传感器技术基础知识课件.ppt
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1、第第1章章 传感器与检测技术基础知识传感器与检测技术基础知识本章学习目的要求本章学习目的要求: : 1. 1.了解传感器的作用与工程应用情况了解传感器的作用与工程应用情况 2. 2.了解传感器的分类了解传感器的分类 3.3.了解传感器的最新发展动态了解传感器的最新发展动态4. 4.掌握测量及误差的概念掌握测量及误差的概念5. 5.掌握基本测量电路的作用掌握基本测量电路的作用 1.1 1.1 传感器基础知识传感器基础知识1.1.1 1.1.1 概述概述 1.定义定义 传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所
2、示信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示:物理量物理量电量电量 2.传感器的组成传感器的组成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量,并对信号进行转换件的作用是感受被测物理量,并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配,以便于后续仪表接入。如下行放大、阻抗匹配,以便于后续仪表接入。如下图的温度电阻。图的温度电阻。 dV3.3.传感器的分类传感器的分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚
3、度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光:光: 亮度,色彩亮度,色彩机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式,流体式等。光学式,流体式等。2)2)按工作原理分类按工作原理分类: :切削力测量应变片切削力测量应变片 动圈式磁电传感器动圈式磁电传感器 能量转换型和能量控制型能量转
4、换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换.
5、 .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .5.传感器的命名传感器的命名 由主题词加四级修饰语构成。由主题词加四级修饰语构成。 主题词主题词传感器;传感器;第一级修饰语第一级修饰语被测量,包括修饰被测量的定被测量,包括修饰被测量的定语;语;第二级修饰语第二级修饰语转换原理,一般可后续以转换原理,一般可后续以“式式”字;字;第三级修饰语第三级修饰语特征描述,指必须强调的传感特征描述,指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要器结
6、构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征,一般可后续以的性能特征,一般可后续以“型型”字;字;第四级修饰语第四级修饰语主要技术指标(量程、精确度、主要技术指标(量程、精确度、灵敏度等)。灵敏度等)。 6.传感器的代号传感器的代号依次为主称(传感器)依次为主称(传感器) 被测量被测量转换原理转换原理序序号号主称主称传感器,代号传感器,代号C;被测量被测量用一个或两个汉语拼音的第一个大用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表写字母标记。见附录表2;转换原理转换原理用一个或两个汉语拼音的第一个用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。见附录表大写字母标记。见附录表3;序号序号用一个
7、阿拉伯数字标记,厂家自定,用一个阿拉伯数字标记,厂家自定,用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。例:应变式位移传感器:等。例:应变式位移传感器: C WY-YB-20;光纤压力传感器:光纤压力传感器:C Y-GQ-2。 1.1.2 传感器的主要特性参数传感器的主要特性参数 1.灵敏度灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率,入与输出特性曲线的斜率,如右图所示,可表示为:如右图所示,可表示为:一般希
8、望灵敏度一般希望灵敏度s在整个在整个测量范围内保持为常数。测量范围内保持为常数。这样,可得均匀刻度的标尺,这样,可得均匀刻度的标尺,使读数方便,也便于分析和使读数方便,也便于分析和处理测量结果。处理测量结果。 dxdys x0ydydx 2. 分辨率分辨率 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增加,直到可以测量到输出的变化为止,此时的输加,直到可以测量到输出的变化为止,此时的输入量就是分辨率。它可以用绝对值,也可以用量入量就是分辨率。它可以用绝对值,也可以用量程的百分数来表
9、示。它说明了检测仪表响应与分程的百分数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高,分辨率辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高,分辨率愈好。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度愈好。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。的一个字。 3. 线性度与非线性误差线性度与非线性误差 线性度是用实测的检测系统输入线性度是用实测的检测系统输入-输出特性曲输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示的,如下图所示。来表示的,如下图所示。
10、线性度可用非线性线性度可用非线性误差来表示,计算式为:误差来表示,计算式为:%100FSmfYE 采取不同的方法选取拟合直线,可以得到不同的采取不同的方法选取拟合直线,可以得到不同的线性度。如使拟合直线通过实际特性曲线的起点和满线性度。如使拟合直线通过实际特性曲线的起点和满量程点,可以得到端基线性度。量程点,可以得到端基线性度。 4. 迟滞迟滞 迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间,迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间,输入输入输出特性曲线不一致的程度。也就是说,对输出特性曲线不一致的程度。也就是说,对同样大小的输入量,检测系统在正、反行程中,往同样大小的输入量,检测系统在正、反行程中
11、,往往对应两个大小不同的输出量,如右下图所示。通往对应两个大小不同的输出量,如右下图所示。通过实验,找出输出量的过实验,找出输出量的这种最大差值,并以满量程这种最大差值,并以满量程输出输出YFS的百分数表示,的百分数表示,如下式:如下式: %100FSmtYE 5. 重复性重复性 重复性是指传感器在检测同一物理量时每次测量的重复性是指传感器在检测同一物理量时每次测量的不一致程度,也叫稳定性。重复性的高低与许多随机因不一致程度,也叫稳定性。重复性的高低与许多随机因素有关,也与产生迟滞的原因相似,它可用实验的方法素有关,也与产生迟滞的原因相似,它可用实验的方法来测定。来测定。 1.1.3 传感器的
12、发展方向传感器的发展方向 当今,传感器技术的主要发展动向,一是开展基当今,传感器技术的主要发展动向,一是开展基础研究,重点研究传感器的新材料和新工艺;二是实础研究,重点研究传感器的新材料和新工艺;二是实现传感器的智能化。三是向集成化方向发展,传感器现传感器的智能化。三是向集成化方向发展,传感器集成化的一个方向是具有同样功能的传感器集成化。集成化的一个方向是具有同样功能的传感器集成化。从而使对一个点的测量变成对一个平面和空间的测量。从而使对一个点的测量变成对一个平面和空间的测量。例如。利用电荷耦合器件形成的固体图像传感器来进例如。利用电荷耦合器件形成的固体图像传感器来进行的文字和图形识别行的文字
13、和图形识别 。 1.用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器,这是传感器技术的重要基础工作。的传感器,这是传感器技术的重要基础工作。 例如,利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的例如,利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的“电电子鼻子鼻”;利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。;利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。 2.传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。 工业自动化程度越高,对机械制造精度和装配精度要求工业自动化程度越高,对机械制造精度和装配精度要求就越高,相应地测量程度
14、要求也就越高。因此,当今在传感就越高,相应地测量程度要求也就越高。因此,当今在传感器制造上很重视发展微机械加工技术。器制造上很重视发展微机械加工技术。 3.发展智能型传感器发展智能型传感器 智能型传感器是一种带有微处理器并兼有智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器被称为第四代传感器,使传感器具备感觉、辨被称为第四代传感器,使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能,是传感器发展的主别、判断、自诊断等功能,是传感器发展的主要方向。要方向。1.2 检测技术基础检测技术基础1.2.1 检测技术的概念与作用检测技术的概念与作
15、用 检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。措施。 检测技术也是自动化系统中不可缺少的组成部检测技术也是自动化系统中不可缺少的组成部分。检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的分。检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。检测技术几乎渗透到人类的一切活动领域,进步。检测技术几乎渗透到人类的一切活动领域,发挥着愈来愈大的作用。发挥着愈来愈大的作用。 1.2.2 检测系统的基本组成检测系统的基本组成 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感一个完整的检测系统或检
16、测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成,分别器、测量电路和显示记录装置等几部分组成,分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。检测中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。检测系统的组成框图如下系统的组成框图如下 :被测量传感器测量电路电源指示仪记录仪数据处理仪器 1. 传感器传感器 传感器是把被测量转换成电学量的装置,显然,传感器是把被测量转换成电学量的装置,显然,传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件,传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件,是检测系统最重要的环节,检测系统
17、获取信息的质量是检测系统最重要的环节,检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的。往往是由传感器的性能确定的。 2. 测量电路测量电路 测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的,就需要由测量电路加以放大,以满足显示记录弱的,就需要由测量电路加以放大,以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。 3. 显示记录装置显
18、示记录装置 显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节,显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节,主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。有模拟显示、数字显示和图像显示三种。 模拟式显示是利用指针对标尺的相对位置表示被测量的模拟式显示是利用指针对标尺的相对位置表示被测量的大小。其特点是读数方便、直观,结构简单、价格低廉,在大小。其特点是读数方便、直观,结构简单、价格低廉,在检测系统中一直被大量应用;数字式显示则直接以十进制数检测系统中一直被大量应用;数字式显示则直接以十进制数字形式来显
19、示读数,实际上是专用的数字电压表,它可以附字形式来显示读数,实际上是专用的数字电压表,它可以附加打印机,打印记录测量数值;图像显示,将输出信号送至加打印机,打印记录测量数值;图像显示,将输出信号送至记录仪,从而描绘出被测量随时间变化的曲线,作为检测结记录仪,从而描绘出被测量随时间变化的曲线,作为检测结果,供分析使用。果,供分析使用。1.2.3 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势 检测技术的发展趋势主要有以下两个方面:检测技术的发展趋势主要有以下两个方面: 第一,新原理、新材料和新工艺将产生更多品质优第一,新原理、新材料和新工艺将产生更多品质优良的新型传感器。例如光纤传感器、液晶传感器、以高分
20、良的新型传感器。例如光纤传感器、液晶传感器、以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。 第二,检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、第二,检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现,这类仪表选用微处理机做控制单元,利用计表已经出现,这类仪表选用微处理机做控制单元,利用计算机可编程的特点,使仪表内的各个环节自动地协调工作,算机可编程的特点,使仪表内的各个环节自动地协调工作,并且具有数据处理和故障诊断功能,成为一代崭新仪表,并
21、且具有数据处理和故障诊断功能,成为一代崭新仪表,把检测技术自动化推进到一个新水平。把检测技术自动化推进到一个新水平。 1.3 测量误差的概念及其处理方法测量误差的概念及其处理方法1.3.1 测量及测量误差测量及测量误差 1. 测量定义测量定义 测量是指人们用实验的方法,借助于一定的仪器测量是指人们用实验的方法,借助于一定的仪器或设备,将被测量与同性质的单位标准量进行比较,或设备,将被测量与同性质的单位标准量进行比较,并确定被测量对标准量的倍数,从而获得关于被测量并确定被测量对标准量的倍数,从而获得关于被测量的定量信息。的定量信息。 测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。数测量的结果包括数值大
22、小和测量单位两部分。数值的大小可以用数字表示,也可以是曲线或者图形。值的大小可以用数字表示,也可以是曲线或者图形。无论表现形式如何,在测量结果中必须注明单位。测无论表现形式如何,在测量结果中必须注明单位。测量过程的核心是比较。量过程的核心是比较。2. 测量方法测量方法 测量方法是实现测量过程所采用的具体方法,测量方法是实现测量过程所采用的具体方法,应当根据被测量的性质、特点和测量任务的要求来应当根据被测量的性质、特点和测量任务的要求来选择适当的测量方法。按照测量手续可以将测量方选择适当的测量方法。按照测量手续可以将测量方法分为直接测量和间接测量;按照获得测量值的方法分为直接测量和间接测量;按照
23、获得测量值的方式可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量;式可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量;此外,根据传感器是否与被测对象直接接触,可区此外,根据传感器是否与被测对象直接接触,可区分为接触式测量和非接触式测量;而根据被测对象分为接触式测量和非接触式测量;而根据被测对象的变化特点又可分为静态测量和动态测量等。的变化特点又可分为静态测量和动态测量等。 (1)直接测量与间接测量)直接测量与间接测量 .直接测量直接测量 用事先分度或标定好的测量仪表,用事先分度或标定好的测量仪表,直接读取被测量测量结果的方法称为直接测量。直接直接读取被测量测量结果的方法称为直接测量。直接测量是工程技术中大
24、量采用的方法,其优点是直观、测量是工程技术中大量采用的方法,其优点是直观、简便、迅速,但不易达到很高的测量精度。简便、迅速,但不易达到很高的测量精度。 .间接测量间接测量 首先,对和被测量有确定函数关系首先,对和被测量有确定函数关系的几个量进行测量,然后,再将测量值代入函数关系的几个量进行测量,然后,再将测量值代入函数关系式,经过计算得到所需结果。这种测量方法,属于间式,经过计算得到所需结果。这种测量方法,属于间接测量。测量结果接测量。测量结果y和直接测量值和直接测量值xi(i1,2,3)之之间的关系式为:间的关系式为:yf(x1x2x3) 。间接测量手续多,间接测量手续多,花费时间长,当被测
25、量不便于直接测量或没有相应直花费时间长,当被测量不便于直接测量或没有相应直接测量的仪表时才采用。接测量的仪表时才采用。 (2)偏差式测量、零位式测量和微差式测量)偏差式测量、零位式测量和微差式测量 .偏差式测量偏差式测量 在测量过程中,利用测量仪表指针相对在测量过程中,利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移于刻度初始点的位移(即偏差即偏差)来决定被测量的测量方法,称为来决定被测量的测量方法,称为偏差式测量。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。偏差式测量。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。 偏差式测量仪表在进行测量时,一般利用被测量产生的偏差式测量仪表在进行测量时,一般利用被测量产生的力或
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