1模塊一教案、認(rèn)識傳感器與檢測技術(shù)

傳感器與檢測技術(shù)項(xiàng)目教程（ISBN978-7-111-48817-0）授課教案PAGEPAGE1模塊一、認(rèn)識傳感器與檢測技術(shù)授課教案建議教學(xué)學(xué)時(shí)分配表（各學(xué)?？筛鶕?jù)專業(yè)與具體情況作適當(dāng)調(diào)整）模塊順序與名稱課時(shí)模塊順序與名稱課時(shí)模塊一認(rèn)識檢測技術(shù)與傳感器12模塊九小位移檢測14、153模塊二重量檢測2、33模塊十?dāng)?shù)字式位置檢測15163模塊三溫度檢測3、4、54理論課時(shí)32模塊四壓力檢測5、6、74實(shí)驗(yàn)6模塊五流量檢測7、83實(shí)訓(xùn)6模塊六液位檢測9、103討論課、習(xí)題課2模塊七振動檢測10、113考試（建議開卷）2模塊八光學(xué)量檢測12、134合計(jì)48課程名稱：檢測技術(shù)班級：性質(zhì)：考試課授課人：課題：模塊一、認(rèn)識傳感器與檢測技術(shù)課時(shí)安排：2課次編號：1教材分析難點(diǎn)檢測系統(tǒng)框圖的繪制，作圖法求取靈敏度、線性度、誤差計(jì)算等重點(diǎn)準(zhǔn)確度等級與示值相對誤差、絕對誤差的換算教學(xué)目的和要求1.了解工業(yè)檢測的定義和內(nèi)容；2.熟悉檢測系統(tǒng)的框圖繪制方法；3.了解測量方法分類和誤差分類；4.根據(jù)準(zhǔn)確度等級來計(jì)算最大絕對誤差、示值相對誤差。5.掌握作圖法求取傳感器的靈敏度、線性度、遲滯誤差等特性采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟講授、課堂討論、分析、實(shí)訓(xùn)教具：光電檢測儀、彈簧管壓力傳感器等各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容項(xiàng)目一認(rèn)識檢測技術(shù)【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】?知識目標(biāo)1）熟悉檢測技術(shù)涉及的領(lǐng)域。2）熟悉檢測系統(tǒng)的組成。?技能目標(biāo)掌握繪制檢測系統(tǒng)原理框圖的方法。檢測的定義：檢測（Detection）是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。二、工業(yè)檢測技術(shù)的內(nèi)容表1-1工業(yè)檢測涉及的內(nèi)容被測量類型被測量被測量類型被測量熱工量溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力（壓強(qiáng)）、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面物體的性質(zhì)和成分量氣體、液體、固體的化學(xué)成分、濃度、粘度、濕度、密度、酸堿度、濁度、透明度、顏色機(jī)械量直線位移、角位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、應(yīng)變、力矩、振動、噪聲、質(zhì)量（重量）狀態(tài)量工作機(jī)械的運(yùn)動狀態(tài)（啟停等）、生產(chǎn)設(shè)備的異常狀態(tài)（超溫、過載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等）幾何量長度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、平行度、同軸度、粗糙度、硬度、材料缺陷電工量電壓、電流、功率、電阻、阻抗、頻率、脈寬、相位、波形、頻譜、磁場強(qiáng)度、電場強(qiáng)度、材料的磁性能提問：本課程重點(diǎn)介紹電量檢測還是非電量檢測？自動檢測系統(tǒng)的組成提問：什么是系統(tǒng)框圖？圖1-4自動檢測系統(tǒng)原理框圖人體信息接受過程框圖與自動檢測系統(tǒng)框圖比（2）傳感器定義：在本書中，傳感器是指一個(gè)能將被測的非電量變換成電量的器件。（3）信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路包括放大（或衰減）電路、濾波電路、隔離電路等。其中的放大電路的作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號等，以推動后級的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（4）顯示器目前常用的顯示器有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀等。模擬量是指連續(xù)變化量。模擬顯示是利用指針對標(biāo)尺的相對位置來表示讀數(shù)的，常見的有毫伏表、微安表、模擬光柱等。提問：LED與LCD比較，有什么特點(diǎn)？（5）數(shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置用來對測試所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、線性變換，對動態(tài)測試結(jié)果作頻譜分析（幅值譜分析、功率譜分析）、相關(guān)分析等，完成這些工作必須采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。（6）執(zhí)行機(jī)構(gòu)所謂執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥門、電磁調(diào)節(jié)閥、伺服電動機(jī)等，它們在電路中是起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用的電器設(shè)備。許多檢測系統(tǒng)能輸出與被測量有關(guān)的電流或電壓信號，作為自動控制系統(tǒng)的控制信號，去驅(qū)動這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。五、自動檢測系統(tǒng)舉例圖1-7自動磨削測控系統(tǒng)1－傳感器2－被研磨工件3－研磨盤提問：1.當(dāng)圖1-7中的被研磨的工件直徑逐漸變小到設(shè)定值時(shí)，研磨盤就應(yīng)該向左還是向右移動？2.該測控系統(tǒng)是閉環(huán)還是開環(huán)？項(xiàng)目二認(rèn)識傳感器【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】?知識目標(biāo)1）熟悉傳感器的定義及組成。2）熟悉傳感器的特性。?技能目標(biāo)1）掌握作圖法求取傳感器的靈敏度。2）掌握作圖法求取傳感器的線性度。提問：1.GB7665—2005對傳感器的定義說什么？（能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成）（也可以說：傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求）2.什么么情況可以將傳感器稱為變送器？（當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號時(shí)，則稱為變送器）圖1-8傳感器組成框圖三、傳感器基本特性1．靈敏度（1-1）圖1-11用作圖法求取傳感器的靈敏度提問：1.靈敏度是否越高越好？2.從切線的斜率可以看出，圖1-11振動x2點(diǎn)的靈敏度比x1點(diǎn)的靈敏度？例1-1有一壓力傳感器，測量范圍為50～300kPa，輸出特性如圖1-12所示，請用作圖法求取該壓力傳感器在輸入為250kPa時(shí)的靈敏度K250，并比較在輸入為70kPa時(shí)靈敏度的大小。圖1-12用作圖法求取某壓力傳感器不同輸入點(diǎn)的靈敏度2．分辨力提問：1.如果一臺指針式電壓表的輸入電壓變化值小于1mV時(shí)，則“死區(qū)”是多少伏？2.一臺3位數(shù)字式電壓表的最大顯示值是999mV，則輸入電壓變化值小于1mV時(shí)，顯示值會有變化嗎？3.一臺3位數(shù)字式電壓表的最大顯示值是999mV，輸入電壓變化值小于1mV時(shí)，顯示值沒有變化，2mV時(shí)有變化，則該數(shù)字式電壓表的分辨率為多少分之一？分辨率：儀表或傳感器中，還經(jīng)常涉及“分辨率”的概念。將分辨力除以儀表的量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，量綱為1。例如，上述溫度表的分辨率=0.1℃/199.9℃≈0.05%。提問：如果一臺指針式10V電壓表的輸入電壓變化值小于1mV時(shí)，則分辨率是百分之多少？3．線性度（1-2）式中ΔLmax——最大非線性偏差；ymax﹣ymin——傳感器的輸出范圍。圖1-13端基線性度作圖方法1－端基擬合直線y=Kx+b2－實(shí)際特性曲線提問：在圖1-13中，若ymax=20mA，ymin=4mA，ΔLmax=0.16mA，則端基線性度γL是百分之多少？4．遲滯誤差（1-3）式中ΔHmax——最大遲滯偏差；ymax-ymin——量程范圍。圖1-14某位移傳感器的遲滯特性1－正向特性2－反向特性提問：1.在圖1-14中，若ymax=20mA，ymin=4mA，ΔHmax=1.6mA，則端基線性度γL是百分之多少？2.產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的主要原因是什么？（傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷造、彈性滯后、運(yùn)動部件摩擦、傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)間隙、緊固件松動等）5．穩(wěn)定性提問：1.穩(wěn)定性主要包含哪兩個(gè)方面？2.某儀表輸出電壓值在8天內(nèi)的最大變化量為12mV，則表示該儀表的穩(wěn)定度為多少？6．電磁兼容性提問：電磁兼容（EMC）有哪兩方面的定義？7．可靠性提問：常用的可靠性指標(biāo)哪些？（MTBF、MTTR、λ等）圖1-15故障率變化的浴盆曲線提問：1.形成向下的浴盆曲線的原因是什么？2.為了盡量使儀表或傳感器渡越“早期失效期”，可以怎樣做？表1-2某傳感器電路的元器件故障率元件種類i晶體管集成運(yùn)放電阻電解電容電位器電路板接插件故障率λ/(%/kh)0.10.10.050.20.50.10.2數(shù)量/個(gè)522064l4解該傳感器電路總的故障率λ由所組成的元器件故障率累加得到提問：1.表1-2中，哪一種元件的故障率最大？為什么？要怎么辦？2.某一元件的數(shù)量越多，對總的故障率的影響就一定會很大，對嗎？為什么？項(xiàng)目三測量方法及測量誤差【項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】?知識目標(biāo)1）熟悉常用的測量方法。2）熟悉誤差的分類。?技能目標(biāo)掌握有關(guān)準(zhǔn)確度和絕對誤差的計(jì)算。一、測量的一般概念測量是通過借助專門的技術(shù)和儀表設(shè)備，采用一定的方法取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的實(shí)踐過程。二、測量方法分類提問：測量有哪幾種分類方法？（靜態(tài)測量和動態(tài)測量、直接測量和間接測量、模擬式測量和數(shù)字式測量、接觸式測量和非接觸式測量、在線測量和離線測量、偏位式測量、零位式測量和微差式測量）1．真值提問：真值有哪幾種？（理論真值、約定真值、相對真值等）？怎么得到？2．絕對誤差Δ=Ai-Ａ0（1-4）提問：如果用一臺電壓表測量1.5V的干電池，顯示值是1.8V，絕對誤差是多少伏？3．相對誤差1）示值相對誤差γx：用絕對誤差Δ與被測量Ax的百分比來表示，也稱為標(biāo)稱相對誤差。（1-5）提問：如果用一臺電壓表測量1.5V的干電池，顯示值是1.8V，示值相對誤差γx是百分之多少？2）引用誤差γm：（1-6）提問：如果用一臺滿度值為10V電壓表測量1.5V的干電池，顯示值是1.8V，引用誤差γm是百分之多少？（1-7）提問：1.“精度等級”、“正確度”、“精密度”、“精確度”與“準(zhǔn)確度”哪一種最常用？2.如果用一臺S=1.0級，滿度值為10V電壓表測量1.5V的干電池，最大絕對誤差是多少伏？（0.1）圖1-17從電壓表上讀取準(zhǔn)確度等級表1-3儀表常用準(zhǔn)確度等級和引用誤差對照準(zhǔn)確度等級S0.10.20.51.01.52.55.0引用誤差γm±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%提問：1.圖1-17中，S為多少級？滿度值為多少伏？2.可能出現(xiàn)的最大絕對誤差Δm是多少伏？3.示值為多少伏？示值相對誤差為百分之多少？例1-3用0.5級、量程為-50~150℃的溫度儀表來測量溫度時(shí)，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差為儀表的最大絕對誤差在多數(shù)情況下是不變的，而示值相對誤差γx隨示值的減小而增大。例如，用圖1-17所示的電壓表來測量220V電壓時(shí)，可能產(chǎn)生的最大示值相對誤差γx220=[(±5.0%×300V)÷220V]×100%＝±6.82%，而用它來測量22V電壓時(shí)，可能產(chǎn)生的最大示值相對誤差γx22=[(±5.0%×300V)÷22V]×100%=±68.2%。例1-4某壓力表的準(zhǔn)確度為2.5級，量程為0～1.5MPa，求：1）可能出現(xiàn)的引用誤差γm。2）可能出現(xiàn)的最大絕對誤差Δm為多少千帕？（注：保留3位有效數(shù)字）3）測量結(jié)果顯示為0.70MPa時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差γx。解1）可能出現(xiàn)的引用誤差（最大滿度相對誤差）可以從準(zhǔn)確度等級直接得到，即γm=±25%。2）Δm=γmAm=±25％1.5MPa=±0.0375MPa=±37.5kPa3）由上例可知，γx的絕對值總是大于γm（在滿度時(shí)的相對誤差），被測值與滿度值的差距越大，示值相對誤差就越大?！?種量程為0~300kPa壓力表的引用誤差、最大絕對誤差對照填空訓(xùn)練】引用誤差γm（±%）5.00.50.2最大絕對誤差Δm/kPa7.54.53.00.3例1-5準(zhǔn)確度為0.5級，測量范圍為0～300℃，和準(zhǔn)確度為1.0級的0～100℃的兩個(gè)溫度計(jì)，用于測量80℃解根據(jù)式（1-6）、式（1-7）計(jì)算最大絕對誤差，用0.5級0～300℃溫度表以及1.0級0～100℃溫度表測量時(shí)，可能出現(xiàn)的最大絕對誤差分別為±1.5℃及±1.0℃，測量80℃的溫度，最大示值相對誤差分別為±1.88%和±1.25%。計(jì)算結(jié)果表明，用上述1.0級表比用0.5級表測量，示值相對誤差的絕對值反而小，所以量程稍大于被測量的儀表更合適。在選用儀表時(shí)應(yīng)兼顧準(zhǔn)確度等級和量程，通常希望示值落在儀表滿度值的2/34．測量誤差的表現(xiàn)型式提問：1.什么是粗大誤差？（超出在規(guī)定條件下預(yù)計(jì)的誤差，或明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也稱疏忽誤差。）2.什么是系統(tǒng)誤差？（重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次重復(fù)測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差ΔS；或：凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化的，均屬于系統(tǒng)誤差。按其表現(xiàn)的特點(diǎn)，可分為恒值誤差、變值誤差及周期性誤差等幾大類。）3.什么是隨機(jī)誤差？由哪些因數(shù)引起？（測量結(jié)果與在重復(fù)條件下對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差稱為隨機(jī)誤差ΔR。隨機(jī)誤差大多是由影響量的隨機(jī)變化引起的，這種變化帶來的影響稱為隨機(jī)效應(yīng)，它導(dǎo)致重復(fù)觀測中的分散性。隨機(jī)誤差也可以表達(dá)為：在同一條件下，多次測量同一被測量，有時(shí)會發(fā)現(xiàn)測量值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差反映了測量值離散性的大小。隨機(jī)誤差是測量過程中許多獨(dú)立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。）4.什么是動態(tài)誤差？（根據(jù)測量的靜態(tài)特性和動態(tài)特性分類，還可將誤差分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。在被測量不隨時(shí)間變化時(shí)所產(chǎn)生的誤差稱為靜態(tài)誤差。當(dāng)被測量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上不能與被測量的變化精確吻合）測量結(jié)果的算術(shù)平均值（1-9）提問：如果對同一被測量（例如一座橋梁的長度）進(jìn)行16次同等條件下的測