第1章-傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的基本概念

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)（第二版）主編吳旗高等教育出版社高等教育電子音像出版社普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材第一章傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的基本概念本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：1.傳感器簡(jiǎn)述2.自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)概述3.測(cè)量誤差與精度4.檢測(cè)系統(tǒng)中的彈性敏感元件普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材§1－1傳感器簡(jiǎn)述

一、傳感器的定義與組成傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成有用輸出電信號(hào)的器件或裝置。敏感元件

傳感元件

測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

非電量被測(cè)量非電量電參量電量傳感器組成框圖普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材二、傳感器的分類及命名（1）按工作原理劃分

參量傳感器

發(fā)電傳感器

特殊傳感器

電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器等熱電偶傳感器壓電式傳感器霍爾式傳感器等超聲波探頭激光檢測(cè)等1.分類普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（2）按被測(cè)量性質(zhì)來(lái)分機(jī)械量傳感器熱工量傳感器成分量傳感器狀態(tài)量傳感器探傷傳感器等如：扭力傳感器、傾角傳感器等如：溫度傳感器、流量傳感器等如：氣敏傳感器等如：各種接近開(kāi)關(guān)

等如：超聲波探傷儀等

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（3）按輸出量種類來(lái)分模擬傳感器數(shù)字傳感器（4）按傳感器結(jié)構(gòu)來(lái)分直接傳感器補(bǔ)償傳感器差動(dòng)傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材傳感器常常按工作原理及被測(cè)量性質(zhì)兩種分類方式合二為一進(jìn)行命名。例如：①電感式位移傳感器

②光電式轉(zhuǎn)速計(jì)

③壓電式加速度計(jì)光電式轉(zhuǎn)速計(jì)（2）命名普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材1.精度τ

三、傳感器的基本特性精度分為準(zhǔn)確度δ和精密度ε（a）準(zhǔn)確度高而精密度低（b）準(zhǔn)確度低而精密度高（c）精確度高εδ普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材2．穩(wěn)定性（1）穩(wěn)定度則穩(wěn)定度為1.3mV/h。

【例1】某儀表電壓指示值每小時(shí)變化1.3mV（2）環(huán)境影響系數(shù)則環(huán)境影響系數(shù)表達(dá)為0.02mA/（V±10%）【例2】某儀表由于電源電壓變化10%而引起指示值變化0.02mA普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材3．可靠性表征傳感器可靠性最基本的尺度是可靠度，它是衡量傳感器能夠正常工作并完成其功能的程度。例如：三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC的可靠性就很高，平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá)30萬(wàn)小時(shí)關(guān)于可靠性問(wèn)題本課程將在第八章第二節(jié)中介紹普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（1）線性度傳感器輸出－輸入的實(shí)際特性曲線和擬合直線之間的最大偏差與輸出量程范圍之比。

輸入輸出特性動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)特性線性度靈敏度遲滯分辨率4．輸入輸出特性普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材

線性度概念動(dòng)畫(huà)演示線性度表達(dá)式為普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（2）靈敏度

傳感器在穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化量與輸入變化量的比值（3）遲滯

傳感器的正向特性與反向特性的不一致程度。普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（5）動(dòng)態(tài)特性反映了當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，指示值與被測(cè)量值之間的關(guān)系。

（4）分辨率與分辨力【例3】一光柵傳感器，測(cè)量長(zhǎng)度10mm，最小測(cè)量距離0.1um則分辨率為0.1％，分辨力為0.1um普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材四、對(duì)傳感器的要求

對(duì)傳感器的具體要求因使用條件不同而異，主要從基本特性、使用性能、方便程度等方面提出要求。一般要求傳感器特性好、性能優(yōu)、使用方便易維修；體積小、重量輕、價(jià)格便宜壽命長(zhǎng)。

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材§1－2自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)概述一、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成

傳感器

轉(zhuǎn)換電路

顯示記錄

數(shù)據(jù)處理

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

被測(cè)量

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成的動(dòng)畫(huà)演示普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材

二、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的功能

1．變換功能2．選擇功能選擇有用輸入信號(hào)抑制其它一切無(wú)用影響因素普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材3．比較功能4．顯示功能模擬式儀表，比較過(guò)程由測(cè)量者在讀數(shù)時(shí)執(zhí)行數(shù)字儀表,標(biāo)準(zhǔn)量比較，然后變換成數(shù)碼指針的轉(zhuǎn)動(dòng)指示圖像顯示三、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性與傳感器的基本特性相似。數(shù)字值及符號(hào)文字顯示記錄筆移動(dòng)的痕跡普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材§1－3測(cè)量誤差與精度、測(cè)量誤差的基本概念檢測(cè)包括：檢查與測(cè)量。測(cè)量過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)比較過(guò)程。測(cè)量誤差為測(cè)量值與真值之間的偏差。

（1）真值（2）約定真值

（3）實(shí)際值（4）標(biāo)稱值（示值）（5）測(cè)量誤差有關(guān)測(cè)量的部分名詞術(shù)語(yǔ)：普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材二、誤差的分類1.按表示方法劃分

2.按誤差出現(xiàn)的規(guī)律劃分

絕對(duì)誤差相對(duì)誤差系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差粗大誤差實(shí)際相對(duì)誤差標(biāo)稱相對(duì)誤差滿度相對(duì)誤差普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材3.按被測(cè)量隨時(shí)間變化的速度劃分

4.按使用條件劃分靜態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差基本誤差附加誤差普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（1）絕對(duì)誤差

某采購(gòu)員分別在A

、B

、C

三家商店購(gòu)買(mǎi)100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購(gòu)員對(duì)C家賣牛肉干的商店意見(jiàn)最大，是何原因？

【例1】普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（2）相對(duì)誤差①實(shí)際相對(duì)誤差②標(biāo)稱相對(duì)誤差③滿度（或引用）相對(duì)誤差普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材當(dāng)Δ取為Δm時(shí)，滿度（或引用）相對(duì)誤差就被用來(lái)確定儀表的精度等級(jí)S：我國(guó)電工儀表等級(jí)分為七級(jí)，即：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0級(jí)

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材【例2】今有0.5級(jí)的0～300℃和1.0級(jí)的0

～100℃兩個(gè)溫度計(jì)，要測(cè)80℃的溫度，試問(wèn)采用哪一個(gè)溫度計(jì)好？解：用0.5級(jí)儀表測(cè)量時(shí)，最大標(biāo)稱相對(duì)誤差為：

用1.0級(jí)儀表測(cè)量時(shí)，最大標(biāo)稱相對(duì)誤差為：

顯然本例中用1.0級(jí)儀表比用0.5級(jí)儀表更合適。

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材三、儀表精度與測(cè)量精度1．儀表精度與測(cè)量精度的關(guān)系測(cè)量精度是實(shí)際相對(duì)誤差（基本誤差+附加誤差），而儀表精度是最大引用相對(duì)誤差。2．附加誤差對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材【例3】上例中1.0級(jí)溫度儀表最大標(biāo)稱相對(duì)誤差為±1.25％，若電源電壓變化為±10％時(shí)產(chǎn)生的附加誤差≤±0.5％，試估算實(shí)際測(cè)量誤差解：按最壞的情況考慮，每次誤差都達(dá)到技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的極限值，即：這樣處理的結(jié)果比較符合實(shí)際情況?；菊`差附加誤差求其均方根值為：普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材§1－4檢測(cè)系統(tǒng)中的彈性敏感元件

變形：物體因外力作用而改變?cè)瓉?lái)的尺寸或形狀彈性變形：外力去掉后能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀的變形彈性元件：具有彈性變形這類特性的物體彈性敏感元件：在傳感器中用于測(cè)量的彈性元件普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材一、彈性敏感元件的基本特性1．剛度

2．靈敏度靈敏度為常數(shù)，此彈性特性是線性例：木塊剛度小，鐵塊剛度大彈性特性曲線圖

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材二、彈性敏感元件的形式及應(yīng)用范圍

1．彈性敏感元件的形式變換力變換壓力等截面軸環(huán)狀彈性敏感元件懸臂梁扭轉(zhuǎn)軸彈簧管波紋管等截面薄板波紋膜片和膜盒薄壁圓筒和薄壁半球普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材

2．變換力的彈性敏感元件（1）等截面軸力F應(yīng)變?chǔ)?/p>

等截面軸受力動(dòng)畫(huà)演示等截面軸示意圖普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（2）環(huán)狀彈性敏感元件

較小力F應(yīng)變?chǔ)?/p>

環(huán)狀彈性敏感元件受力動(dòng)畫(huà)演示普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（3）懸臂梁懸臂梁是一端固定另一端自由的彈性敏感元件。懸臂梁受力動(dòng)畫(huà)演示懸臂梁示意圖力F應(yīng)變?chǔ)?/p>

或力F位移

x

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（4）扭轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩T

應(yīng)變?chǔ)?/p>

扭轉(zhuǎn)軸受力動(dòng)畫(huà)演示扭轉(zhuǎn)軸示意圖普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材3．變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管壓力p

中心角角位移△γ

彈簧管受力動(dòng)畫(huà)演示普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（2）波紋管壓力p

自由端的位移x波紋管受力動(dòng)畫(huà)演示波紋管示意圖普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（3）等截面薄板（4）波紋膜片和膜盒壓力p

位移x壓力差p

位移x等截面薄板示意圖膜盒示意圖應(yīng)變?chǔ)艍毫

或者

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材（5）薄壁圓筒和薄壁半球壓力p

應(yīng)變?chǔ)疟”趫A筒和薄壁半球示意圖普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材休息一下普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材光敏電阻鉑電阻測(cè)溫傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材電感式傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材陶瓷壓力電容傳感器硅電容差壓傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材普通裝配型熱電偶普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材壓電式振動(dòng)加速度傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材霍爾接近開(kāi)關(guān)霍爾電流傳感器

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材超聲波傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材激光測(cè)距儀激光掃描傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材扭力傳感器傾角傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材pt100溫度傳感器渦輪流量傳感器普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教