項(xiàng)目一-傳感器與檢測技術(shù)的認(rèn)知

項(xiàng)目一傳感器與檢測技術(shù)的認(rèn)知學(xué)習(xí)目標(biāo)

1．掌握傳感器的基本概念。2．掌握傳感器的組成及各組成部分的作用。3．了解傳感器的各種分類方法。4．掌握誤差的基本概念，熟悉幾種測量誤差的定義和表示。5．能區(qū)分各種測量誤差并進(jìn)行處理。6．掌握傳感器的基本特性和傳感器的選用原則。本章任務(wù)任務(wù)一傳感器的認(rèn)知

任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理任務(wù)三傳感器與檢測系統(tǒng)的特性認(rèn)知任務(wù)四傳感器的選用

一、傳感器的定義

“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用輸出信號的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路所組成。”任務(wù)一傳感器的認(rèn)知二、傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。

敏感元件

傳感元件

測量轉(zhuǎn)換電路非電量非電量電參量電量（被測量）（1）敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。（2）轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量。（3）轉(zhuǎn)換電路：電參量轉(zhuǎn)換成可直接利用的電信號。任務(wù)一傳感器的認(rèn)知三、傳感器的分類1．按被測量分類按被測量分類，即按照傳感器的輸入信號分類，它能夠很方便的表示傳感器的功能，便于用戶的選擇。

任務(wù)一傳感器的認(rèn)知三、傳感器的分類2、按傳感器的工作原理分類按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、磁電式、光電式、壓電式、熱電式、霍爾式、超聲波、激光、光纖等傳感器。這種分類便于從原理上認(rèn)識輸入與輸出之間的變換關(guān)系，有利于專業(yè)人員從原理、設(shè)計及應(yīng)用上進(jìn)行歸納性的分析與研究。

任務(wù)一傳感器的認(rèn)知三、傳感器的分類3、按能量關(guān)系分類按能量關(guān)系分類，可分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型兩類。能量轉(zhuǎn)換型又稱為發(fā)電型或有源傳感器。這種傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作，無需外加電源。如熱電偶、壓電片、光電池等傳感器。能量控制型又稱參量型或無源傳感器。這種傳感器要從外部獲得能量使其工作，需外加電源。如電阻式、電容式、電感式等傳感器。任務(wù)一傳感器的認(rèn)知三、傳感器的分類4、按信號轉(zhuǎn)換特征分類按信號轉(zhuǎn)換特征分類，可分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩類。結(jié)構(gòu)型：通過傳感器的結(jié)構(gòu)參量發(fā)生變化實(shí)現(xiàn)信號變換。如電容式傳感器是根據(jù)兩極板的間距或面積發(fā)生變化，從而使電容量發(fā)生改變。物性型：利用某些物質(zhì)的某些性質(zhì)隨被測參數(shù)變化來實(shí)現(xiàn)信號變換。如壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)測量的。任務(wù)一傳感器的認(rèn)知傳感器的樣式細(xì)長型壓力傳感器位移傳感器溫度傳感器任務(wù)一傳感器的認(rèn)知傳感器的應(yīng)用實(shí)例一安檢門任務(wù)一傳感器的認(rèn)知傳感器的應(yīng)用實(shí)例二密閉容器的液位檢測任務(wù)一傳感器的認(rèn)知測量：是把被測未知量與同性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，并用數(shù)字表示這個倍數(shù)的過程。（測量的結(jié)果包括數(shù)值大小和測量單位兩個部分）

以天平測量為例：①比較：被測量和標(biāo)準(zhǔn)量（砝碼）分別放到天平兩邊秤盤上比較。②示差：觀察指針位置的變化值，即示差。③平衡：調(diào)整砝碼數(shù)值，使之平衡。④讀數(shù)：根據(jù)砝碼多少，讀出物體質(zhì)量的值，即讀數(shù)。任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理測量誤差的基本概念

1．測量誤差2．真值3．標(biāo)稱值4．示值5．精確度（精度）6．重復(fù)性7．誤差公理任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理測量誤差的表示法

1、絕對誤差：被測量的指示值x與真值x0之間的差值。絕對誤差Δx=指示值x－真值x0

絕對誤差Δx=指示值x－實(shí)際值x0

任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理測量誤差的表示法2、相對誤差：絕對誤差與真值(實(shí)際值)比值的百分?jǐn)?shù)。式中：x0為真值，x為指示值。任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理3、引用誤差（或滿度相對誤差）：絕對誤差與儀表量程比值的百分?jǐn)?shù)。

任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理4、最大引用誤差：最大絕對誤差與儀表量程比值的百分?jǐn)?shù)。

任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理

某人分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少0.5kg，但此人對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理測量誤差的分類

一、按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類：按誤差出現(xiàn)的規(guī)律，誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差三類。二、按被測量與時間的關(guān)系分類：可分為靜態(tài)誤差與動態(tài)誤差兩大類。任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理系統(tǒng)誤差：在相同的條件下，多次重復(fù)測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或在條件改變時，遵循一定規(guī)律變化的誤差。隨機(jī)誤差：在相同的條件下，多次重復(fù)測量同一量時，誤差的大小和符號均無規(guī)律變化的誤差。粗大誤差：明顯歪曲測量結(jié)果的誤差。任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理粗大誤差的例子任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理1．靜態(tài)誤差：在被測量不隨時間變化時測得的測量誤差。2．動態(tài)誤差：在被測量隨時間變化過程中進(jìn)行測量時所產(chǎn)生的附加誤差。它的大小為動態(tài)中測量和靜態(tài)中測量所得誤差值的差值。任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理測量誤差的處理1．從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源上考慮，設(shè)法消除或盡量減小其影響。2．采用修正方法來消除。3．采用一些有效的測量方法來消除。（1）交換法（2）抵消法（3）替代法（4）對稱測量法（5）補(bǔ)償法想一想，實(shí)際中你遇到了哪些消除誤差的方法系統(tǒng)誤差的處理任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理1．概率、概率密度和正態(tài)分布2．隨機(jī)誤差的特性3．算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差4．測量結(jié)果的正確表示和置信度

隨機(jī)誤差的處理

任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理1．定性分析：對測量設(shè)備、測量條件、測量步驟進(jìn)行分析，看是否存在問題而引起出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。這種判斷無嚴(yán)格規(guī)則，屬于定性判斷。2．定量判斷：用概率統(tǒng)計和誤差理論知識建立的粗大誤差判斷準(zhǔn)則為依據(jù)，進(jìn)行定量判斷，以確定該異常值是否應(yīng)剔除。在工程上常用拉依達(dá)準(zhǔn)則（3準(zhǔn)則）來判斷粗大誤差：

粗大誤差的處理

拉依達(dá)準(zhǔn)則表達(dá)式

任務(wù)二測量誤差的認(rèn)知及處理1．線性度2．遲滯性3、重復(fù)性4、靈敏度5、分辨率6、測量范圍與量程7、穩(wěn)定性8、漂移靜態(tài)特性靜態(tài)特性：當(dāng)被測量不隨時間變化或變化緩慢時，認(rèn)為傳感器與檢測系統(tǒng)的輸入量和輸出量都和時間無關(guān)。任務(wù)三傳感器與檢測系統(tǒng)的特性認(rèn)識1．線性度線性度又稱非線性度或非線性誤差，是指實(shí)際輸入輸出特性曲線與擬合直線（理想直線）之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出值的百分比。2．遲滯性遲滯性又稱回差或滯后性，是傳感器與檢測系統(tǒng)在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中輸入輸出特性曲線之間不重合的程度任務(wù)三傳感器與檢測系統(tǒng)的特性認(rèn)識3．重復(fù)性重復(fù)性是指輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次測試時，所得特性曲線最大不重復(fù)誤差與傳感器滿量程范圍值的百分比4．靈敏度靈敏度是指傳感器與檢測系統(tǒng)對被測量變化的反應(yīng)能力。①靈敏度S是有量綱的。但若x與y是同類量時，S無量綱，為放大倍數(shù)K。②若系統(tǒng)是有多個環(huán)節(jié)組成的串聯(lián)式系統(tǒng)，則系統(tǒng)總靈敏度為各個環(huán)節(jié)靈敏度的乘積，即S＝S1S2S3。③靈敏度越高，測量精度越高，但測量范圍越窄，穩(wěn)定性越差。任務(wù)三傳感器與檢測系統(tǒng)的特性認(rèn)識5．分辨率分辨率是指傳感器能夠檢測出被測量的最小變化量，是有量綱的數(shù)。對數(shù)字式儀表，該表的最后一位數(shù)值就是它的分辨率；一般模擬式儀表分辨率為最小刻度分格數(shù)值的一半。靈敏度越高，分辨率越好。6．測量范圍與量程測量范圍是指在規(guī)定的測量特性和精確度范圍內(nèi)所測量的被測變量的范圍。測量上限和測量下限的代數(shù)差稱為量程。任務(wù)三傳感器與檢測系統(tǒng)的特性認(rèn)識7．穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指傳感器在較長時間內(nèi)保持其原性能的能力。即對于相同輸入量，其輸出量發(fā)生變化的程度。8．漂移漂移是指在外界干擾的情況下，在一定的時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化程度，包括時間漂移和溫度漂移。時漂是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂是指周圍溫度變化引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。任務(wù)三傳感器與檢測系統(tǒng)的特性認(rèn)識任務(wù)三傳感器與檢測系統(tǒng)的特性認(rèn)識二、動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器與檢測系統(tǒng)的被測量隨時間變化很快時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。通常是用實(shí)驗(yàn)方法求得的。一、傳感器的常用性能指標(biāo)1.基本參數(shù)指標(biāo)①量程指標(biāo)：量程范圍、過載能力等。②精度指標(biāo)：精度（誤差）、線性度、遲滯性、重復(fù)性、穩(wěn)定性、漂移、閥值等。③靈敏度指標(biāo)：靈敏度、分辨率、輸入與輸出阻抗等。④動態(tài)性能指標(biāo)：頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、時間常數(shù)、阻尼系數(shù)、過沖量等。任務(wù)四傳感器的選用一、傳感器的常用性能指標(biāo)2.環(huán)境參數(shù)指標(biāo)①溫度指標(biāo)：工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、靈敏度溫度系數(shù)、熱滯后等。②抗沖振指標(biāo)：各種沖振允許頻率、振幅、加速度等。③其他環(huán)境參數(shù)：抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕、抗電磁場干擾能力等。任務(wù)四傳感器的選用一、傳感器的常用性能指標(biāo)3.可靠性指標(biāo)①工作壽命。②平均無故障時間。③絕緣電阻。④耐壓值。⑤疲勞性能。⑥反抗飛弧性能等。任務(wù)四傳感器的選用一、傳感器的常用性能指標(biāo)4.其他指標(biāo)①使用方面：供電方式（交直流、頻率、波形等）、電壓頻率范圍及穩(wěn)定度、功耗等。②安裝接線方面：安裝方式、接線電纜要求、接線方式等。③結(jié)構(gòu)方面：外形尺寸、質(zhì)量、材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。任務(wù)四傳感器的選用二、傳感器的選擇要求1．根據(jù)測量目的和測量對象確定傳感器類型①測量目的是要直接得到被測量、作為過程控制量或是其它用途。②測量對象為固體還是液體；采用接觸式還是非接觸式傳感器；靜態(tài)測量還是動態(tài)測量；有無負(fù)荷效應(yīng)及對被測量的影響；被測位置對傳感器有無體積有求等。③測量環(huán)境包括安裝現(xiàn)場條件、環(huán)境條件（溫度、濕度和振動等）、過載保護(hù)、信號傳輸距離、與傳感器連接的系統(tǒng)負(fù)荷阻抗情況等。任務(wù)四傳感器的選用二、傳感器的選擇要求2．根據(jù)傳感器技術(shù)指標(biāo)確定傳感器種類①靜態(tài)特性要求：如測量范圍、測量精度、靈敏度、分辨率、遲滯性和重復(fù)性等；②動態(tài)特性要求，如快速性和穩(wěn)定性等；③信息傳遞要求，如形式和距離等；④過載能力要求，如機(jī)械、電氣和熱過載能力。任務(wù)四傳感器的選用二、傳感器的選擇要求3．根據(jù)測量系統(tǒng)要求確定傳感器的種類①系統(tǒng)要求的信號形式，如實(shí)時與否；數(shù)字還是模擬等。②與傳感器連接的負(fù)荷阻抗特性等。③傳輸和連接接口等。任務(wù)四傳感器的選用二、傳感器的選擇要求4．根據(jù)使用環(huán)境確定傳感器種類考慮溫度、濕度、大氣壓力、振動、磁場、電場、附近有無大功率用電設(shè)備、加速度、傾斜、防火、防爆、防化學(xué)府蝕以及有害于周圍材料的壽命及操作人員的身體健康等。任務(wù)四傳感器的選用二、傳感器的選擇要求5．電源的要求電源電壓形式、等級、功率、波動范圍、頻率及