模块一--传感器基本知识PPT课件

第一章第1页,模块一传感器基本知识,吉林机械工业学校徐立冬,5/8/2020,第一章第2页,在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器。,电冰箱的温度传感器;,空调中的温度和湿度传感器;,煤气灶中的煤气泄漏传感器;,电视机中的红外遥控器;,照相机中的光传感器;,汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。,传感器给我们的生活带来了很多的便利和帮助,5/8/2020,第一章第3页,眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）,感知外界信息大脑肌体,人体器官就是一个天然的传感器人们通过五官来感受外界事物的变化,传知万物感创未来,第一章第4页,信息传送,信息获取,信息处理,执行,如果把人体看作是一个信息系统的话，那么眼耳口鼻皮肤等感官就是这个系统的传感器,第一章第5页,传感器是人类通过仪器探知自然界的触角，它的作用与人的感官相类似。如果将计算机视为识别和处理信息的“大脑”，将通信系统比作传递信息的“神经系统”，将执行器比作人的肌体的话，传感器就相当于人的感官。传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”,通信技术,传感器技术,计算机技术,执行机构,自动检测系统采集、转换信息传递信息处理信息执行,5/8/2020,第一章第6页,传感器技术的作用和地位,构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术（信息采集）；通信技术（信息传输）；计算机技术（信息处理）；它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。,第一章第7页,任务一认识传感器,想一想：手机哪些功能与传感器有关？,第一章第8页,随着科学技术的发展，人体感官所获取的信息，已经不能满足日常生活生产的需要。于是，就研制了各种传感器。,1、楼道声光控灯有声音和晚上的时候，灯才点亮。2、电饭锅锅内温控材料的温度达到一定温度时，温控开关启动停止加热。,第一章第9页,3、电子称很快称出物体质量。4、电子温度计能精确测出人的体温，人在不同体温时。发射的红外线强度不同。,第一章第10页,5、电熨斗达到一定温度时，自动断电6、自动门当人靠近时，自动开门,第一章第11页,7、话筒将声音放大后输出。声波作用在振膜上引起振动，从而改变两极板间电容量的变化，引起极板上电荷量的改变，电荷量随时间变化形成高变电流，流经电阻R上在两端产生压降，在经过放大器输出高变信号8、自动报警器车的遥控钥匙,第一章第12页,9、酒精测试仪10、自动干手器,第一章第13页,任务二了解传感器的基本知识,想一想：家里的哪些电子产品与传感器有关呢？电子热水器、电视机、冰箱、煤气、炉具、手机、车、麦克风等,5/8/2020,第一章第14页,传感器是电子器件（测量装置）,传感器是将外界各种非电量转变为电量的电子器件,非电量,按照一定的规律,(物理量、化学量、生物量),任务二了解传感器的基本知识,传感器的定义,第一章第15页,传感器的定义,5/8/2020,第一章第16页,传感器的组成,敏感元件：直接感受被测非电量，并将它转换成易测量的物理量的预变换装置。,敏感元件,转换元件,测量电路,辅助电源,非电量,电量,敏感元件也叫变换器、检测器、探测器,弹性元件敏感元件也叫弹性敏感元件,（应变片、铂电阻）,5/8/2020,第一章第17页,传感器的组成,转换元件：将敏感元件感受的非电量直接转换为电量。,敏感元件,转换元件,测量电路,辅助电源,非电量,电量,并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件（热敏电阻，压电晶体，热电偶，光电器件）,5/8/2020,第一章第18页,传感器的组成,敏感元件,转换元件,测量电路,辅助电源,非电量,电量,测量电路：将转换元件输出的电量变成便于显示、传输、记录、控制和处理的有用电量（如电压、电流、频率等）,测量电路即是信号调节与转换电路放大器、电桥、振荡器、阻抗变换器,5/8/2020,第一章第19页,传感器的组成,图是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体1固接，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。,example,膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力相通，内部感受被测压力，当压力变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。,转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。,5/8/2020,第一章第20页,传感器的分类,1、按被测物理量分类,如：输入量为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度等,温度传感器,压力传感器,位移传感器,速度传感器,加速度传感器,湿度传感器,第一章第21页,物理传感器主要是利用被测物理量变化时，敏感元件的电学量发生明显变化的特性制成的。,传感器的分类,第一章第22页,化学传感器主要是利用把化学物质的成分、浓度等化学量转换为电学量的敏感元件制成的。生物型传感器是利用生物体组织的各种生物、化学与物理效应制成的，如酶传感器、免疫传感器。目前，传感器已经深入到了日常生活、生产、科学研究、军事技术等各个领域。,传感器的分类,5/8/2020,第一章第23页,传感器的分类,3、按工作原理分类,如：根据变电阻的原理，相应的有电位计式、应变式传感器；,传感器的测量原理主要是依据物理学各种定律和效应以及化学原理和固体物理学理论。,根据变磁原理工作的有电感式、差动变压器式、电涡流式等传感器。,根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。,5/8/2020,第一章第24页,传感器的分类,3、按工作原理分类,应变式传感器,电容式传感器,压电式传感器,热电式传感器,电感式传感器,5/8/2020,第一章第25页,传感器的分类,4、按结构型和物性型分类,结构型,主要是通过机械结构的几何形状或尺寸的变化将外界被测量转换为相应电阻、电感、电容等物理量的变化，从而检测出被测量信号。这种传感器目前应用的最为普遍。,物性型,利用某些材料本身物理性质的变化而实现测量。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。,5/8/2020,第一章第26页,传感器的分类,5、按输出量分类,模拟式传感器输出模拟量,数字式传感器输出数字量,测量精度与分辨率较高，基本无读数误差,抗干扰能力较强，稳定性好，特别适用于远距离传输,易与微机接口，便于信号处理和实时自动化测控,优点,5/8/2020,第一章第27页,传感器技术的应用,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，通常建立24小时在线监测系统。质量检测等。,1、自动检测与自动控制系统的应用,石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。,第一章第28页,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器衣质传感器水温传感器水质传感器透光率光传感器(洗净度)液位传感器电阻传感器(衣物烘干检测),指纹传感器,透光率传感器,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器衣质传感器水温传感器水质传感器透光率光传感器(洗净度)液位传感器电阻传感器(衣物烘干检测),2、在家用电器上的应用,传感器技术的应用,第一章第29页,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,3、楼宇控制与安全防护上的应用,传感器技术的应用,第一章第30页,机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,4、传感器在机器人上的应用,5/8/2020,第一章第31页,5、医疗上的应用,5/8/2020,第一章第32页,第1章传感器的一般特性,如何选择使用传感器、如何评价传感器的好坏需要了解传感器的特性,5/8/2020,第一章第33页,传感器的基本特性,传感器的基本特性输出量与输入量之间的关系,静态特性输入量为常量或缓慢变化时即被测量处于稳定状态，不随时间变化,表示静态特性的主要参数：线性度、灵敏度、分辨力、迟滞,第一章第34页,（1）线性度线性度是传感器的输出与输入之间成线性关系的程度。,传感器的基本特性,非线性误差,非线性补偿,第一章第35页,灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下的输出变化值与输入变化值之比，用S、K来表示：X在稳态下传感器的输入变化量。Y在稳态下传感器的输出变化量；例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。,传感器的基本特性,提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。,第一章第36页,分辨力分辨力是指传感器在规定测量的范围内能检出被测的量的最小变化量的能力。当被测的量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应；只有当输入量的变化超过了分辨力的量值时，输出才有可能准确表现出来，因而，传感器就存在分辨力的问题。分辨力越小，表明传感器检测非电量的能力越强，分辨力的高低从某个侧面反映了传感器的精度。,传感器的基本特性,第一章第37页,迟滞迟滞反映传感器正向特性与反向特性不一致的程度。产生这种现象的原因是由于传感器的机械部分不可避免地存在间隙、摩擦及松动。,图1-12迟滞特性,传感器的基本特性,迟滞差值,5/8/2020,第一章第38页,动态特性输入量随时间变化时，输入与输出之间的关系。传感器的输出量对随时间变化的输入量的响应特性,。,是传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映,传感器的基本特性,第一章第39页,传感器的动态特性传感器要检测的输入信号是随时间而变化的。传感器应能跟踪输入信号的变化，这样才能获得正确的输出信号；如果输入信号变化太快，传感器就可能跟踪不上，这种跟踪输入信号的特性就是传感器的响应特性，即为动态特性。表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、频率响应。,传感器的基本特性,第一章第40页,传感器的技术指标,一、测量方法1、直接测量和间接测量直接测量：利用仪器设备直接读取被测量的测量结果。间接测量：已知被测量与某一个或多个其他量具有一定的函数关系，通过直接测量的量，再通过计算，计算出被测量的方法。2、接触式测量和非接触式测量,传知万物感创未来,第一章第41页,xx,传知万物感创未来,传感器的技术指标,二、误差与准确度等级测量误差：检测值和被测量的约定真值之间存在的差值。只能根据需要和可能将误差限制在一定范围内，而不可能完全消除测量误差的主要来源：工具误差、环境误差、方法误差、人员误差,5/8/2020,第一章第42页,1、绝对误差仪表的指示值（测量值）与被测量真值之间的差值。绝对误差：有符号，有单位真值：一个物理量在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值。它是一个理论概念。要想得到真值必须利用理想的量具或测量仪器进行无误差的测量。由此推断，物理量的真值实际是无法测得的,传感器的技术指标,传知万物感创未来,第一章第43页,传知万物感创未来,传感器的技术指标,具体原因：一是：理想量具或测量仪器即测量过程的参考比较标准只是一个纯理论值，按照国际计量委员会对单位标准量的定义，则没有符合的可供实际使用的测量参考标准；二是：在测量过程中由于各种主观、客观因素的影响，做到无误差测量是不可能的。,5/8/2020,第一章第44页,实际值：因为绝对真值不可知，一般由国家设立各种尽可能维持不变的实物标准（或基准），以法令的形式指定其所体现的量值作为计量单位的实际值。绝对误差：有符号，有单位,传感器的技术指标,传知万物感创未来,第一章第45页,传知万物感创未来,传感器的技术指标,仪表的指示值（测量值）与被测量真值之间的差值。绝对误差：有符号，有单位被测量真值：修正值（校正量）：当测定值大于真值时，误差为正，表明测定结果偏高;反之，误差为负，表明测定值偏低。修正值：与绝对误差绝对值相等但符号相反的值。,5/8/2020,第一章第46页,测量仪器的修正值可通过检定由上一级标准给出，可以是表格、曲线或函数表达式等。一般仪表送上级计量部门检定，主要目的就是获得准确的修正值，利用修正值和仪器指示值可得到被测量的实际值，即含有误差的指示值加上修正值后，可消除误差影响。,传感器的技术指标,传知万物感创未来,第一章第47页,传知万物感创未来,2、相对误差仪表指示值的绝对误差与被测量真值（实际值）的比值。实际相对误差相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度。,传感器的技术指标,5/8/2020,第一章第48页,实际测量中，若真值未知，或测量误差不大，可用指示值代替真值计算相对误差，即示值相对误差相对误差评定测量精度也有局限性，只能说明不同被测量的测量精度，但不适于衡量仪表本身的质量。因为同一仪表在整个测量范围的相对误差不是定值，被测量越小，相对误差越大。,传感器的技术指标,第一章第49页,传感器的技术指标,例如：测量两条线段的长度，第一条线段用最小刻度为毫米的刻度尺测量时读数为10.3毫米，绝对误差为0.1毫米(值读得比较准确时)，相对误差为0.97%，而用准确度为0.02毫米的游标卡尺测得的结果为10.28毫米，绝对误差为0.02毫米，相对误差为0.19%;第二条线段用上述测量工具分别测出的结果为19.6毫米和19.64毫米，前者的绝对误差仍为0.1毫米，相对误差为0.51%，后者的绝对误差为0.02毫米，相对误差为0.1%。比较这两条线的测量结果，可以看到，用相同的测量工具测量时，绝对误差没有变化，用不同的测量工具测量时，相对误差明显不同，准确度高的工具所得到的相对误差小。然而相对误差则不仅与所用