模块一、认识传感器与检测技术教案

传感器与检测技术项目教程 传感器与检测技术传感器与检测技术 授课教案授课教案 课程名称 检测技术班级 性质 考试课授课人 课题 模块一 认识传感器与检测技术课时安排 2课次编号 1 难点检测系统框图的绘制 作图法求取灵敏度 线性度 误差计算等 教材分 析 重点准确度等级与示值相对误差 绝对误差的换算 教学目的和要求1 了解工业检测的定义和内容 2 熟悉检测系统的框图绘制方法 3 了解测量方法分类和误差分类 4 根据准确度等级来计算最大绝对误差 示值相对误差 5 掌握作图法求取传感器的灵敏度 线性度 迟滞误差等特性 采用教学方法和实 施步骤 讲授 课堂讨论 分析 实训 教具 光电检测仪 弹簧管压力传感器等 各 教 学 环 节 和 内 容 项目一 认识检测技术 项目教学目标 知识目标知识目标 1 熟悉检测技术涉及的领域 熟悉检测技术涉及的领域 2 熟悉检测系统的组成 熟悉检测系统的组成 技能目标技能目标 掌握绘制检测系统原理框图的方法 掌握绘制检测系统原理框图的方法 检测的定义检测的定义 检测 Detection 是利用各种物理 化学效应 选择合适的方法与装置 将生产 科研 生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程 二 工业检测技术的内容 表 1 1 工业检测涉及的内容 被测量 类型 被测量 被测量 类型 被测量 热工量 温度 热量 比热容 热流 热分 布 压力 压强 压差 真空度 流量 流速 物位 液位 界面 物体的性质 和成分量 气体 液体 固体的化学成分 浓 度 粘度 湿度 密度 酸碱度 浊 度 透明度 颜色 机械量 直线位移 角位移 速度 加速度 转速 应力 应变 力矩 振动 噪 声 质量 重量 状态量 工作机械的运动状态 启停等 生产设备的异常状态 超温 过载 泄漏 变形 磨损 堵塞 断裂等 几何量 长度 厚度 角度 直径 间距 形状 平行度 同轴度 粗糙度 硬 度 材料缺陷 电工量 电压 电流 功率 电阻 阻抗 频率 脉宽 相位 波形 频谱 磁 场强度 电场强度 材料的磁性能 提问提问 本课程重点介绍电量检测还是非电量检测 自动检测系统的组成 提问提问 什么是系统框图 图 1 4 自动检测系统原理框图 请到对应的 PPT 中复制粘贴 以下同 人体信息接受过程框图与自动检测系统框图比 2 传感器定义 在本书中 传感器是指一个能将被测的非电量变换成电量的器件 3 信号调理电路 信号调理电路包括放大 或衰减 电路 滤波电路 隔离电路等 其中的 放大电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压 电流或频率信号等 以 推动后级的显示器 数据处理装置及执行机构 4 显示器 目前常用的显示器有四类 模拟显示 数字显示 图象显示及记录仪等 模拟量 是指连续变化量 模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的 常见的有毫伏表 微安表 模拟光柱等 提问提问 LED 与 LCD 比较 有什么特点 5 数据处理装置 数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理 运算 逻辑判断 线 性变换 对动态测试结果作频谱分析 幅值谱分析 功率谱分析 相关分析等 完成这些工作必须 采用计算机技术 6 执行机构 所谓执行机构通常是指各种继电器 电磁铁 电磁阀门 电磁调节阀 伺服电 动机等 它们在电路中是起通断 控制 调节 保护等作用的电器设备 许多检测系统能输出与被测 量有关的电流或电压信号 作为自动控制系统的控制信号 去驱动这些执行机构 五 自动检测系统举例五 自动检测系统举例 图 1 7 自动磨削测控系统 1 传感器 2 被研磨工件 3 研磨盘 提问提问 1 当图 1 7 中的被研磨的工件直径逐渐变小到设定值时 研磨盘就应该向左还是向右移 动 2 该测控系统是闭环还是开环 项目二 认识传感器 项目教学目标 知识目标知识目标 1 熟悉传感器的定义及组成 熟悉传感器的定义及组成 2 熟悉传感器的特性 熟悉传感器的特性 技能目标技能目标 1 掌握作图法求取传感器的灵敏度 掌握作图法求取传感器的灵敏度 2 掌握作图法求取传感器的线性度 掌握作图法求取传感器的线性度 提问提问 1 GB7665 2005 对传感器的定义说什么 能感受被测量并按照一定的规律转换成可 用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 也可以说 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息 输出 以满足信息的传输 处理 存储 显示 记录和控制等要求 2 什么么情况可以将传感器称为变送器 当输出为规定的标准信号时 则称为变送器 图 1 8 传感器组成框图 三 传感器基本特性三 传感器基本特性 1 灵敏度 灵敏度 1 1 图 1 11 用作图法求取传感器的灵敏度 提问提问 1 灵敏度是否越高越好 2 从切线的斜率可以看出 图 1 11 振动 x2点的灵敏度比 x1点的灵敏度 例 1 1 有一压力传感器 测量范围为 50 300kPa 输出特性如图 1 12 所示 请用作图法求取 该压力传感器在输入为 250kPa 时的灵敏度 K250 并比较在输入为 70kPa 时灵敏度的大小 图 1 12 用作图法求取某压力传感器不同输入点的灵敏度 2 分辨力 分辨力 提问提问 1 如果一台指针式电压表的输入电压变化值小于 1mV 时 则 死区 是多少伏 2 一台 3 位数字式电压表的最大显示值是 999mV 则输入电压变化值小于 1mV 时 显示值会 有变化吗 3 一台 3 位数字式电压表的最大显示值是 999mV 输入电压变化值小于 1mV 时 显示值没有 变化 2mV 时有变化 则该数字式电压表的分辨率为多少分之一 分辨率 分辨率 仪表或传感器中 还经常涉及 分辨率 的概念 将分辨力除以仪表的量程就是仪表的分辨率 分辨率常以百分比或几分之一表示 量纲为 1 例如 上述温度表的分辨率 0 1 199 9 0 05 提问提问 如果一台指针式 10V 电压表的输入电压变化值小于 1mV 时 则分辨率是百分之多少 3 线性度 线性度 1 2 式中 Lmax 最大非线性偏差 ymax ymin 传感器的输出范围 图 1 13 端基线性度作图方法 1 端基拟合直线 y Kx b 2 实际特性曲线 提问提问 在图 1 13 中 若 ymax 20mA ymin 4mA Lmax 0 16mA 则端基线性度 L是百分之多少 4 迟滞误差 迟滞误差 1 3 式中 Hmax 最大迟滞偏差 ymax ymin 量程范围 图 1 14 某位移传感器的迟滞特性 1 正向特性 2 反向特性 提问提问 1 在图 1 14 中 若 ymax 20mA ymin 4mA Hmax 1 6mA 则端基线性度 L是百分之多 少 2 产生迟滞现象的主要原因是什么 传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷造 弹性滞后 运动部件摩擦 传动机构出现间隙 紧固件松动等 5 稳定性 稳定性 提问提问 1 稳定性主要包含哪两个方面 2 某仪表输出电压值在 8 天内的最大变化量为 12mV 则表示该仪表的稳定度为多少 6 电磁兼容性 电磁兼容性 提问提问 电磁兼容 EMC 有哪两方面的定义 7 可靠性 可靠性 提问提问 常用的可靠性指标哪些 MTBF MTTR 等 图 1 15 故障率变化的浴盆曲线 提问提问 1 形成向下的浴盆曲线的原因是什么 2 为了尽量使仪表或传感器渡越 早期失效期 可以怎样做 表表 1 2 某传感器电路的元器件故障率某传感器电路的元器件故障率 元件种类元件种类 i晶体管晶体管集成运放集成运放电阻电阻电解电容电解电容电位器电位器电路板电路板接插件接插件 故障率 kh 0 10 10 050 20 50 10 2 数量 个522064l4 解 该传感器电路总的故障率 由所组成的元器件故障率累加得到 提问提问 1 表 1 2 中 哪一种元件的故障率最大 为什么 要怎么办 2 某一元件的数量越多 对总的故障率的影响就一定会很大 对吗 为什么 项目三 测量方法及测量误差 项目教学目标 知识目标知识目标 1 熟悉常用的测量方法 熟悉常用的测量方法 2 熟悉误差的分类 熟悉误差的分类 技能目标技能目标 掌握有关准确度和绝对误差的计算 掌握有关准确度和绝对误差的计算 一 测量的一般概念一 测量的一般概念 测量是通过借助专门的技术和仪表设备 采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的实 践过程 二 测量方法分类二 测量方法分类 提问提问 测量有哪几种分类方法 静态测量和动态测量 直接测量和间接测量 模拟式测量和 数字式测量 接触式测量和非接触式测量 在线测量和离线测量 偏位式测量 零位式测量和微差式 测量 1 真值 真值 提问提问 真值有哪几种 理论真值 约定真值 相对真值等 怎么得到 2 绝对误差 绝对误差 Ai 0 1 4 提问提问 如果用一台电压表测量 1 5V 的干电池 显示值是 1 8V 绝对误差是多少伏 3 相对误差 相对误差 1 示值相对误差 x 用绝对误差 与被测量 Ax的百分比来表示 也称为标称相对误差 1 5 提问提问 如果用一台电压表测量 1 5V 的干电池 显示值是 1 8V 示值相对误差 x是百分之多少 2 引用误差 m 1 6 提问提问 如果用一台满度值为 10V 电压表测量 1 5V 的干电池 显示值是 1 8V 引用误差 m是百 分之多少 1 7 提问提问 1 精度等级 正确度 精密度 精确度 与 准确度 哪一种最常用 2 如果用一台 S 1 0 级 满度值为 10V 电压表测量 1 5V 的干电池 最大绝对误差是多少伏 0 1 图 1 17 从电压表上读取准确度等级 表表 1 3 仪表常用准确度等级和引用误差对照仪表常用准确度等级和引用误差对照 准确度等级 S0 10 20 51 01 52 55 0 引用误差 m 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 提问提问 1 图 1 17 中 S 为多少级 满度值为多少伏 2 可能出现的最大绝对误差 m是多少伏 3 示值为多少伏 示值相对误差为百分之多少 例 1 3 用 0 5 级 量程为 50 150 的温度仪表来测量温度时 可能产生的最大绝对误差为 仪表的最大绝对误差在多数情况下是不变的 而示值相对误差 x随示值的减小而增大 例如 用图 1 17 所示的电压表来测量 220V 电压时 可能产生的最大示值相对误差 x220 5 0 300V 220V 100 6 82 而用它来测量 22V 电压时 可能产生的最大示 值相对误差 x22 5 0 300V 22V 100 68 2 例 1 4 某压力表的准确度为 2 5 级 量程为 0 1 5MPa 求 1 可能出现的引用误差 m 2 可能出现的最大绝对误差 m为多少千帕 注 保留 3 位有效数字 3 测量结果显示为 0 70MPa 时 可能出现的最大示值相对误差 x 解 1 可能出现的引用误差 最大满度相对误差 可以从准确度等级直