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文檔簡介
1、傳感器及應用,課程教學目標與方法,了解傳感器的基本概念。 掌握常用傳感器的原理、結構、特性和用途,能正確選用傳感器。 理解傳感器的信號處理方法和測量電路、抗干擾技術及數據采集系統(tǒng)的組成方法。 掌握常用傳感器的技術特性及其使用、安裝和調整方法。 本課程應采用理論與實踐相結合的教學方法,重點理解傳感器的原理與特性,掌握傳感器的選用、安裝與調整技能。,課程授課計劃,學時分配表(參考),說明,本課程一般為5664學時 機電一體化技術專業(yè)重點講授第1、2、3、4、5、6、8、10、11章。 電氣自動化技術專業(yè)重點講授第1、2、3、4、5、6、7、9、10、11章。 汽車電子技術專業(yè)重點講授第1、2、4、
2、5、6、7、8、10章及9.2節(jié)。 樓宇智能化技術專業(yè)重點講授第1、2、4、5、6、7、9、10章。 電子信息技術專業(yè)重點講授第1、2、4、5、6、7、9、10章。 計算機控制技術專業(yè)重點講授第1、2、4、5、6、7、9、10、11章。 若學時富??蛇m當增加第2、3、8章的學時。,第1章 傳感器的基本知識, 1.1 傳感器的定義與作用 1.2 傳感器的組成與分類 1.3 傳感器的基本特性 1.4 傳感器的測量誤差與準確度 1.5 傳感器中的彈性敏感元件 要點:1.傳感器的作用、類型及基本特性 2.傳感器的誤差與準確度 3.彈性敏感元件的作用與類型,第一講 1.1 傳感器的定義與作用 1.2 傳
3、感器的組成與分類 1.3 傳感器的基本特性 主要內容:傳感器的定義、作用、組成、分類與靜態(tài)特性 能夠回答的問題: 1.什么是傳感器? 2.傳感器有什么作用? 3.傳感器有哪些功能組成部分?各部分的作用時什么? 4.傳感器時如何分類、命名的?不同分類方法有什么特點? 5.傳感器的靜態(tài)特性有哪些?如何定義?它們與誤差有什么關系?,1.1 傳感器的定義與作用,1.1.1 傳感器的定義與作用 傳感器就是利用物理效應、化學效應、生物效應,把被測的物理量、化學量、生物量等非電量轉換成電量的器件或裝置。,圖1-1 人機對應關系,1.1.2 傳感器的作用和應用領域 1.傳感器的作用,如圖1-1所示,人們把傳感
4、器比作人的五種感覺器官,但在諸如高溫、高濕、深井、高空等環(huán)境及高精度、高可靠性、遠距離、超細微等方面是人的感官所不能代替的。,傳感器的作用可包括信息的收集、信息數據的交換及控制信息的采集三大內容。通過傳感器對自然界的各種物質信息進行采集。,2.傳感器的應用領域,如圖1-2所示,傳感器是任何一個自動控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。如今,傳感器的應用領域已涉及到科研、各類制造業(yè)、農業(yè)、汽車、智能建筑、家用電器、安全防范、機器人、人體醫(yī)學、環(huán)境保護、航空航天、遙感技術、軍事等各個方面,人們已經離不開各種各樣的傳感器了。,3.傳感器在國民經濟中的地位 傳感器技術不僅對現代化科學技術、現代化農業(yè)及工業(yè)自動化的發(fā)
5、展起到基礎和支柱的作用,同時在世界各國也已成為一種重要產業(yè)??梢哉f“沒有傳感器就沒有現代化的科學技術”;沒有傳感器也就沒有人類現代化的生活環(huán)境和條件;傳感器技術已成為科學技術和國民經濟發(fā)展水平的標志之一。,1.2 傳感器的組成與分類,從功能上講,傳感器通常由敏感元件、轉換元件及轉換電路組成,如圖1-3所示。,1.2.1 傳感器的組成,敏感元件是指傳感器中能直接感受(或響應)被測量的部分。在完成非電量到電量的變換時,并非所有的非電量都能利用現有手段直接轉換成電量,往往是先變換為另一種易于變成電量的非電量,然后再轉換成電量。如傳感器中各種類型的彈性元件常被稱為彈性敏感元件。 轉換元件是指能將感受到
6、的非電量直接轉換成電量的器件或元件。如光電池將光的變化量轉換為電勢,應變片將應變轉換為電阻量等。 轉換電路是指將無源型傳感器輸出的電參數量轉換成電量。常用的轉換電路有電橋電路,脈沖調寬電路,諧振電路等,它們將電阻、電容、電感等電參量轉換成電壓、電流或頻率。 實際上,有些傳感器的敏感元件可以直接把被測非電量轉換成電量輸出,如壓電晶體、光電池、熱電偶等。通常稱它們?yōu)橛性葱蛡鞲衅鳌?輔助電源為無源傳感器的轉換電路提供電能。,1.2.2 傳感器的分類 傳感器幾種常用的分類方法: 1.按輸入量(被測對象)分類 輸入量即被測對象,按此方法分類,傳感器可分為物理量傳感器、化學量傳感器和生物量傳感器三大類。例
7、如,物理量傳感器又可分為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等等。這種分類方法給使用者提供了方便。 2.按轉換原理分類 從傳感器的轉換原理來說,通常分為結構型、物性型和復合型三大類。 結構型傳感器是利用機械構件(如金屬膜片等)在動力場或電磁場的作用下產生變形或位移,將外界被測參數轉換成相應的電阻、電感、電容等物理量,它是利用物理學運動定律或電磁定律實現轉換的。,物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學效應(即物質定律,如虎克定律、歐姆定律等)實現非電量的轉換。它是以半導體、電介質、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。例如:電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、熱敏、氣敏、濕敏、磁敏等
8、等。 復合型傳感器是由結構型傳感器和物性型傳感器組合而成的,兼有兩者的特征。 這種分類方法清楚地指明了傳感器的原理,便于學習和研究。 3.按輸出信號的形式分類 按輸出信號的形式,傳感器可分為開關式、模擬式和數字式。 4.按輸入和輸出的特性分類 按輸入和輸出特性,傳感器可分為線性和非線性兩類。,5.按能量轉換的方式分類 按轉換元件的能量轉換方式,傳感器可分為有源型和無源型兩類。有源型也稱能量轉換型或發(fā)電型,它把非電量直接變成電壓量、電流量、電荷量等,如磁電式、壓電式、光電池、熱電偶等。無源型也稱能量控制型或參數型,它把非電量變成電阻、電容、電感等量。 按上述后3種分類方法進行分類便于選擇測量電路
9、。,1.3 傳感器的基本特性 傳感器的特性參數有很多,且不同類型的傳感器,其特性參數的要求和定義也各有差異,但都可以通過其靜態(tài)特性和動態(tài)特性進行全面描述。 1.3.1 傳感器的靜態(tài)特性 靜態(tài)特性表示傳感器在被測各量值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出與輸出的關系。它主要包括靈敏度、分辨力(或分辨率)、測量范圍及誤差特性。 1.靈敏度 靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時傳感器輸出量y和輸入量x之比,或輸出量的增量y和相應輸入量x的增量之比。,線性傳感器的靈敏度k為常數;非線性傳感器的靈敏度K是隨輸入量變化的量。,2.分辨力 傳感器在規(guī)定的測量范圍內能夠檢測出的被測量的最小變化量稱為分辨力。它往往受噪聲的限制,所以噪聲電平的大小
10、是決定傳感器分辨力的關鍵因素。 實際中,分辨力可用傳感器的輸出值表示:模擬式傳感器以最小刻度的一半所代表的輸入量表示,數字式傳感器則以末位顯示一個字所代表的輸入量表示。注意不要與分辨率混淆。分辨力是與被測量有相同量綱的絕對值,而分辨率則是分辨力與量程的比值。,3.測量范圍和量程 在允許誤差范圍內,傳感器能夠測量的下限值(y min)到上限值(y max)之間的范圍稱為測量范圍,表示為y min y max;上限值與下限值的差稱為量程,表示為y F.S y max y min。如某溫度計的測量范圍是-20100,量程則為120。,4.誤差特性 傳感器的誤差特性包括線性度、遲滯、重復性、零漂和溫漂
11、等。 (1)線性度:線性度即非線性誤差,是傳感器的校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差(Lmax)與滿量程值(yF.S)的百分比,校準曲線:在標準條件下,即在沒有加速度、振動、沖擊及溫度為205、濕度不大于85%RH、大氣壓力為1013277800Pa(76060mmHg)的條件下,用一定等級的設備,對傳感器進行反復循環(huán)測試,得到的輸入和輸出數據用表格列出或畫出曲線,這條曲線稱為校準曲線。,擬合直線:對傳感器特性線性化,用一條理論直線代替標定曲線,即擬合直線。擬合直線不同,所得線性度也不同。常用的兩種擬合直線,即端基擬合直線和獨立擬合直線,如圖1-4所示。,圖1-4 傳感器擬合直線示意圖 a)
12、端基擬合直線 b)獨立擬合直線,端基擬合直線是由傳感器校準數據的零點輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的一條直線。由此所得的線性度稱為端基線性度。這種擬合方法簡單直觀,應用較廣,但擬合精度很低,尤其對非線性比較明顯的傳感器,擬合精度更差。 獨立擬合直線方程是用最小二乘法求得的,在全量程范圍內各處誤差都最小。獨立線性度也稱最小二乘法線性度。這種方法擬合精度最高,但計算很復雜。,圖1-5 傳感器的遲滯特性,(2)遲滯:遲滯是指在相同工作條件下,傳感器正行程特性與反行程特性的不一致的程度,如圖l-5所示。其數值為對應同一輸入量的正行程和反行程輸出值間的最大偏差Hmax,與滿量程輸出值的百分比。用H表示
13、為,或用其一半表示。,3)重復性:如圖1-6所示,重復性是指在同一工作條件下,輸入量按同一方向在全測量范圍內連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致性。在數值上用各測量值正、反行程標準偏差最大值的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。記作K:,從誤差的性質講,重復性誤差屬于隨機誤差。若誤差完全按正態(tài)分布,則隨機誤差的標準誤差,可由各次校準量數據間的最大誤差im求出:,式中,前的系數為置信因數, n為重復測量的次數。置信因數取2時,置信概率為95%;置信因數取3時,置信概率為99.73%。,(4)零漂和溫漂:傳感器無輸入(或某一輸入值不變)時,每隔一定時間,其輸出值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比,即為零
14、漂。溫度每升高1,傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比,稱為溫漂。 1.3.2 動態(tài)特性 動態(tài)特性是描述傳感器在被測量隨時間變化時的輸出和輸入的關系。對于加速度等動態(tài)測量的傳感器必須進行動態(tài)特性的研究,通常是用輸入正弦或階躍信號時傳感器的響應來描述的,即傳遞函數和頻率響應。,小結: 1.傳感器的定義 2.傳感器的組成 3.傳感器的作用 4.傳感器的分類 5.傳感器的基本特性 作業(yè):1-3、1-4、1-5。思考:1-1、1-2。,第二講 1.4 傳感器的測量誤差與準確度 1.5 傳感器中的彈性敏感元件 主要內容:誤差的類型、表示方法,準確度;盈利與應變,彈性敏感元件的作用、特性、類型 能夠回答
15、的問題: 1.傳感器的誤差是如何表示的? 2.傳感器的準確度是如何定義的?它與測量誤差有什么關系? 3.什么是彈性敏感元件?彈性敏感元件的作用是什么? 4.什么是應力和應變?應力和應變有什么關系?橫向應變與縱向應變有什么關系? 5.彈性敏感元件主要特性有哪些?彈性敏感元件主要類型有哪些?,1.4 傳感器的測量誤差與準確度,了解測量誤差的產生誤差的原因 熟悉測量誤差的分類 掌握測量誤差的表示方法 理解準確度與測量誤差的關系,1.4.1 誤差的類型,1.按誤差的性質分類 (1)系統(tǒng)誤差 在相同測量條件下多次測量同一物理量,其誤差大小和符號保持恒定或按某一確定規(guī)律變化,此類誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差
16、表征測量的準確度。 (2)隨機誤差 在相同測量條件下多次測量同一物理量,其誤差沒有固定的大小和符號,呈無規(guī)律的隨機性,此類誤差稱為隨機誤差。通常用精密度表征隨機誤差的大小。 準確度和精密度的綜合稱為精確度,簡稱精度。 (3)粗大誤差 明顯偏離約定真值的誤差稱為粗大誤差。它主要是由于測量人員的失誤所致,如測錯、讀錯或記錯等。含有粗大誤差的數值稱為壞值,應予以剔除。在測量中,若誤差大于極限誤差C,即為粗大誤差。,2.按被測量與時間的關系分類 (1)靜態(tài)誤差 被測量不隨時間變化時測得的誤差稱為靜態(tài)誤差。 (2)動態(tài)誤差 被測量在隨時間變化過程中測得的誤差稱為動態(tài)誤差。動態(tài)誤差是由于檢測系統(tǒng)對輸入信號
17、響應滯后,或對輸入信號中不同頻率成分產生不同的衰減和延遲所造成的。動態(tài)誤差值等于動態(tài)測量和靜態(tài)測量所得誤差的差值。,1.4.2 誤差的表示方法,絕對誤差和修正值的量綱必須與示值量綱相同。 絕對誤差可表示測量值偏離實際值的程度,但不能表示測量的準確程度。,(1)絕對誤差,AxA0,修正值C,C=,當AxA0時,為正誤差;反之為負誤差。,(2)相對誤差,實際相對誤差,示值(標稱)相對誤差,滿度(引用)相對誤差,1.4.3 準確度,傳感器和測量儀表的誤差是以準確度表示的。準確度常用最大引用誤差來定義,它表示傳感器的最大相對誤差為S%。,儀表引起的最大測量相對誤差為,如壓力傳感器的準確度等級分別為0.
18、05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等;我國電工儀表的準確度等級分別為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。,某0.1級壓力傳感器的量程為100MPa,測量50MPa壓力時,傳感器引起的最大相對誤差為0.2%。,1.5 傳感器中的彈性敏感元件,能將力、力矩、壓力、溫度等物理量變換成位移、轉角或應變的彈性元件,稱為彈性敏感元件。因此,位移傳感器與彈性敏感元件(或構件本身)組合,可構成力、壓力、加速度、轉矩、液位、流量等傳感器。,熟悉應力和應變的概念 掌握彈性敏感元件的作用、特性和類型,1.應力,截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時,在物體單位
19、截面積上引起的內力稱為應力,圖1-7 應變種類示意圖 a)拉、壓應力 b)剪切應力,正(向)應力:拉伸或壓縮狀態(tài),拉伸為正,壓縮為負。,切(向)應力:物體一端固定,另一端受平行于端面的力作用, 圖1-7b所示方向為正值,反之為負值。,2.應變,物體受外力作用時產生的相對變形,縱向應變l,橫向應變r,切應變:切應力所產生的變形。,式中, x為力F使角點產生位移, L為固定端至力作用點之間的距離,3.虎克定律與彈性模量,=E =G,式中,E為彈性模量或稱楊氏模量,單位為Nm2; G為剪切模量或稱剛性模量; 為切應力。,1.5.2 彈性敏感元件的特性,1.剛度,圖1-8 特性曲線,說明彈性元件受力(或力矩、壓力)與其相應的位移(線位移,角位移)之間
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