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文檔簡介

城市軌道交通車輛傳感器應(yīng)用技術(shù)主講人:李淼教1樓324機(jī)電一體化技術(shù)的理解機(jī)械技術(shù)(機(jī)械學(xué),機(jī)構(gòu)學(xué))機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域微電子技術(shù)(半導(dǎo)體技術(shù)、IC、LSI、VLSI)機(jī)電一體化的涵義+

機(jī)械工業(yè)

3C機(jī)電一體化微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)起因概念的提出mechanics機(jī)械學(xué)、力學(xué)electronics電子學(xué)+Mechatronics機(jī)械電子學(xué)或機(jī)電一體化=機(jī)電一體化:是精密機(jī)械工程、電子控制和系統(tǒng)思想在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工程中的協(xié)同集成。機(jī)電一體化技術(shù)的理解機(jī)電一體化技術(shù)的理解

機(jī)電一體化:是在機(jī)械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù),并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化技術(shù)的理解“機(jī)電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個(gè)方面。技術(shù):群體技術(shù)有機(jī)融合產(chǎn)品:新的功能和性能的新產(chǎn)品機(jī)電一體化6

機(jī)電一體化技術(shù)特征:從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)信號變換技術(shù)、以及軟件技術(shù)等群體技術(shù),設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)的系統(tǒng)工程技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)的理解7機(jī)電一體化技術(shù)的理解機(jī)電一體化產(chǎn)品是機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng),特別是與微處理器或微機(jī)的的有機(jī)結(jié)合,從而賦予新的功能和性能的一種新產(chǎn)品。8基本組成機(jī)電一體化技術(shù)的理解9機(jī)電一體化技術(shù)的理解機(jī)械本體動(dòng)力系統(tǒng)檢測傳感系統(tǒng)執(zhí)行部件信息處理及控制系統(tǒng) 五部分相互協(xié)調(diào)共同完成目的功能。

通過接口有機(jī)結(jié)合在一起,構(gòu)成完整的機(jī)電一體化產(chǎn)品。完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)包括:課程體系《單片機(jī)原理及應(yīng)用》《PLC技術(shù)及應(yīng)用》《電子基礎(chǔ)及工藝訓(xùn)練》《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》《電機(jī)控制技術(shù)》《變頻器應(yīng)用技術(shù)》被控對象《機(jī)械制造技術(shù)》傳感器與信息檢測技術(shù)信息檢測技術(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支,與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等一起構(gòu)成了信息技術(shù)的完整學(xué)科。在人類進(jìn)入信息時(shí)代的今天,人們的一切社會(huì)活動(dòng)都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心,傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段,是信息科學(xué)最前端的一個(gè)陣地,是實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一?!皼]有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣,源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息,成為人們認(rèn)識自然、改造自然的有利工具。本課程的性質(zhì)、目的和學(xué)習(xí)方法性質(zhì)和目的“傳感器應(yīng)用技術(shù)”是機(jī)電類專業(yè)的重要的專業(yè)課程;了解和掌握各種非電量的物理信息的檢測、轉(zhuǎn)換和測量原理;獲得信號檢測與信號處理的基礎(chǔ)知識、基本理論和基本應(yīng)用技術(shù);為畢業(yè)后在各行業(yè)從事信息檢測和處理工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)方法采用理論與實(shí)際相結(jié)合的方法,明確理論的用途及對生產(chǎn)的指導(dǎo)意義;學(xué)習(xí)仿真策略,加強(qiáng)動(dòng)手訓(xùn)練。基礎(chǔ)知識定義、分類原理、應(yīng)用、一般特性傳感器應(yīng)用技術(shù)溫度傳感器壓力傳感器位移傳感器速度傳感器壓電傳感器光電式傳感器氣敏傳感器濕度傳感器檢測系統(tǒng)傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、檢測電路及其典型應(yīng)用本課程的內(nèi)容序號內(nèi)容課時(shí)分配1傳感器與檢測技術(shù)基本知識42溫度傳感器的應(yīng)用63壓力傳感器的應(yīng)用44位移傳感器的應(yīng)用45速度傳感器的應(yīng)用46其它傳感器的應(yīng)用67機(jī)動(dòng)課28復(fù)習(xí)課2總課時(shí)32參考網(wǎng)站[1]傳感器課程[2]儀表技術(shù)與傳感器[3]傳感器世界[4]中國傳感器[5]傳感器技術(shù)[6]21IC中國電子網(wǎng)[7]傳感技術(shù)學(xué)報(bào)網(wǎng)

[8]傳感器資訊網(wǎng)考核方式

總評成績:100%

平時(shí)成績占50%(包括出勤情況、學(xué)習(xí)過程中的多次綜合作業(yè)、實(shí)踐練習(xí)等)期末考試成績占50%(期末考試采用筆試閉卷的形式)模塊1傳感器與檢測技術(shù)基本知識項(xiàng)目引入1.學(xué)習(xí)內(nèi)容傳感器的概念測量及誤差知識傳感器接口電路知識2.學(xué)習(xí)目標(biāo)傳感器的地位、作用傳感器的定義了解傳感器發(fā)展趨勢掌握與測量相關(guān)的名詞、測量的分類、誤差的表示形式掌握根據(jù)測量精度選擇儀表的方法掌握接口電路的形式、原理及作用接口電路:連接傳感器與控制電路模塊1傳感器與檢測技術(shù)基本知識傳感器的基本知識項(xiàng)目1傳感器的基本知識測量及誤差的基本知識項(xiàng)目2傳感器接口電路項(xiàng)目3項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目目標(biāo)①了解傳感器在各領(lǐng)域中的應(yīng)用;②掌握傳感器的靜態(tài)特性。測試裝置的基本特性包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。當(dāng)輸入量為常量,或變化極慢時(shí),這一關(guān)系稱為靜態(tài)特性;當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí),這一關(guān)系稱為動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)測量靜態(tài)測量是相對于動(dòng)態(tài)測量而言的。在檢測技術(shù)中,對緩慢變化的對象所進(jìn)行的測量,亦屬于靜態(tài)測量。工程中,有時(shí)可認(rèn)為幾十赫茲以上的測量稱為動(dòng)態(tài)測量。

最高、最低溫度計(jì)

動(dòng)態(tài)測量

地震測量振動(dòng)波形便攜式儀表顯示動(dòng)態(tài)波形.穩(wěn)定性(零漂)傳感器溫度供電各種干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力沖擊與振動(dòng)電磁場線性滯后重復(fù)性靈敏度輸入誤差因素外界影響

傳感器輸入輸出作用圖輸出取決于傳感器本身,可通過傳感器本身的改善來加以抑制,有時(shí)也可以對外界條件加以限制。衡量傳感器特性的主要技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目分析①通過各種手段查閱傳感器靜態(tài)特性的相關(guān)資料;②傳感器靜態(tài)特性包括:線性度、靈敏度、遲滯型、重復(fù)性等。項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施1.基本特性①傳感器的靈敏度靈敏度K:傳感器在穩(wěn)態(tài)動(dòng)作情況下輸出量變化Δy對輸入量變化Δx的比值。表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化。很顯然,靈敏度K值越大,表示傳感器越靈敏。(a)線性關(guān)系——K為常數(shù)(b)非線性關(guān)系——K為變量圖1.1傳感器的靈敏度示意圖項(xiàng)目1傳感器的基本知識某一型號溫度傳感器,量程為0~300℃,輸出信號為直流電壓1~5V。當(dāng)溫度T=150℃時(shí),輸出電壓U0'=3.004V。求:(a)寫出該傳感器理想的靜態(tài)特性方程式;(b)該傳感器在溫度T=150℃時(shí),輸出的絕對誤差。答:(a)該傳感器理想的靜態(tài)特性是一個(gè)線性方程,即:整理上式得:將T=150代入(1.3)式得到該溫度點(diǎn)輸出的真值為

(1.2)(1.4)(1.3)【例1.1】項(xiàng)目1傳感器的基本知識(b)該溫度點(diǎn)輸出的絕對誤差(1.5)已知某一壓力傳感器的量程為0~10MPa,輸出信號為(a)該壓力傳感器的靜態(tài)特性表達(dá)式;(b)該壓力傳感器的靈敏度。

【例1.2】直流電壓1~5V。求:答:(a)由于壓力傳感器是一線性檢測裝置,所以輸入輸出應(yīng)符合下列關(guān)系:整理上式得:(1.6)(1.7)(b)對該特性方程式求導(dǎo)得靈敏度為:(1.8)項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施1.基本特性②傳感器的線性度線性度r

:實(shí)際特性曲線近似理想特性曲線的程度。圖1.2傳感器的線性度示意圖式中:ΔLmax——最大非線性絕對誤差;

YFS——滿量程輸出值。非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。擬合直線不同,非線性誤差也不同。所以,選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn),應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外,還應(yīng)考慮使用是否方便,計(jì)算是否簡便。項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施1.基本特性③傳感器的分辨力分辨力:傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。輸入量的變化超過分辨力時(shí),輸出才能發(fā)生變化;

傳感器在滿量程分辨力不同,常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施1.基本特性④傳感器的重復(fù)性重復(fù)性:傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時(shí),所得特性曲線不一致的程度。式中:ΔRmax——多次測量曲線之間的最大差值;

YFS——滿量程輸出值。yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差,△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施1.基本特性⑤傳感器的遲滯性遲滯性:傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合程度。式中:Δmax——正向與反向曲線之間的最大差值;

YFS——滿量程輸出值。0yx⊿HmaxyFS遲滯特性項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施1.基本特性⑥傳感器的漂移漂移:傳感器在外界干擾下,輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的、不需要的變化。分類:零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移——時(shí)間漂移和溫度漂移產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面:

一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù);

二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)。

最常見的漂移是溫度漂移,即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化,溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移。什么是傳感器?電子稱

煙霧報(bào)警器

攝像機(jī)

思考一你為什么會(huì)騎自行車?思考二:夏季買西瓜的時(shí)候,你會(huì)怎樣挑選呢?項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.知識鏈接①傳感器的定義國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665-87)中傳感器(Transducer/Sensor)的定義:能夠感受規(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。

傳感器是測量裝置,能完成檢測任務(wù);輸入量是某一被測量,可能是物理量,也可能是化學(xué)量、生物量等;輸出量是某種物理量,便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等,可以是氣、光、電物理量,主要是電物理量;輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確程度。V、I、F、P傳感器名稱:發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器功用:一感二傳,即感受被測信息,并傳送出去。傳感器:能感受規(guī)定的被測量量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。傳感器的共性:利用物理定律或物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物等特性,將非電量轉(zhuǎn)換成電量傳感器功能:檢測和轉(zhuǎn)換。項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.知識鏈接傳感器的地位和作用傳感器是人類五官的延長,又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器,現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。可見,傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面起著重要作用。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋,以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng),幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目,都離不開各種各樣的傳感器。項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.知識鏈接傳感器的組成輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件直接感受被測量,輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件:敏感元件的輸出就是它的輸入,它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?;巨D(zhuǎn)換電路:上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路(簡稱轉(zhuǎn)換電路),便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器的組成大部分傳感器由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。例:測量壓力的電位器式壓力傳感器

1-彈簧管(敏感元件)2-電位器(傳感元件、測量轉(zhuǎn)換電路)

3-電刷4-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(齒輪-齒條)項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.知識鏈接②傳感器的分類1、按傳感器的工作機(jī)理,分為物理型、化學(xué)型、生物型等2、按構(gòu)成原理,結(jié)構(gòu)型與物性型兩大類3、按能量轉(zhuǎn)換情況,可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器4、按照物理原理分類:電阻、電容、電感、霍爾、光電、光柵、熱電偶等5、按照用途分類:位移、壓力、速度、溫度、濕度、振動(dòng)、流量等7、根據(jù)傳感器輸出信號:模擬信號和數(shù)字信號6、根據(jù)轉(zhuǎn)換過程可逆與否:單向和雙向8、根據(jù)傳感器使用電源與否:有源傳感器和無源傳感器電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器光電式傳感器超聲波傳感器渦流式傳感器熱釋電紅外傳感器硅光電池傳感器轉(zhuǎn)速傳感器壓電式、磁電式傳感器氣敏傳感器溫敏傳感器霍爾式傳感器項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.知識鏈接③傳感器數(shù)學(xué)模型靜態(tài)數(shù)學(xué)特性

傳感器的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系通常可用一個(gè)如下的多項(xiàng)式表示:y=a0+a1x+a2x2+…+anxn式中:a0——輸入量x為零時(shí)的輸出量;

a1,a2,…,an——非線性項(xiàng)系數(shù)。

理想傳感器

線性傳感器

非線性傳感器項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.知識鏈接④傳感器的應(yīng)用工業(yè)檢測、自動(dòng)控制系統(tǒng)中汽車與傳感器傳感器與家用電器傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用傳感器在醫(yī)療上的應(yīng)用傳感器與環(huán)境保護(hù)傳感器與航空及航天傳感器與遙感技術(shù)思考三:傳感器都應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢?

電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器;空調(diào)中的溫度和濕度傳感器;煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器;水表、電表、電視機(jī)和影碟機(jī)中的紅外遙控器;照相機(jī)中的光傳感器;汽車中燃料計(jì)和速度計(jì)……項(xiàng)目1傳感器的基本知識傳感器:利用各種物理、化學(xué)、生物現(xiàn)象將非電量轉(zhuǎn)換為電量器件;傳感器可以檢測自然界所有的非電量,在社會(huì)生活中發(fā)揮著不可替代的作用。傳感器技術(shù)是自動(dòng)控制技術(shù)的核心技術(shù)。當(dāng)今社會(huì)發(fā)展,就是信息技術(shù)發(fā)展。早在20世紀(jì)80年代,美國首先認(rèn)識到世界已進(jìn)入傳感器時(shí)代,日本也將傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之首。我國將傳感器技術(shù)列為國家八五重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,建成了“傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“國家傳感器工程中心”等研究開發(fā)基地。傳感器產(chǎn)業(yè)被國內(nèi)外公認(rèn)為是具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。它以其技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、滲透力強(qiáng)、市場前景廣等特點(diǎn)為世人所矚目。隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的高速發(fā)展,人們生活水平的迅速提高,傳感器技術(shù)越來越受到普遍的重視,它的應(yīng)用已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。④傳感器的應(yīng)用(1)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,必須對溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)進(jìn)行檢測,實(shí)現(xiàn)對工作狀態(tài)的監(jiān)控,診斷生產(chǎn)設(shè)備的各種情況,使生產(chǎn)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài),從而保證產(chǎn)品質(zhì)量,提高效益。

目前,傳感器與微機(jī)、通信技術(shù)結(jié)合,使工業(yè)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。如果沒有傳感器,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度會(huì)大大降低。項(xiàng)目1傳感器的基本知識舉例:自動(dòng)化生產(chǎn)線要保證食用油能準(zhǔn)確地注入油桶,并能控制一定的重量,裝完后能擰好頂蓋,然后在合適的位置貼好商標(biāo),整個(gè)過程都需要通過儀器檢測出油桶的位置,注油量、油桶蓋的安裝位置以及商標(biāo)粘貼位置以達(dá)到自動(dòng)化控制的目的。50

現(xiàn)代化的生產(chǎn)過程大都采用自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng),它輕而易舉地解決了生產(chǎn)中工件數(shù)目繁多、難以計(jì)數(shù)的問題,光電計(jì)數(shù)機(jī),它運(yùn)用光電傳感器,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)、缺料報(bào)警及剔除不良計(jì)數(shù)工件的功能。工業(yè)用光電計(jì)數(shù)機(jī)實(shí)物圖如圖1.6所示。圖1.6工業(yè)用光電計(jì)數(shù)機(jī)實(shí)物圖項(xiàng)目1傳感器的基本知識51(2)在汽車電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著人們生活水平的提高,汽車已逐漸走進(jìn)千家萬戶。

傳感器在汽車中相當(dāng)于感官和觸角,只有它才能采集汽車工作狀態(tài)的信息,提高自動(dòng)化程度。汽車傳感器主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、地盤控制系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)中。汽車配備的傳感器數(shù)量在不斷增加。項(xiàng)目1傳感器的基本知識

舉例來說,僅發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射系統(tǒng)就需要配備15個(gè)傳感器,再加上車輛控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)以及信息通信系統(tǒng),一臺汽車上的傳感器數(shù)量甚至?xí)^150個(gè)。就是將汽車稱為諸多傳感器的集合體也不為過?;旌蟿?dòng)力車及電動(dòng)汽車因電動(dòng)部件增加,傳感器的定位就更高。汽車傳感器應(yīng)用示意圖如圖1.7所示。52圖1.7汽車傳感器應(yīng)用示意圖項(xiàng)目1傳感器的基本知識汽車與傳感器已不只局限于對行駛速度、行駛距離和發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的監(jiān)控安全監(jiān)控:如汽車安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置及汽車“黑匣子”等都得到了實(shí)際應(yīng)用。汽車與傳感器

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(3)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用醫(yī)學(xué)傳感器作為能拾取生命體征信息的五官,它的作用日益顯著,并得到廣泛應(yīng)用。

在圖像處理、臨床化學(xué)檢驗(yàn)、生命體征參數(shù)監(jiān)護(hù)、疾病的診斷與治療方面,使用傳感器十分普遍。

醫(yī)學(xué)傳感器分為物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器。被測量生理參數(shù)均為低頻或超低頻信息,頻率分布范圍在直流~300Hz。生理參數(shù)的信號微弱,測量范圍分布在uV~mV數(shù)量級。傳感器在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中已無處不在。項(xiàng)目1傳感器的基本知識02二月202356

舉例來說,醫(yī)用傳感器在醫(yī)學(xué)上的用途主要是檢測、監(jiān)護(hù)、控制。檢測即測量正常或異常生理參數(shù),如先心病病人手術(shù)前須用血壓傳感器測量心內(nèi)壓力,估計(jì)缺陷程度。監(jiān)護(hù)即連續(xù)測定某些生理參數(shù)是否處于正常范圍,以便及時(shí)預(yù)報(bào),如在ICU病房,對危重病人的體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)護(hù)的監(jiān)護(hù)儀??刂萍蠢脵z測到的生理參數(shù)控制人體的生理過程。項(xiàng)目1傳感器的基本知識

比如,用同步呼吸器搶救病人時(shí),要檢測病人的呼吸信號,以此來控制呼吸器的動(dòng)作與人體呼吸同步。家庭醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀示意圖如圖1.8所示。圖1.8家庭醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀示意圖傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

可以對人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓、腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈搏及心音、心腦電波等進(jìn)行高難度的診斷在早期診斷、早期治療、遠(yuǎn)距離診斷及人工器官的研制等廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮作用58(4)在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用

近年來,環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,人們迫切希望擁有一種能對污染物進(jìn)行連續(xù)、快速、在線監(jiān)測的儀器,傳感器滿足了人們的要求。目前,已有相當(dāng)一部分傳感器應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中。項(xiàng)目1傳感器的基本知識舉例來說,二氧化硫是酸雨形成的主要原因,傳統(tǒng)的方法很多,現(xiàn)在將亞細(xì)胞類脂類固定在醋酸纖維膜上,和氧電極制成安培型生物傳感器,可對酸雨酸霧溶液進(jìn)行檢測,大大簡化了檢測方法。環(huán)境監(jiān)測站示意圖如圖1.9所示。圖1.9環(huán)境監(jiān)測站示意圖傳感器與環(huán)境保護(hù)

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(5)在軍事中的應(yīng)用

當(dāng)今,傳感器在軍事上的應(yīng)用極為廣泛,可以說無時(shí)不用、無處不用,大到飛機(jī)、艦船、坦克、火炮裝備系統(tǒng),小到單兵作戰(zhàn)武器,從參戰(zhàn)的武器系統(tǒng)到后勤保障,遍及整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)及作戰(zhàn)的全過程。項(xiàng)目1傳感器的基本知識

舉例來說,美國航天飛機(jī)上的傳感器有100多種4000多個(gè);用于陸兵單兵作戰(zhàn)的多功能電子設(shè)備,包括各類mems傳感器,如夜視儀、紅外瞄準(zhǔn)器等;有多種微型傳感器的機(jī)器人坦克、自主式地面車輛已投入使用。紅外夜視儀效果圖如圖1.10所示。圖1.10紅外夜視儀效果圖61(6)在家用電器中的應(yīng)用

隨著電子技術(shù)的興起,家用電器正向自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。自動(dòng)化和智能化的中心就是研制計(jì)算機(jī)和各種類型的傳感器組成的控制系統(tǒng)。舉例來說,一臺空調(diào)器采用微型計(jì)算機(jī)控制配合傳感器技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、風(fēng)扇搖頭、風(fēng)門調(diào)節(jié)、換氣等,從而對溫度、濕度和空氣濁度進(jìn)行控制。項(xiàng)目1傳感器的基本知識圖1.11測量空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速示意圖

62(8)在智能建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用

智能建筑是未來建筑一種必然趨勢,具有微型集成化、高精度、數(shù)字化特征的智能傳感器將在智能建筑中占有重要位置。舉例來說,閉路監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)、樓宇對講系統(tǒng)、停車廠管理系統(tǒng)、小區(qū)一卡通系統(tǒng)、紅外周界報(bào)警系統(tǒng)、電子圍欄,巡更系統(tǒng)、考勤門禁系統(tǒng),電子考場系統(tǒng)、智能門鎖等等。防盜報(bào)警系統(tǒng)示意圖如圖1.12所示。

項(xiàng)目1傳感器的基本知識圖1.12防盜報(bào)警系統(tǒng)示意圖工業(yè)檢測、自動(dòng)控制系統(tǒng)中項(xiàng)目1傳感器的基本知識樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)識別――門禁管理系統(tǒng)、感應(yīng)式IC卡識別、指紋識別;遠(yuǎn)程抄收與管理系統(tǒng)――水、電、氣、熱量通過傳感器設(shè)置遠(yuǎn)程自動(dòng)化抄表;巡更系統(tǒng)――保安管理。Ihouse:空間別墅傳感器與家用電器傳感器與家用電器未來的家庭將由作為中央控制裝置的微型計(jì)算機(jī),通過各種傳感器代替人監(jiān)視家庭的各種狀態(tài),并通過控制設(shè)備進(jìn)行著各種控制。安全監(jiān)視與報(bào)警、空調(diào)及照明控制、耗能控制、太陽光自動(dòng)跟蹤、家務(wù)勞動(dòng)自動(dòng)化及人身健康管理等。傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用

傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用在勞動(dòng)強(qiáng)度大或危險(xiǎn)作業(yè)的場所,已逐步使用機(jī)器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作,由機(jī)器人來承擔(dān)也是非常合適的。要使機(jī)器人和人的功能更為接近,這就要給機(jī)器人安裝視覺傳感器和觸覺傳感器,使機(jī)器人通過視覺對物體進(jìn)行識別和檢測,通過觸覺對物體產(chǎn)生壓覺、力覺、滑動(dòng)感覺和重量感覺。傳感器與航空及航天

使用傳感器進(jìn)行速度、加速度和飛行距離的測量。飛行的方向,飛行姿態(tài)、飛行環(huán)境、飛行器本身的狀態(tài)及內(nèi)部設(shè)備的監(jiān)控也都要通過傳感器進(jìn)行檢測。

傳感器與遙感技術(shù)

從飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船及船舶上對遠(yuǎn)距離的廣大區(qū)域的被測物體及其狀態(tài)進(jìn)行大規(guī)模探測的一門技術(shù)。圖為在衛(wèi)星上通過遙感技術(shù)拍攝的美國空軍基地。思考四:未來世界會(huì)有什么樣的傳感器呢?

智能房屋(自動(dòng)識別主人,太陽能提供能源);智能衣服(自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度);智能公路(自動(dòng)顯示、記錄公路的壓力、溫度、車流量);智能汽車(無人駕駛、衛(wèi)星定位)……項(xiàng)目1傳感器的基本知識項(xiàng)目總結(jié)1.知識重點(diǎn):掌握傳感器的定義、組成;傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)。2.實(shí)踐技能:會(huì)分析傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo);會(huì)建立傳感器的數(shù)學(xué)模型。模塊1傳感器與檢測技術(shù)基本知識傳感器的基本知識項(xiàng)目1測量及誤差的基本知識測量及誤差的基本知識項(xiàng)目2傳感器接口電路項(xiàng)目3項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識項(xiàng)目目標(biāo)①了解測量誤差的表示方法及分類;②會(huì)通過誤差判斷傳感器的精度等級。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識項(xiàng)目分析①通過各種手段查閱誤差的表示方法及分類;②通過誤差分析判斷傳感器是否滿足精度要求。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識項(xiàng)目實(shí)施1.誤差的表示方法由于測量方法和儀器設(shè)備的不完善,周圍環(huán)境的影響,以及人的觀察力等限制,實(shí)際測量值和真值之間,總是存在一定的差異。人們常用絕對誤差、相對誤差等來說明一個(gè)近似值的準(zhǔn)確程度。為了評定實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)精確性或誤差,認(rèn)清誤差的來源及其影響,需要對測量的誤差進(jìn)行分析和討論。由此可以判定哪些因素是影響實(shí)驗(yàn)精確度的主要方面,進(jìn)一步改進(jìn)測量方法,縮小實(shí)際測量值和真值之間的差值,提高測量的精確性。

①絕對誤差式中,Δ──絕對誤差;X──測量值;A0──真值。

常用高一級標(biāo)準(zhǔn)儀器的示值A(chǔ)代替真值。(1.13)

(1.14)項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識②相對誤差一般來說,除了某些理論分析外,用示值相對誤差較為適宜。(1.16)式中,γA──實(shí)際相對誤差;Δ──絕對誤差;

A──實(shí)際值。

以儀器的示值X代替實(shí)際值A(chǔ)的相對誤差稱為示值相對誤差。記為:

(1.17)式中,γX──示值相對誤差;Δ──絕對誤差;

X──測量值;項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識③引用誤差

如滿刻度為5A的電流表測量電流,示數(shù)為4A,實(shí)際電流為4.02A,此電流的引用誤差是多少?

為了計(jì)算和劃分儀表精確度等級,提出引用誤差概念。其定義為儀表的示值絕對誤差與量程范圍之比。(1.18)式中,γA──引用誤差;Δ──示值的絕對誤差;X──標(biāo)尺上限值-標(biāo)尺下限值。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.測量儀表精確度測量儀表的精度等級是用最大引用誤差(又稱允許誤差)來標(biāo)明。它等于儀表最大示值絕對誤差與儀表的量程范圍之比的百分?jǐn)?shù)。(1.19)式中,γnmax──引用誤差;Δmax──儀表示值的最大絕對誤差;Xn──量程范圍,即標(biāo)尺上限值減去標(biāo)尺下限值。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.測量儀表精確度測量儀表的精度等級是國家統(tǒng)一規(guī)定的,把允許誤差中百分號去掉,剩下的數(shù)字的絕對值稱為儀表的精度等級。例如某臺壓力計(jì)的允許誤差為1.5%,這臺壓力計(jì)電工儀表的精度等級就是1.5,通常簡稱1.5級儀表。我國儀表的精度等級分7級:0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。儀表的精度等級常以圓圈內(nèi)的數(shù)字標(biāo)明在儀表的面板上。儀表精度等級示意圖如圖1.13所示。圖1.13儀表精度等級示意圖項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識項(xiàng)目實(shí)施2.測量儀表精確度

儀表的精度等級為a,它表明儀表在正常工作條件下,其最大引用誤差的絕對值δmax不能超過的界限,即(1.20)

由式(1.20)可知,在應(yīng)用儀表進(jìn)行測量時(shí)所能產(chǎn)生的最大絕對誤差為(1.21)項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識【例1.3】用量限為5A,精度為0.5級的電流表,分別測量兩個(gè)電流,I1=5A,I2=2.5A,試求測量I1和I2的相對誤差為多少?

解:(1.22)(1.23)上例說明,當(dāng)儀表的精度等級選定時(shí),所選儀表的測量上限越接近被測量的值,則測量的相對誤差值越小。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識【例1.4】欲測量約90V的電壓,實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有0.5級0~300V和1.0級0~100V的電壓表。問選用哪一種電壓表進(jìn)行測量更好?解:上例說明,如果選擇得當(dāng),用量程范圍適當(dāng)?shù)?.0級儀表進(jìn)行測量,能得到比用量程范圍大的0.5級儀表更準(zhǔn)確的結(jié)果。用0.5級0~300V的電壓表測量90V的相對誤差為(1.24)用1.0級0~100V的電壓表測量90V的相對誤差為(1.25)因此,在選用儀表時(shí),應(yīng)根據(jù)被測量值的大小,在滿足被測量數(shù)值范圍的前提下,盡可能選擇量程小的儀表,并使測量值大于所選儀表滿刻度的三分之二,即X>2Xn/3。這樣就可以達(dá)到滿足測量誤差要求,又可以選擇精度等級較低的測量儀表,從而降低儀表的成本。項(xiàng)目實(shí)施2.知識鏈接(1)測量基本概念項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識測量是以確定量值為目的的一系列操作。

測量就是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較,確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。

由測量所獲得的被測的量值叫測量結(jié)果。

測量結(jié)果可用一定的數(shù)值表示,也可以用一條曲線或某種圖形表示。但無論其表現(xiàn)形式如何,測量結(jié)果應(yīng)包括三部分:大小、符號(正或負(fù))、單位三個(gè)要素。在工程上,所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量,這促使人們用電測的方法來研究非電量,即研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表,研究如何能正確和快速地測得非電量的技術(shù)。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識(2)測量方法

實(shí)現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法,稱為測量方法。對于測量方法,從不同角度,有不同的分類方法。

根據(jù)獲得測量值的方法可分為直接測量、間接測量和組合測量;根據(jù)測量的精度因素情況可分為等精度測量與非等精度測量;根據(jù)測量方式可分為偏差式測量、零位法測量與微差法測量;直接測量:在使用儀表或者傳感器進(jìn)行測量時(shí),對儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過任何運(yùn)算就能直接表示測量所需要的結(jié)果的測量方法稱為直接測量。

直接測量的優(yōu)點(diǎn)是測量過程簡單而又迅速,但是測量精度不夠高。例如,用磁電式電流表測量電路的某一支路電流,用彈簧管壓力表測量壓力等,都屬于直接測量。間接測量:在使用儀表或傳感器進(jìn)行測量時(shí),首先對與測量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個(gè)量進(jìn)行測量,將被測量代入函數(shù)關(guān)系式,經(jīng)過計(jì)算得到所需要的結(jié)果,這種測量稱為間接測量。

①直接測量、間接測量與組合測量例如,通過影子測量旗桿的高度;通過測量電流I和電阻R來測量電壓值。間接測量測量手續(xù)較多,花費(fèi)時(shí)間較長,一般在用直接測量不方便或者缺乏直接測量手段的場合。組合測量:若被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組,才能得到最后結(jié)果,稱這樣的測量為組合測量。例如:通過測量串聯(lián)后電阻和R1+R2、并聯(lián)后電阻和R1*R2/(R1+R2),計(jì)算得到R1、R2。組合測量是一種特殊的精密測量方法,操作手續(xù)復(fù)雜,花費(fèi)時(shí)間長,多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)或特殊場合。

①直接測量、間接測量與組合測量直接測量

電子卡尺間接測量

在多個(gè)直接測量值的基礎(chǔ)上,根據(jù)已知的函數(shù)關(guān)系,計(jì)算出被測量的量值。(測量皇冠比重的聯(lián)想)用相同儀表與測量方法對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量,稱為等精度測量。用不同精度的儀表或不同的測量方法,或在環(huán)境條件相差很大時(shí)對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量稱為非等精度測量。

等精度測量與不等精度測量用儀表指針的位移(即偏差)決定被測量的量值,這種測量方法稱為偏差式測量。應(yīng)用這種方法測量時(shí),儀表刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)器具標(biāo)定。在測量時(shí),輸入被測量,按照儀表指針在標(biāo)尺上的示值,決定被測量的數(shù)值。這種方法測量過程比較簡單、迅速,但測量結(jié)果精度較低。

偏差式測量、零位式測量與微差式測量用指零儀表的零位指示,檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài),在測量系統(tǒng)平衡時(shí),用已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測量的量值,這種測量方法稱為零位式測量。

在測量時(shí),已知標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測量相比較,已知量應(yīng)連續(xù)可調(diào),指零儀表指零時(shí),被測量與已知標(biāo)準(zhǔn)量相等。

例如天平、電位差計(jì)等。

零位式測量的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得比較高的測量精度,但測量過程比較復(fù)雜,費(fèi)時(shí)較長,不適用于測量迅速變化的信號。

微差式測量是綜合了偏差式測量與零位式測量的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測量方法。

它將被測量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較,取得差值后,再用偏差法測得此差值。

應(yīng)用這種方法測量時(shí),不需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量,而只需測量兩者的差值。微差式測量的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快,而且測量精度高,特別適用于在線控制參數(shù)的測量。

偏差式測量、零位式測量與微差式測量偏位式測量

直接以儀表的偏移量表示被測量的測量方式稱為偏位式測量。零位式測量例1:天平

當(dāng)測量系統(tǒng)達(dá)到平衡(天平指針處于中間零位)時(shí),用已知標(biāo)準(zhǔn)量的值決定被測量的值。準(zhǔn)確度高,決定于標(biāo)準(zhǔn)量,但平衡比較費(fèi)時(shí)。已知標(biāo)準(zhǔn)量被測量零位式測量例2:平衡電橋(惠斯通電橋).是一種可以精確測量電阻的儀器。被測電阻R1接到紅黑兩個(gè)接線柱,與電橋盒內(nèi)的另外3個(gè)電阻R2

、R3、R4構(gòu)成電橋的四個(gè)臂,可以用數(shù)字電流表G作為檢流計(jì),用以檢查“檢流計(jì)所在的支路”有無電流。當(dāng)G無電流通過時(shí),稱電橋達(dá)到平衡。可以將電橋盒表面的可調(diào)電阻進(jìn)行乘法和加法計(jì)算,得到被測電阻值。零位式測量例3:自動(dòng)平衡電橋1-滑線電阻2-電刷3-指針4-刻度尺5-絲桿螺母傳動(dòng)6-檢零放大器7-伺服電動(dòng)機(jī)零位式測量例4:自動(dòng)平衡電位差計(jì)式記錄儀表平衡時(shí)間:小于1s勻速走紙項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識(3)測量真值

測量的目的就是為了最接近的求取真實(shí)值。

真值:是待測物理量客觀存在的確定值,也稱理論值或定義值。通常真值是無法測得的。若測量的次數(shù)無限多時(shí),根據(jù)誤差的分布定律,正負(fù)誤差的出現(xiàn)幾率相等。再經(jīng)過細(xì)致地消除系統(tǒng)誤差,將測量值加以平均,可以獲得非常接近于真值的數(shù)值。但是實(shí)際上測量的次數(shù)總是有限的。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識(3)測量真值

用有限測量值求得的平均值只能是近似真值,常用的平均值有下列幾種:

①算術(shù)平均值

算術(shù)平均值是最常見的一種平均值。為各次測量值,n代表測量次數(shù),則算術(shù)平均值為、……、設(shè)(1.26)項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識

②幾何平均值

幾何平均值是將一組n個(gè)測量值連乘并開n次方求得的平均值。即(1.27)③

均方根平均值(1.28)項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識(4)誤差分類

誤差產(chǎn)生的原因多種多樣,根據(jù)誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因,一般分為三類:

①系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指在測量和實(shí)驗(yàn)中未發(fā)覺或未確認(rèn)的因素所引起的誤差,而這些因素影響結(jié)果永遠(yuǎn)朝一個(gè)方向偏移,其大小及符號在同一組實(shí)驗(yàn)測定中完全相同,當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件一經(jīng)確定,系統(tǒng)誤差就獲得一個(gè)客觀上的恒定值。當(dāng)改變實(shí)驗(yàn)條件時(shí),就能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的變化規(guī)律。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因:測量儀器不良,如刻度不準(zhǔn),儀表零點(diǎn)未校正或標(biāo)準(zhǔn)表本身存在偏差等;周圍環(huán)境的改變,如溫度、壓力、濕度等偏離校準(zhǔn)值;實(shí)驗(yàn)人員的習(xí)慣和偏向,如讀數(shù)偏高或偏低等引起的誤差。針對儀器的缺點(diǎn)、外界條件變化影響的大小、個(gè)人的偏向,待分別加以校正后,系統(tǒng)誤差是可以清除的。

夏天擺鐘變慢的原因是什么?項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識②隨機(jī)誤差

已消除系統(tǒng)誤差的一切量值的觀測中,所測數(shù)據(jù)仍在末一位或末兩位數(shù)字上有差別,而且它們的絕對值和符號的變化,時(shí)而大時(shí)而小,時(shí)正時(shí)負(fù),沒有確定的規(guī)律,這類誤差稱為偶然誤差或隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差產(chǎn)生的原因不明,因而無法控制和補(bǔ)償。但是,倘若對某一量值作足夠多次的等精度測量后,就會(huì)發(fā)現(xiàn)偶然誤差完全服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律,誤差的大小或正負(fù)的出現(xiàn)完全由概率決定。因此,隨著測量次數(shù)的增加,隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨近于零,所以多次測量結(jié)果的算數(shù)平均值將更接近于真值。

隨機(jī)事件與隨機(jī)誤差有區(qū)別,隨機(jī)事件不具備正態(tài)分布規(guī)律。

隨機(jī)事件——彩票搖獎(jiǎng)大多數(shù)無法計(jì)算規(guī)律

每一個(gè)測量值的隨機(jī)誤差,等于自身的數(shù)值減去算術(shù)平均值。

瞬時(shí)測量值瞬時(shí)測量值均值真值系統(tǒng)誤差正態(tài)分布差值可能是正的或負(fù)的,大小每次均不相同。具有隨機(jī)誤差的測量值的分布呈正態(tài)分布。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識③粗大誤差

粗大誤差是一種顯然與事實(shí)不符的誤差,它往往是由于實(shí)驗(yàn)人員粗心大意、過度疲勞和操作不正確等原因引起的。此類誤差無規(guī)則可尋,只要加強(qiáng)責(zé)任感、多方警惕、細(xì)心操作,過失誤差是可以避免的。產(chǎn)生粗大誤差的一個(gè)例子:電磁干擾

產(chǎn)生粗大誤差的一個(gè)例子:高壓放電造成ECG系統(tǒng)項(xiàng)目總結(jié)1.知識重點(diǎn):測量的基本概念;測量誤差的分類及表示方法;傳感器的精度等級。2.實(shí)踐技能:能根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算各誤差;能根據(jù)要求選擇精度符合要求的測量儀表。項(xiàng)目2測量及誤差的基本知識模塊1傳感器與檢測技術(shù)基本知識傳感器的基本知識項(xiàng)目1傳感器接口電路測量及誤差的基本知識項(xiàng)目2傳感器接口電路項(xiàng)目3項(xiàng)目目標(biāo)①掌握傳感器常用接口電路;②會(huì)為傳感器選擇合適的接口電路。項(xiàng)目3傳感器接口電路項(xiàng)目分析接口電路是傳感器與處理器之間的橋梁,選擇合適的接口電路,才能將信號有效的傳輸給后級電路處理。項(xiàng)目實(shí)施項(xiàng)目3傳感器接口電路1、接口電路傳感器接口電路完成傳感器輸出電信號的處理,是傳感器與后續(xù)電路的聯(lián)接環(huán)節(jié),其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)傳感器輸出信號的不同特點(diǎn),要采取不同的處理方法。傳感器輸出信號的處理主要由接口電路來完成,典型的接口電路主要有以下幾種。項(xiàng)目3傳感器接口電路(1)放大電路傳感器輸出信號一般比較微弱,因此在大多數(shù)情況下需要使用放大電路。放大電路主要將傳感器輸出的微弱的直流信號或交流信號放大到合適的程度。放大電路一般采用運(yùn)算放大器構(gòu)成。

反相放大器輸入電壓加到運(yùn)算放大器的反相輸入端,輸出電壓經(jīng)RF反饋到反相輸入端。反相放大器的基本電路圖如圖1.14所示。輸出電壓為:圖1.14反相放大器的基本電路(1.29)反相放大器的放大倍數(shù)取決于RF與R1的比值,負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓反相。該放大電路應(yīng)用廣泛。項(xiàng)目3傳感器接口電路

②同相放大器輸入電壓加到運(yùn)算放大器的同相輸入端,輸出電壓經(jīng)RF反饋到反相輸入端。同相放大器的基本電路如圖1.15所示。

圖1.15同相放大器的基本電路輸出電壓為:(1.30)

同相放大器的放大倍數(shù)取決于RF與R1的比值,輸出電壓與輸入電壓同相。項(xiàng)目3傳感器接口電路③差動(dòng)放大器

兩個(gè)輸入信號分別加到運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端,輸出電壓經(jīng)RF反饋到反相輸入端。差動(dòng)放大器的基本電路圖如圖1.16所示。圖1.16差動(dòng)放大器的基本電路圖若R1=R2,R3=RF,則輸出電壓為:(1.31)差動(dòng)放大器的優(yōu)點(diǎn)是抑制共模信號的能力和抗干擾能力強(qiáng)。項(xiàng)目3傳感器接口電路

(2)阻抗匹配器傳感器輸出阻抗都比較高,比一般電壓放大電路的輸入阻抗要大得多,若將傳感器直接與放大電路進(jìn)行連接,則信號衰減很大,甚至不能正常工作。常常使用高輸入阻抗低輸出阻抗的阻抗匹配器。常用的阻抗匹配器是半導(dǎo)體阻抗匹配器、場效應(yīng)管阻抗匹配器。半導(dǎo)體阻抗匹配器,實(shí)際上是共集電極放大電路,又稱為射極輸出器。射極輸出器的輸出相位與輸入相位相同,放大倍數(shù)略小于1,輸入阻抗高,輸出阻抗低。場效應(yīng)管阻抗匹配器,其輸入阻抗高達(dá)1012Ω以上,而且其結(jié)構(gòu)簡單、體積小,得到了廣泛的應(yīng)用。項(xiàng)目3傳感器接口電路

(3)電橋電路電橋電路是傳感器系統(tǒng)中經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)換電路,主要用來把電阻、電容、電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流。根據(jù)其供電電源性質(zhì)的不同,可分為直流電橋、交流電橋。直流電橋主要用于電阻式傳感器,交流電橋可用于電阻、電容及電感式傳感器。電橋的基本電路圖如圖1.17所示。圖1.17電橋的基本電路圖項(xiàng)目3傳感器接口電路電阻構(gòu)成電橋電路的橋臂,橋路的一對角線接工作電源,另一對角線是輸出端。電橋的輸出電壓為:

(1.32)當(dāng)電橋的輸出電壓為0時(shí),電橋平衡,由此可知電橋的平衡條件為R1R3=R2R4。當(dāng)電橋的四個(gè)橋臂的阻抗由于被測量引起變化時(shí),電橋平衡被打破,此時(shí)電橋的輸出與被測量有直接對應(yīng)關(guān)系。項(xiàng)目3傳感器接口電路項(xiàng)目實(shí)施2.知識鏈接(1)傳感器輸出信號的特點(diǎn)由于傳感器種類繁多,其輸出信號也各不相同。所以了解傳感器輸出信號的特點(diǎn)對于接口電路尤其重要。傳感器接口電路特點(diǎn)主要表現(xiàn)為:①傳感器輸出信號微弱,不易于檢測。②傳感器的輸出阻抗較高,會(huì)產(chǎn)生較大的信號衰減。

③傳感器輸出信號動(dòng)態(tài)范圍寬,輸出信號會(huì)受到環(huán)境因素的影響,影響到測量的精度。

項(xiàng)目3傳感器接口電路(2)抗干擾技術(shù)

在實(shí)際檢測系統(tǒng)中,傳感器的工作環(huán)境是比較復(fù)雜和惡劣的,它的輸出信號微弱,并且與電路之間的連接具有一定的距離,這時(shí)傳送信號的電纜電阻和傳感器的內(nèi)阻以及放大電路等產(chǎn)生的干擾,再加上環(huán)境噪聲,周圍磁場、電廠都會(huì)對電路造成干擾,影響其正常工作。干擾又稱噪聲,是傳感器系統(tǒng)中混入的無用信號。主要分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲,內(nèi)部噪聲是由傳感器內(nèi)部元件所產(chǎn)生的;外部噪聲是由外部人為因素或自然干擾產(chǎn)生的。而把消除或削弱各種干擾的方法,稱為抗干擾技術(shù)。為了保證傳感器電路能最精確的工作,必須削弱或防止干擾的影響。項(xiàng)目3傳感器接口電路

①屏蔽技術(shù)

利用低電阻材料制成容器狀,將需要防護(hù)部分包起來,割斷電場、磁場的耦合通道,防止靜電或電磁的相互感應(yīng)。主要有靜電屏蔽、電磁屏蔽、磁屏蔽、驅(qū)動(dòng)屏蔽等。

②接地技術(shù)

接地是保證安全的一種方法,一般情況,接地技術(shù)是與屏蔽相關(guān)聯(lián)的,如果接地不當(dāng),可能會(huì)引起更大的干擾。接地主要有信號接地、負(fù)載接地。在強(qiáng)電技術(shù)中,一般將設(shè)備外殼和電網(wǎng)零線接大地;弱電技術(shù)中,把電信號的基準(zhǔn)電位點(diǎn)稱為“地”,依據(jù)“一點(diǎn)接地”原則,將電路中不同的地線接入同一點(diǎn)。項(xiàng)目3傳感器接口電路

優(yōu)質(zhì)元件

選用質(zhì)量好的元器件。

④浮置

浮置又稱浮空,是指電路的公共線不接機(jī)殼也不接大地的一種抗干擾技術(shù)。

濾波濾除無用的頻率信號。分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。項(xiàng)目3傳感器接口電路項(xiàng)目總結(jié)1.知識重點(diǎn):傳感器輸出信號的特點(diǎn);常見的傳感器接口電路;接口電路中干擾及抑制方法。2.實(shí)踐技能:會(huì)設(shè)計(jì)常見接口電路的原理;能制作與調(diào)試常見的接口電路。模塊1傳感器與檢測技術(shù)基本知識閱讀材料1.傳感器的發(fā)展2.中國傳感器發(fā)展前景3.傳感器國家標(biāo)準(zhǔn)模塊1傳感器與檢測技術(shù)基本知識課堂訓(xùn)練一、填空1.隨機(jī)誤差的概率分布一般是()分布。2.按測量方式分類有(

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