，如下圖所示：任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用3）遲滯性

傳感器在正（輸入量增大）、反（輸入量減?。┬谐讨休斎胼敵銮€不重合的現(xiàn)象稱為遲滯，特性圖如圖所示：任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用4）重復(fù)性

重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時(shí)所得特性曲線不一致的程度。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用5）分辨力與閾值

分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。分辨力可用絕對值表示，也可用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。6）穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是指在規(guī)定條件下，傳感器保持其特性恒定不變的能力，通常是對時(shí)間而言的。2.傳感器的動態(tài)特性

指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性。傳感器要檢測的輸入信號是隨時(shí)間而變化的，傳感器的特性應(yīng)能跟蹤輸入信號的變化，這樣才可以獲得準(zhǔn)確的輸出信號。如果輸入信號變化太快，傳感器就可能跟不上。因此，動態(tài)特性是傳感器的重要特性之一。傳感器主要有固有頻率、時(shí)間常數(shù)、頻率范圍、響應(yīng)時(shí)間、阻尼系數(shù)、臨界速度等動態(tài)技術(shù)指標(biāo)。

任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用1.2.4傳感器的選用

選擇傳感器主要考慮其靜態(tài)特性、動態(tài)響應(yīng)特性和測量方式等方面的問題，而靜態(tài)特性又包括靈敏度、線性度、精度等指標(biāo)，動態(tài)響應(yīng)特性包括穩(wěn)定性、快速性等指標(biāo)。1．靈敏度選擇在確定靈敏度時(shí)，還要考慮以下幾個(gè)問題：（1）當(dāng)傳感器的靈敏度過高時(shí)，對干擾信號也會很敏感。（2）與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。過高的靈敏度會影響其適用的測量范圍。（3）如果是一個(gè)單向量，就要求傳感器縱向靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈低愈好；如果被測量是二維或三維的向量，那么還要求傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用2．準(zhǔn)確度和精密度在選用傳感器時(shí)，要著重考慮精密度，因?yàn)闇?zhǔn)確度可用某種方法進(jìn)行補(bǔ)償，而精密度是傳感器本身固有的。3．動態(tài)范圍和線性度若配用一般測量電路，線性很重要；若用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則動態(tài)范圍需要重點(diǎn)考慮。即使非線性很嚴(yán)重，也可用計(jì)算機(jī)等對其進(jìn)行線性化處理。

4．響應(yīng)速度和滯后性對所使用的傳感器，希望其動態(tài)響應(yīng)快，時(shí)間滯后少，但這類傳感器的價(jià)格相應(yīng)就會偏高一些。5．測量方式傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。6．其他方面如傳感器的安裝現(xiàn)場條件、使用環(huán)境、信號傳輸距離等因素。

任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用【任務(wù)實(shí)施】

在本任務(wù)中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測一個(gè)加熱爐的溫度，在選擇溫度傳感器時(shí)，主要從技術(shù)指標(biāo)和成本兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。1．技術(shù)指標(biāo)分析

技術(shù)指標(biāo)以測量精度為主要因素，分別計(jì)算各自的最大相對誤差，然后進(jìn)行比較。（1）若選用量程為0～500℃、精度等級為0.2級的溫度傳感器，則它的最大示值相對誤差為：任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用（2）若選用量程為0～300℃、精度等級為0.5級的溫度傳感器，則它的最大示值相對誤差為：（3）若選用量程為0～100℃、精度等級為1.0級的溫度傳感器，則它的最大示值相對誤差為：

由精度計(jì)算可見，量程為0～300℃、精度等級為0.5級的溫度傳感器的示值相對誤差較大，精度低；量程為0～500℃、精度等級為0.2級和量程為0～100℃、精度等級為1.0級的溫度傳感器示值相對誤差相同。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用2．綜合分析與選擇

從成本考慮，量程為0～500℃、精度等級為0.2級的溫度傳感器在測量80℃時(shí)，靈敏度較小，且0.2級精度的儀器價(jià)格較高。綜合以上分析，選用量程為0～100℃、精度等級為1.0級的溫度傳感器比較合適。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用【知識拓展】1．傳感器中彈性元件形式

所謂的彈性元件是指能夠因外力作用而改變形狀或尺寸，而外力撤除后能完全恢復(fù)其原形的物體，在傳感器中應(yīng)用的彈性元件稱為彈性敏感元件。

彈性敏感元件在形式上基本分為兩大類：力變換成應(yīng)變或者位移的變換力彈性敏感元件和壓力變換成應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用1）變換力的彈性敏感元件在力變換中，彈性敏感元件的形式有實(shí)心圓柱體、空心圓柱體、等截面圓環(huán)、等截面懸臂梁、等強(qiáng)度懸臂梁、扭轉(zhuǎn)軸等。如圖所示。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用2）變換壓力的彈性敏感元件

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要測量流體（氣體或液體）產(chǎn)生的壓力。變換壓力的彈性敏感元件形式很多，通常是彈簧管、膜片、膜盒等，如圖所示。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用2.傳感器的命名與代號1）傳感器命名法的構(gòu)成傳感器產(chǎn)品的名稱，應(yīng)由主題詞及四級修飾語構(gòu)成。（1）主題詞——傳感器。（2）第一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語。（3）第二級修飾語——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字。（4）第三級修飾語——特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必須的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。（5）第四級修飾語——主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。本命名法在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計(jì)表格、圖書索引、檢索以及計(jì)算機(jī)漢字處理等特殊場合使用。例1傳感器，絕對壓力，應(yīng)變式，放大型，1～3500kPa；例2傳感器，加速度，壓電式，±20g。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用2）傳感器代號的標(biāo)記方法

一般規(guī)定用大寫漢字拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成傳感器完整代號。依次為：主稱（傳感器）、被測量、轉(zhuǎn)換原理和序號，在被測量、轉(zhuǎn)換原理、序號三部分代號之間有連字符“-”連接。如圖所示。任務(wù)1.2傳感器認(rèn)知及選用3．傳感器技術(shù)的發(fā)展方向

1）新型傳感器的開發(fā)2）傳感器的集成化3）傳感器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)本任務(wù)主要就是討論如何將被測量是電阻的輸入信號轉(zhuǎn)化成電壓進(jìn)行輸出。研究電橋電路在各種輸出狀態(tài)下，輸入電阻與輸出電壓之間的關(guān)系要求。用四個(gè)電位器組成一電阻電橋，自選橋路電壓，進(jìn)行調(diào)零，分別進(jìn)行單臂、雙臂和全橋工作方式的輸出測量，將測量所得數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值相比得到誤差，分析誤差產(chǎn)生的原因，并提出改進(jìn)措施?！救蝿?wù)描述】任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)【相關(guān)知識】

被測非電量經(jīng)過傳感器變換之后，往往成為電阻、電容、電感或電荷、電壓、電流等微小電參量。這些電參量尚需經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換裝置予以變換、放大、運(yùn)算、調(diào)整，轉(zhuǎn)換為適合于進(jìn)一步處理的形式后，才能送入顯示儀表、記錄器、控制器或輸入電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行最后處理。本任務(wù)主要介紹電橋電路、調(diào)制電路、濾波電路及抗干擾技術(shù)等。任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)1.3.1電橋電路

電橋的主要作用是把被測的非電量或者電量轉(zhuǎn)換成電阻、電感、電容的變化，再變成電流或電壓的變化。它是測量系統(tǒng)中廣泛使用的一種電路。根據(jù)電橋的供電電源不同，可分為直流電橋和交流電橋兩種。1.直流電橋

1）直流電橋平衡條件

如右圖所示，為直流電橋基本電路，電橋各臂的電阻值分別為R1、R2、R3及R4。Ui為電橋直流電源電壓，Uo為電橋輸出電壓。任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)其輸出電壓Uo為由此式可見：若R1R3=R2R4，則輸出電壓Uo為零，稱為電橋處于平衡狀態(tài)，所以把R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3稱為直流電橋的平衡條件。這說明欲使電橋平衡，其相對兩臂電阻的乘積相等，或相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等。

任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)2）單臂電橋當(dāng)電橋中R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋，如圖所示。所以，單臂電橋電壓靈敏度任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)2）雙臂電橋當(dāng)電橋中R1、R2為電阻應(yīng)變片，R3、R4為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了雙臂電橋，如圖所示。所以，雙臂電橋電壓靈敏度任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)2）四臂電橋應(yīng)變片全橋是指四個(gè)橋臂均接有應(yīng)變片，即四個(gè)橋臂電阻都發(fā)生變化，如圖所示。所以，四臂電橋電壓靈敏度

上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用四臂全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)2．交流電橋根據(jù)直流電橋分析可知，其優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單，但由于電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。交流電橋的結(jié)構(gòu)與直流電橋相同，如圖所示。其輸出電壓Uo為：由上式可導(dǎo)出交流電橋的平衡條件是：任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)1.3.2調(diào)制電路工程中被測物理量，如力、位移、溫度、流量等，經(jīng)過傳感器變換后，常常是一些緩變的微小電信號。從放大處理來看，直流放大有零漂和級間耦合等問題，為此，往往把緩慢變化的信號先變成頻率適當(dāng)?shù)慕涣餍盘?，然后利用交流放大器放大，最后再恢?fù)為原信號，這樣的變化過程稱為信號的調(diào)制與解調(diào)，它廣泛用于傳感器的調(diào)理電路中。

調(diào)制是指利用被測緩變信號來控制或改變高頻振蕩波的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率或相位），使其按被測信號的規(guī)律變化，以利于信號的放大與傳輸。若控制量是高頻振蕩波的幅值，則稱為調(diào)幅（AM）；若控制量是高頻振蕩波的頻率或相位，則稱為調(diào)頻（FM）或調(diào)相（PM）。

任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)一般把控制高頻振蕩波的緩變信號稱為調(diào)制波，載送緩變信號的高頻振蕩波稱為載波，經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩波稱為已調(diào)波，根據(jù)調(diào)制原理不同，分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波，如左圖所示。解調(diào)是對已調(diào)波進(jìn)行鑒別以恢復(fù)緩變的測量信號。

任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)1.3.3濾波電路濾波是測量系統(tǒng)排除干擾、抑制噪聲常用的方法。濾波技術(shù)分為硬件濾波和軟件濾波。

硬件濾波器是一種選頻電路，它的功能是讓指定頻段的信號以固定增益通過，而將其余頻段的信號加以抑制或使其極大地衰減；軟件濾波是通過計(jì)算機(jī)程序，采用某些算法對傳感器信號進(jìn)行處理。濾波電路在測控系統(tǒng)中的作用：一方面是濾除噪聲，另一方面是分離各種不同的信號。

1．濾波器的分類

根據(jù)濾波器處理信號的頻帶，濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等四種，濾波電路理想的幅頻特性如下圖所示：任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)（a）低通濾波器 （b）高通濾波器 （c）帶通濾波器（d）帶阻濾波器圖1-21四類濾波器的幅頻特性任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)2．RC濾波器原理及特性1）RC低通濾波器RC低通濾波器的典型電路及其幅頻、相頻特性如圖所示，這是一個(gè)典型的一階系統(tǒng)。幅頻特性為相頻特性為任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)2．RC濾波器原理及特性2）RC高通濾波器高通濾波器的典型電路及其幅頻、相頻特性如圖所示。

幅頻特性為相頻特性為任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)3）RC帶通濾波器RC帶通濾波電路可以看成是由RC低通濾波電路和高通濾波電路串聯(lián)組成，如圖所示。相頻特性為幅頻特性為任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)【任務(wù)實(shí)施】1.電阻電橋設(shè)計(jì)采用四個(gè)性能一致的1KΩ精密電位器組成如圖所示電路，輸入直流9V電源，初始狀態(tài)將電位器調(diào)整在中間，各橋臂阻值為500Ω。任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)2.電阻電橋的制作為了方便制作和器件的重復(fù)利用，可采用面包板進(jìn)行電路搭建，這樣便于電路調(diào)整，減少制作成本。將四個(gè)電位器先調(diào)至中點(diǎn)，用萬用表測其阻值為500Ω，再插接在面包板上組成橋路，接好電源線和輸出電極。接入9V直流電源，就可用萬用表或數(shù)字毫伏表測量電橋的輸出電壓了。3.電阻電橋的性能測試（1）電橋搭建好后，接入電源，將輸出接到電壓表就可開始電橋輸出性能的測試。（2）單臂時(shí)只調(diào)整一個(gè)電位器即可，雙臂時(shí)調(diào)整兩個(gè)，全橋時(shí)四個(gè)電位器同時(shí)調(diào)整。（3）調(diào)鄰邊電阻時(shí)方向要相反，使一變電阻增大，另一邊電阻減?。欢{(diào)對邊時(shí)則要使變化方向相同。（4）設(shè)定電位器的阻值每隔100Ω為一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行記錄，并對誤差進(jìn)行分析。任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)【知識拓展】在實(shí)際測量過程中，測量電路常會受到來到系統(tǒng)內(nèi)部或外部各種因素的影響，從而導(dǎo)致測量精度的下降。因此，要保證傳感器正常工作并獲得準(zhǔn)確、可靠的測量結(jié)果，就必須研究干擾的性質(zhì)、來源及抑制干擾的措施。1．干擾的類型干擾來自干擾源。在工業(yè)現(xiàn)場和環(huán)境中，干擾源是各種各樣的。按干擾的來源，可以將干擾分為外部干擾和內(nèi)部干擾。任務(wù)1.3 電阻電橋電路設(shè)計(jì)1）外部干擾

外部干擾主要來自于傳感器系統(tǒng)外部的干擾信號，如電網(wǎng)電壓的波動、電磁輻射、高壓電源漏電等。（1）電磁干擾

檢測系統(tǒng)所在位置空間的