傳感器原理及應(yīng)用實(shí)踐任務(wù)書

《傳感器原理及應(yīng)用實(shí)踐》任務(wù)書一、實(shí)踐目的學(xué)生通過資料查閱、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)調(diào)試、結(jié)果分析并提交設(shè)計(jì)報(bào)告，完成一個(gè)完整的傳感器在工程實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例，從而使學(xué)生進(jìn)一步掌握傳感器的系統(tǒng)構(gòu)造、各部分的工作原理及設(shè)計(jì)方法，了解傳感器的工程應(yīng)用背景，并初步具備傳感器的設(shè)計(jì)和開發(fā)能力。具體目標(biāo)如下：1.能夠根據(jù)給定任務(wù)，完成傳感器檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。2.掌握敏感元件特性分析方法。3.掌握轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試方法。4.掌握常用電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器的使用方法。5.掌握傳感器接口電路、信號(hào)處理電路、放大電路、濾波電路、運(yùn)算電路、顯示電路以及執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)電路等單元電路原理與設(shè)計(jì)方法。6.能夠理論系聯(lián)實(shí)際，加深對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解，提高分析問題和解決問題的能力。二、實(shí)踐要求1.查資料、給出設(shè)計(jì)參數(shù)；2.在實(shí)驗(yàn)室連接有關(guān)電路、進(jìn)行調(diào)試；3.在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)記錄；4.寫設(shè)計(jì)報(bào)告5.答辯三、考核方式根據(jù)設(shè)計(jì)過程、調(diào)試過程（電路質(zhì)量、分析和解決問題能力、考勤等）、設(shè)計(jì)報(bào)告和答辯驗(yàn)收四個(gè)部分綜合給出成績(jī)，各個(gè)環(huán)節(jié)各占25%。四、實(shí)踐內(nèi)容溫度自補(bǔ)償測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用熱電偶檢測(cè)溫度信號(hào)，并用集成溫度傳感器做冷端補(bǔ)償，設(shè)計(jì)傳感器轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)調(diào)理電路可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度變化自動(dòng)補(bǔ)償，以準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)溫度信號(hào)。具體內(nèi)容有以下幾部分：1.設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算。根據(jù)課堂所講授的測(cè)溫自補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)并計(jì)算相關(guān)電路參數(shù)的數(shù)值。

2.參考室溫的獲取。利用熱電阻的測(cè)溫電路獲得當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境的室溫溫度。3.升溫過程中K型熱電偶輸出信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（多次測(cè)量）。4.降溫過程中K型熱電偶輸出信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（多次測(cè)量）。5.K型熱電偶階躍響應(yīng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（多次測(cè)量）。6.K型熱電偶分辨力實(shí)驗(yàn)（多次測(cè)量）。7.K型熱電偶溫漂實(shí)驗(yàn)（多次測(cè)量）。8.數(shù)據(jù)分析。繪圖、計(jì)算升溫過程中K型熱電偶的線性度、靈敏度；繪圖、計(jì)算降溫過程中K型熱電偶的線性度、靈敏度；繪圖、計(jì)算K型熱電偶的遲滯誤差、重復(fù)性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性；計(jì)算K型熱電偶的精度；繪制K型熱電偶的階躍響應(yīng)曲線；K型熱電偶的分辨力分析。五、實(shí)踐報(bào)告實(shí)踐報(bào)告內(nèi)容應(yīng)包括以下幾部分：實(shí)踐目的、實(shí)踐內(nèi)容、電路分析、參數(shù)計(jì)算、實(shí)踐過程、數(shù)據(jù)分析、總結(jié)、附錄-實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。附錄1：傳感器的靜態(tài)特性所謂靜態(tài)特性，是指當(dāng)被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)（靜態(tài)測(cè)量）時(shí)，傳感器的輸出值與輸入值之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式、曲線或數(shù)表。當(dāng)一個(gè)傳感器制成后，可用實(shí)際特性反映其在當(dāng)時(shí)用使條件下實(shí)際具有的靜態(tài)特性。借助實(shí)驗(yàn)方法確定傳感器靜態(tài)特性的過程稱為靜態(tài)校準(zhǔn)。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)包括線性度、遲滯、靈敏度、重復(fù)性、精度、分辨力和漂移等。下面只重點(diǎn)介紹線性度、遲滯、靈敏度、重復(fù)性、精度五個(gè)指標(biāo)。1線性度輸出與輸入之間滿足線性比例關(guān)系的傳感器稱為線性傳感器，而大多數(shù)實(shí)用傳感器的輸出和輸入關(guān)系不會(huì)完全符合期望的線性關(guān)系。衡量傳感器線性特性好壞的指標(biāo)稱為非線性誤差，或稱線性度。線性度曲線如圖1所示，線性度是將傳感器的實(shí)際下限和滿量程上限的連線作為參考直線，傳感器實(shí)際平均輸出（正反行程的平均）特性曲線對(duì)參考直線的最大偏差絕對(duì)值與滿量程輸出百分比。線性度的表達(dá)式為：（1-1），，式中|Δ|為實(shí)際平均輸出特性曲線與參考直線間最大偏差的絕對(duì)值；，為滿量程輸出。滿量程輸出用測(cè)量上限標(biāo)稱值與測(cè)量下限標(biāo)稱值之差的絕對(duì)值來，表示，即，|（1-2）圖12遲滯傳感器在正（輸入量增加）、反（輸入量減少）行程中，輸入和輸出特性不重合現(xiàn)象稱為遲滯。遲滯特性曲線如圖2所示。換言之，對(duì)應(yīng)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正、反行程的輸出信號(hào)大小不相等。遲滯可用傳感器最大正反差值與滿量程輸出百分比來表示，即（1-3），，式中Δ為輸出值正、反行程的最大差值。，圖23靈敏度靈敏度是傳感器輸出量增量與被測(cè)輸入量增量之比，用K來表示，其特性曲線如圖3所示。線性傳感器的靈敏度就是擬合直線斜率，即（1-4）非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù)，其表達(dá)式為（1-5）圖34重復(fù)性重復(fù)性表示傳感器在同一工作條件下，被測(cè)輸入量按同一方向作全程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，所的輸出值（所得校準(zhǔn)曲線）的一致程度。它是反映傳感器精密度的一個(gè)指標(biāo)。重復(fù)性R的表達(dá)式為（1-6），（），（）式中為滿量程輸出值；，為對(duì)應(yīng)于測(cè)量下為對(duì)應(yīng)于測(cè)量K-為理論特性曲線的斜率；λ-置信系數(shù)，取2或3；限的輸入值；上限的輸入值；通常S-為子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差。5精度精度是反映系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合誤差值表，一般用全量程范圍為內(nèi)最大相對(duì)百分比誤差的100倍表示。（1-7），式中為全量程范圍內(nèi)引入的最大絕對(duì)誤差。附錄2：傳感器的動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)特性不考慮時(shí)間變化的因素，而動(dòng)態(tài)特性是反映傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。當(dāng)傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)、溫度變化等時(shí)，都離不開動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)。傳感器的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)分為時(shí)域特性和頻域特性兩種。1時(shí)域特性指標(biāo)通常在階躍信號(hào)作用下測(cè)定傳感器動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域指標(biāo)。一般認(rèn)為，階躍輸入對(duì)于一個(gè)傳感器來說是最嚴(yán)峻的工作狀態(tài)。如果在階躍信號(hào)的作用下傳感器能滿足動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，那么在其他信號(hào)作用下，其動(dòng)態(tài)性能也必定會(huì)令人滿意。通常用以下四個(gè)指標(biāo)來表示傳感器的動(dòng)態(tài)性能：(1)時(shí)間常數(shù)T：輸出值上升到穩(wěn)定值y(∞)的63%所需的時(shí)間。(2)上升時(shí)間：輸出值從穩(wěn)定值y(∞)的10%上升到90%所需的時(shí)間。(3)響應(yīng)時(shí)間、：分別指輸出值達(dá)到穩(wěn)定值的95%或98%所需的時(shí)間。(4)超調(diào)量：在過渡過程中，若，則相應(yīng)無超調(diào)；若，則有超調(diào)，且（1-8）2頻域特性指標(biāo)通常以正弦信號(hào)作為典型輸入，測(cè)定傳感器動(dòng)態(tài)特性的頻域指標(biāo)。在標(biāo)定壓力傳感器的頻域性能指標(biāo)時(shí)，常使用正弦波壓力發(fā)生器。如圖4所示，常有如下