传感器及检测技术教案(18页).doc

-传感器及检测技术教案-第 18 页传感器及检测技术项目一 传感器误差与特性分析任务1 检测结果的数据整理1.1.1 测量与测量方法 1.检测2.测量方法(1)电测法和非电测法(2)直接测量和间接测量(3)静态测量和动态测量(4)接触性测量和非接触性测量(5)模拟式测量和数字式测量1.1.2 测量误差及其表示方法测量误差：测量值与其真值之间的差值例：某温度计的量程范围为0-500ºC，校验时该表的最大绝对误差为6ºC，试确定其精度等级？查表1.1，精度等级应定为1.5级任务1：现有0.5级的0300ºC和1.0级0100ºC的两个温度计，欲测量80ºC的温度，试问选用哪一个温度计好？为什么？在选用仪器时应考虑哪些方面？实施：0.5级的0300ºC的温度计测量时可能出现的最大绝对误差为：用其测量80ºC可能出现的最大示值相对误差为：1.0级的0100ºC的温度计测量时可能出现的最大绝对误差为：用其测量80ºC可能出现的最大示值相对误差为：结论：选用1.0级的0100ºC的温度计较好。选用仪器时，不能单纯追求精度，而是要兼顾精度和量程1.1.3 测量误差的分类及来源1.系统误差2.随机误差3.粗大误差（疏忽误差、过失误差)4.缓变误差任务2 传感器特性分析与传感器选用1.2.1 传感器的组成及其分类1.2.2 传感器的静态特性与指标传感器的静态特性指标1.精密度、准确度和精确度2.稳定性3.灵敏度4.线性度（非线性误差）5.迟滞6.可靠性1.2.3 传感器的动态特性与指标1.动态特性2.传感器的阶跃响应3.传感器的频率响应1.2.4 传感器的标定项目二速度与位移测量 任务1 压电传感器测量加速度新课导入生活中的压电效应现象及应用新知识讲授知识链接自发电式传感器：以某些电介质的压电效应为基础，外力作用下，在电介质表面上产生电荷，实现力与电荷的转换，完成非电量（动态力、加速度等）的检测，但不能用于静态参数的测量2.1.1 压电效应1、压电效应2、逆压电效应2.1.2 压电材料1压电晶体2压电陶瓷3高分子压电材料2.1.3 压电式传感器测量电路1压电元件的等效电路2压电式传感器的等效电路任务与实施【任务1】 随着人民生活水平的提高，小轿车已进入了普通百姓家庭之中。但交通拥挤极易造成交通事故。一旦发生撞车事故，及时保护乘员的安全必须放在首位。如何根据车速的变化及时判断汽车属于正常行驶还是发生撞车事故呢？【实施方案】 当汽车在正常的高速行驶中发生撞车事故时，其加速度的变化很大，因此可以根据负向加速度的变化判断是否需要对乘员进行保护。测量加速度用压电传感器具有结构简单、体积小、重量轻、坚实牢固、振动频率高（频率范围约为0.310 kHz）、加速度测量范围大（加速度为10-5 g10-4 g，g为重力加速度9.8 m/s2）和工作温度范围宽等优点，在汽车、飞机、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中获得广泛应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。【任务2】 在公路运输中，货车超载、肇事逃逸等现象屡屡发生，给人们的安全带来了极大的隐患。及时根据现场留下的信息进行准确判断、快速高效处理交通事故便成为交警的当务之急。现有一辆肇事车辆以较快的车速冲过测速传感器，那么如何测量车速和汽车载重、确定汽车的车型、判断汽车是否超速或超重行驶呢？【实施方案】将两根相距2m的高分子压电电缆平行埋设于柏油公路路面下约5cm，当一辆肇事车辆以较快的车速冲过测速传感器时，两根PVDF压电电缆测速原理如下图所示：小结压电效应及逆压电效应；压电效应的应用；压电材料及种类；压电效应测力的转换电路任务2 光电传感器测量转度导入知识回顾：压电效应及逆压电效应 压电效应的应用新知识讲授光电效应用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为E的光子的轰击，组成这种物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应2.2.2 光电器件1光电管2光敏电阻3光敏晶体管（1）光敏二极管结构及工作原理（2）光敏三极管结构及工作原理特性检测方法应用电路4光电池任务与实施【任务1】 在冷轧带钢厂中，带钢在某些工艺如连续酸洗、退火、镀锡等过程中易产生走偏。在其他工业部门如印染、造纸、胶片、磁带等生产过程中也会发生类似的问题。带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成次品。实际中如何克服此种现象以提高产品的质量呢？【任务2】 在转速测量过程中，传统的机械式转速表和接触式电子转速表均会影响被测物的旋转速度，且被测旋转速度的大小也有一定的限制，不能很好满足自动化的要求。如何在不干扰被测物体转动的前提下实现高转速测量呢？任务3 霍尔传感器测量位移导入知识回顾：光电效应及分类；光电器件及其特性；光电传感器组成及应用新课讲授2.3.1 霍尔元件工作原理2.3.2 霍尔元件的主要特性参数2.3.3 霍尔元件的测量电路及补偿1基本测量电路2温度补偿的方法（1）为什么要进行温度补偿？（2）补偿的方法： 恒流源补偿法： 选择合理的负载电阻进行补偿 利用霍尔元件输入回路的串联电阻或并联电阻进行补偿的方法 热敏电阻补偿法3不等位电势的补偿（1）不等位电势及其产生原因（2）补偿的方法及原理2.3.4 霍尔传感器的应用（1）角位移测量仪（2）霍尔转速表项目三 流量测量：任务1 差压式流量计测流量新课导入生活中流量传感器的实例新知识讲授3.1.1 流量及其测量方法 1流量2流量测量方法3.1.2 差压式流量计（节流式流量计）1测量原理与流量方程2标准节流装置（1）标准节流件（2）取压方式3标准节流装置的使用条件与管道条件3.1.3 差压计1双波纹管差压计2膜片式差压计任务与实施【任务】差压式流量计在工业领域流量测量方面应用非常广泛，它的使用量大概占全部流量仪表的60%70%。当被测介质不同时，在安装方面应注意哪些问题？差压式流量测量元件应如何校验？ 【实施方案】差压式流量计主要由节流装置、传送差压信号的引压管路及差压计组成。各部分是否可靠正确地安装，将直接影响测量精确度，因此必须十分重视安装工作任务2 容积式流量计测流量新课导入生活中流量传感器的实例新知识讲授任务2 容积式流量计测流量3.2.1 椭圆齿轮流量计 1、结构原理2、应用特点 3.2.2 腰轮流量传感器1、结构原理2、应用特点3.2.3 刮板式流量计1、结构原理2、应用特点任务3 速度式流量计测流量课程导入知识回顾：流量及其测量方法；差压式流量计结构原理；容积式流量计结构原理新课讲授3.3.1 电磁流量计1测量原理3.3.2 涡轮流量计1测量原理2结构3.3.3 超声波流量计1测量原理（1）时差（2）相位差法（3）频率差法3.3.4 流体振动式流量计1涡街流量计（1） 测量原理与结构（2）旋涡频率的检测2. 旋进式旋涡流量计任务与实施项目四 力测量 任务1电阻应变式传感器测量压力导入温度测量传感器的种类及其相应原理任务1 电阻应变式传感器测量压力知识链接电阻式传感器的基本原理被测量的变化-转换电路（直流电桥）-4.1.1 电阻应变片的种类与结构1、丝式应变片2、箔式应变片 3、薄膜应变片4.1.2 电阻的应变效应1、应变效应2、弹性敏感原件（1）柱式弹性原件（2）薄壁圆筒（3）悬臂梁4.1.3 测量电路1、直流电桥工作原理知识链接电阻式传感器的基本原理被测量的变化-转换电路（直流电桥）-4.1.3 测量电路2、电阻应变片测量电桥（1）应变片单臂工作直流电桥（2）应变片双臂直流电桥（半桥）结论：相同条件下（供电电源和应变片型号不变）半桥差动输出是单臂输出的2倍。检测的灵敏度提高一倍。4.1.4 应变片的温度误差及其补偿1、温度误差（1）单丝自补偿应变片（2）双丝组合式自补偿应变片（3）桥式电路补偿3.1.5 电阻应变式传感器的应用1、测量较大压力【任务】 在生产过程中，需对动力管道设备进出口的气体或液体的压力、发动机内部的压力变化等进行测量，以实现自动控制及自动报警功能。要求选择器件把压力信号转换为电信号，并完成信号处理，使最终输出的电信号与压力大小呈线性关系【实施方案】1确定弹性元件2、确定测量用传感器3、测量电路4、信号补偿（1）温度引起的误差补偿（2）线路传输引起的误差补偿5、压力标定3.2.1 自感式传感器1、基本变间隙自感式传感器2、差动变间隙式传感器3、螺管型电感式传感器4、测量电路（1）交流变压器式电桥（2）谐振调幅电路（3）谐振调频电路4.2.2 互感式传感器1、螺线管式差动变压器2、变间隙式差动变压器传感器小结电感传感器测力原理及种类电感传感器测量电路任务2 电感式传感器测量压力(二)4.2.2 互感式传感器3、测量电路（1）差动整流电路衔铁在零位：衔铁上移：衔铁下移：（2）相敏检波电路4.2.3 电感式传感器的应用1、用自感式传感器测量位移2、用变压器式传感器测量加速度3、用变压器式传感器测量压力【任务】 在液体输送管道中需要了解流动中液体的压力。要求把液体压力信号转换为电信号，并对其转换出的信号进行处理，使处理后输出的电信号与液体压力呈一一对应关系。【实现方案】 完成气体压力测量可按如下环节进行1确定弹性元件2确定测量用传感器3确定测量电路项目五 温度测量 任务1 热电偶传感器测量温度导入测量温度的传感器的种类，本次课程要求。新课讲授项目2 温度测量任务1 热电偶传感器测量温度 5.1.1 热电偶工作原理热电偶温度传感器将被测温度转化为mV级热电动势信号输出，属于自发电型传感器，测温范围为-2701800。测温时需将热电偶通过连接导线与显示仪表相连接组成测温系统，实现远距离温度自动测量、显示、记录、报警和控制等，图2.1所示的温度检测系统应用非常广泛。图2.2 热电偶回路图2.1 热电偶测温系统示意图 1热电效应 将两种不同的导体或半导体两端相接组成闭合回路，如图2.2所示，当两个接点分别置于不同温度t、t0（t > t0）中时，回路中就会产生一个热电动势，这种现象称为热电效应。两种导体称为热电极，所组成的回路称为热电偶，热电偶的两个工作端分别称为热端和冷端。热电偶回路产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成（1）接触电动势 当A、B两种不同导体接触时，由于两者电子密度不同（设NA>NB），从A扩散到B的电子数要比从B扩散到A的电子数多，于是在A、B接触面上形成了一个由A到B的静电场。该静电场的作用一方面阻碍了A导体电子的扩散运动，同时对B导体电子的扩散运动起促进作用，最后达到动态平衡状态。这时A、B接触面所形成的电位差称为接触电动势，其大小分别用eAB(t)、eAB(t0)表示。 接触电动势的大小与接点处温度高低和导体的电子密度有关。温度越高，接触电动势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电动势越大。（2）温差电动势 将一根导体的两端分别置于不同的温度t、t0（t > t0）中时，由于导体热端的自由电子具有较大的动能，使得从热端扩散到冷端的电子数比从冷端扩散到热端的多，于是在导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。与接触电势形成原理相同，在导体两端产生了温差电动势，分别用eA(t，t0)、eB(t，t0)表示。 温差电动势的大小与导体的电子密度及两端温度有关。2热电偶回路总热电动势 热电偶回路的总热电动势包括两个接触电动势和两个温差电动势，即 EAB(t，t0)=eAB(t)eAB(t0)eA(t，t0)+eB(t，t0) （2.1） 由于热电偶的接触电动势远远大于温差电动势，且t > t0，所以总热电动势的方向取决于eAB(t)，故式（2.1）可以写为 EAB(t，t0)=eAB(t) - eAB(t0) （2.2） 任务2 热电阻传感器测量温度导入知识回顾：热电偶构成原理、基本定律、冷端温度补偿。新课讲授项目2 温度测量任务2 热电阻传感器测量温度 知识链接利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化的特性来测量温度的感温元件叫热电阻。测量范围：-200500范围。扩展到15K（-273.15） 的超低温领域，在1 0001 200温度范围内也有足够好的特性。5.2.1 金属热电阻1、铂热电阻2、铜热电阻3、其他热电阻（1）铟电阻；（2）锰电阻5.2.2 半导体热敏电阻1、NTC热敏电阻2、PTC热敏电阻3、热敏电阻的结构外形与符号【任务】 将现场热电阻测量的温度信号引到控制室，你会采用哪种方案？为什么？热电阻怎样校验？温度传感器安装使用时应注意哪些问题？【实施方案】 通常热电阻安装的位置与测试仪表之间有一定距离，且连接长导线的电阻在环境温度变化时也要发生变化。按图2.12（a）所示接线，现场的热电阻采用二线制，导线电阻与热电阻Rt串联后作为测量电桥的一个桥臂，会造成较大的测量误差。为克服此种误差，热电阻连接时可采用三线制或四线制，见图2.12（b）和（c）任务3 红外传感器测量温度导入知识回顾：热电阻传感器测温原理及其测量电路。新知识讲授项目2 温度测量任务3 红外传感器测量温度知识链接红外技术是在近几十年中发展起来的一门新兴技术，已在科技、国防、医学、建筑、气象、工农业生产等领域获得了广泛的应用。红外传感器按其应用可分为以下几个方面： 红外辐射计用于辐射和光谱辐射测量 搜索和跟踪系统用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪 热成像系统可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等 红外测距和通信系统 混合系统是指以上各系统中的两个或多个的组合用红外线作为检测媒介来测量某些非电量，具有以下几方面的优越性： 可昼夜测量。红外线（指中、远红外线）不受周围可见光的影响，所以可在昼夜进行测量 不必设光源。由于待测对象发射出红外线，所以不必设置光源 适用于遥感技术。大气对某些波长的红外线吸收非常少，所以适用于遥感技术5.3.1 红外辐射红外辐射俗称红外线，是一种不可见光。是位于可见光中红色光线以外的光线，被称为红外线。波长范围大致为0.761 000 mm，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。工程上把红外线所占据的波段分为近红外、中红外、远红外和极远红外四部分5.3.2 红外探测器（红外传感器）1、热探测器2、光子探测器光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象（这一过程也称为光子效应）。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。【任务】 在温度实际测量中，2 000以下高温区域一般采用热电偶测量。钨铼热电偶作为一种超高温热电偶，其测温上限也只有2 100。因此，对于2 000以上的高温区域，比如达到5 500时，已无法用常规的温度传感器来检测，必须采用一种新型的测量方法来实现高温测量【实施方案】 任何物体在0 K以上都能产生热辐射。温度较低时，辐射的是不可见的红外光，随着温度的升高，波长短的光开始丰富起来。温度升高到500时，开始辐射一部分暗红色的光。从5001 500，辐射光颜色逐渐从红色橙色黄色蓝色白色。也就是说，在1 500时的热辐射中已包含了从几十mm至0.4 mm甚至更短波长的连续光谱。如果温度再升高，比如达到5 500时，辐射光谱的上限已超过蓝色、紫色，进入紫外线区域。因此测量光的颜色以及辐射强度，可粗略判定物体的温度。特别是在高温（2 000以上）区域，高温测量多依靠辐射原理的温度计。项目六 液位与厚度测量 任务1 光纤传感器测量液位导入知识回顾：霍尔效应；霍尔传感器应用新知识讲授6.1.1 光纤的结构及种类1、结构：导光的芯体玻璃（简称纤芯）、包层及外护套2、种类：光纤的类型主要有三种（1）阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤（2）梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样（3）单孔型光纤： 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输6.1.2 光纤的传输原理1、光的反射、折射2、光的全反射3、光在光纤中的全反射6.1.3 光纤传感器的结构、特点及种类1光纤传感器的结构与特点2光纤传感器的分类3光纤传感器功能任务与实施【任务1】 在工厂车间里，有许多大功率电动机、交流接触器、晶闸管调压设备和感应电炉等，在防爆场合采用电气测量时，就会遇到电磁感应引起的噪声问题，在可能产生化学泄漏或可燃性气体溢出的场合，就会遇到腐蚀和防爆的问题。在这些环境恶劣的场合，要求对高压变压器冷却油液位进行检测，采用何种传感器较合适？如何测量？【任务2】 在一些易燃、易爆的化工车间进行温度测量时，就会遇到防爆问题。选用何种传感器适合于远距离防爆场所的温度检测呢？任务2 电容传感器测量液位与厚度导入知识回顾：光纤传输光信号的原理； 光纤传感器结构及应用新课讲授知识链接6.2.1 变间隙式电容传感器1、工作原理2、测量电路差动交流电桥运算放大器式测量电路（2）差动脉宽调制型电路电路中各元件的名称及作用电路工作原理6.2.1 变间隙式电容传感器2、测量电路（3）调频型电路电路中各环节的名称及作用电路工作原理3、测量中存在的问题及解决办法（1）温度影响（2）电场的边缘效应（3）寄生电容的影响4、应用 可用于测量位移、加速度、压力等多种物理量 6.2.2 变面积式电容传感器1、直线位移式2、角位移式6.2.3 变介电常数式电容传感器1、平面式2、圆柱式任务与实施【任务1】 在板材轧制过程中，需对所轧制金属板材的厚度进行监测，以保证产品质量。现要求选择器件把板材厚度信号转换为电信号并完成信号处理，使最终输出的电信号与板材厚度呈线性关系【任务2】 飞机燃油油量测控系统是飞机燃油保障系统的一个重要装置，它的测量结果是飞行员决定飞机飞行航程的依据之一。燃油油量测量系统传感器的功能是飞机在水平飞行时，能够准确地测量每组油箱的剩余油量以维持对飞机发动机的自动供油，使飞机能够正常的飞行，现要选择器件把燃油油量转换为电信号并完成信号处理，使最终输出的电信号与油量成一一的对应关系项目七 传感器的信号处理与抗干扰 任务1 传感器的信号处理 任务2 传感器的抗干扰技术导入传感器信号输出的特点；生产中的干扰现象新课讲授任务1 传感器的信号处理7.1.1 传感器用基本电路单元传感器输出信号的特点：(?要进行信号处理）1传感器电子电路的基本组成和要求2电桥电路3信号的放大与隔离7.1.2 信号变换1.电压与电流转换2.电压与频率的相互转换任务2 传感器的抗干扰技术7.2.1 干扰源及防护1机械的干扰2热的干扰3光的干扰4湿度干扰5化学干扰6电和磁的干扰7射线辐射的干扰7.2.2 干扰的途径1通过“路”的干扰2通过“场”的干扰7.2.3 几种常见的抗干扰技术1屏蔽技术（1）静电屏蔽（2）电磁屏蔽（3）低频磁屏蔽 2接地技术（1）地线的种类 模拟信号地线 数字模拟地线 信号源地线 负载地线 （2）一点接地原则（3）屏蔽浮置技术3滤波技术4、光电耦合技术 任务与实施【任务】 某高级过程控制系统实训装置采用半导体压力传感器测量三容水箱液位高度，试分析其测量信号是如何通过典型的信号处理电路变换成国际标准统一信号的呢？【实施方案】 FPM-05G型半导体压力传感器电路图如下图所示。