第1章-传感器与自动检测技术的基本概念

1、传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术（第二版）主编主编 吴旗吴旗高等教育出版社 高等教育电子音像出版社传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材第一章第一章传感器与自动检测技术的基本概念传感器与自动检测技术的基本概念本章学习的主要内容：本章学习的主要内容：1. 传感器简述传感器简述2. 自动检测系统概述自动检测系统概述3. 测量误差与精度测量误差与精度4. 检测系统中的弹性敏感元件检测系统中的弹性敏感元件 传感器与自动检测技术

2、吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材1 11 1 传感器简述传感器简述 一、传感器的定义与组成一、传感器的定义与组成 传感器是能感受规定的被测量并按照一定传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出电信号的器件或装置。规律转换成有用输出电信号的器件或装置。敏感元件敏感元件 传感元件传感元件 测量转换电路测量转换电路 非电量非电量被测量被测量非电量非电量电参量电参量电量电量传感器组成框图传感器组成框图传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二二 、传感器的

3、传感器的分类及命名分类及命名（1）按工作）按工作 原理划分原理划分 参量传感器参量传感器 发电传感器发电传感器 特殊传感器特殊传感器 电阻式传感器电阻式传感器 电感式传感器电感式传感器 电容式传感器等电容式传感器等 热电偶传感器热电偶传感器 压电式传感器压电式传感器 霍尔式传感器等霍尔式传感器等超声波探头超声波探头 激光检测等激光检测等 1. 分类分类传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）按被测量）按被测量 性质来分性质来分机械量传感器机械量传感器 热工量传感器热工量传感器 成分量传感器成分量传感器 状态量传感器

4、状态量传感器 探伤传感器等探伤传感器等 如：扭力传感器、如：扭力传感器、 倾角传感器等倾角传感器等如：温度传感器、如：温度传感器、 流量传感器等流量传感器等如：气敏传感器等如：气敏传感器等 如：各种接近开关如：各种接近开关 等等如：超声波探伤仪等如：超声波探伤仪等 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（3）按输出量种类来分）按输出量种类来分 模拟传感器模拟传感器 数字传感器数字传感器 （4）按传感器结构来分）按传感器结构来分 直接传感器直接传感器 补偿传感器补偿传感器 差动传感器差动传感器传感器与自动检测技术吴旗主编

5、 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 传感器常常按工作原理及被测量性质两种分传感器常常按工作原理及被测量性质两种分类方式合二为一进行命名。类方式合二为一进行命名。 例如：例如：电感式位移传感器电感式位移传感器 光电式转速计光电式转速计 压电式加速度计压电式加速度计 光电式转速计光电式转速计（2）命名）命名传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材1. 精度精度 三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性精度分为准确度精度分为准确度和精密度和精密度（a）准确度）准确度高而精密度

6、低高而精密度低（b）准确度）准确度低而精密度高低而精密度高（c）精确度高）精确度高传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材2稳定性稳定性（1） 稳定度稳定度 则稳定度为则稳定度为1.3mV/h。 【例例1】某仪表电压指示值每小时变化某仪表电压指示值每小时变化1.3mV（2） 环境影响系数环境影响系数 则环境影响系数表达为则环境影响系数表达为0.02mA/（V 10%）【例例2】某仪表由于电源电压变化某仪表由于电源电压变化10%而引起指示而引起指示 值变化值变化0.02mA传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等

7、教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材3可靠性可靠性 表征传感器表征传感器可靠性可靠性最基本的尺度是最基本的尺度是可靠度可靠度，它，它是衡量传感器能够正常工作并完成其功能的程度是衡量传感器能够正常工作并完成其功能的程度 。例如：三菱公司生产的例如：三菱公司生产的F F系列系列PLCPLC的可靠性就很高，的可靠性就很高， 平均无故障时间高达平均无故障时间高达3030万小时万小时关于可靠性问题本课程将在第八章第二节中介绍关于可靠性问题本课程将在第八章第二节中介绍传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教

8、材（1）线性度）线性度 传感器输出输入的实际特性曲线和拟合直线传感器输出输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差与输出量程范围之比。之间的最大偏差与输出量程范围之比。 输入输出特性输入输出特性动态特性动态特性静态特性静态特性线性度线性度灵敏度灵敏度迟滞迟滞分辨率分辨率4输入输出特性输入输出特性传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材%100minmaxmaxyyLL 线性度概念动画演示线性度概念动画演示线性度表达式为线性度表达式为传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育

9、“十一五”国家级规划教材（2）灵敏度）灵敏度 传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值入变化量的比值 xydxdyK（3）迟滞）迟滞 传感器的正向特性与反向特性的不一致程度。传感器的正向特性与反向特性的不一致程度。传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（5）动态特性）动态特性 反映了当被测量随时间迅速变化时，指示值与反映了当被测量随时间迅速变化时，指示值与被测量值之间的关系。被测量值之间的关系。 （4）分辨率与分辨力）分辨率与分辨力 【例例3】一光栅传感器，测量长度一光

10、栅传感器，测量长度10mm，最小测，最小测 量距离量距离0.1um则则分辨率分辨率为为0.1，分辨力分辨力 为为0.1um传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材四、对传感器的要求四、对传感器的要求 对传感器的具体要求因使用条件不同而异，主对传感器的具体要求因使用条件不同而异，主要从基本特性、使用性能、方便程度等方面提出要从基本特性、使用性能、方便程度等方面提出要求。要求。 一般要求传感器特性好、性能优、使用方便一般要求传感器特性好、性能优、使用方便易维修；体积小、重量轻、价格便宜寿命长。易维修；体积小、重量轻、价格便宜

11、寿命长。 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材12 自动检测系统概述自动检测系统概述一、自动检测系统的组成一、自动检测系统的组成 传感器传感器 转换电路转换电路 显示记录显示记录 数据处理数据处理 执行机构执行机构 被测量被测量 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材自动检测系统组成的动画演示自动检测系统组成的动画演示传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 二、自动检

12、测系统的功能二、自动检测系统的功能 1变换功能变换功能2选择功能选择功能选择有用输入信号选择有用输入信号抑制其它一切无用影响因素抑制其它一切无用影响因素) (21muuuxfy，)(xfy 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材3比较功能比较功能 4显示功能显示功能模拟式仪表，比较过程由测量者在读数时执行模拟式仪表，比较过程由测量者在读数时执行数字仪表数字仪表, 标准量比较，然后变换成数码标准量比较，然后变换成数码指针的转动指示指针的转动指示图像显示图像显示三、自动检测系统的基本特性三、自动检测系统的基本特性 自动检测

13、系统的基本特性与传感器的基本特性相似自动检测系统的基本特性与传感器的基本特性相似 。数字值及符号文字显示数字值及符号文字显示记录笔移动的痕迹记录笔移动的痕迹传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材13 测量误差与精度测量误差与精度、测量误差的基本概、测量误差的基本概念念 检测包括：检查与测量。测量过程实际上是检测包括：检查与测量。测量过程实际上是一个比较过程。测量误差为测量值与真值之间的一个比较过程。测量误差为测量值与真值之间的偏差。偏差。 （1）真值）真值 （2）约定真值）约定真值 （3 3）实际值）实际值 （4 4）

14、标称值（示值）标称值（示值） （5 5）测量误差）测量误差 有关测量的部分名词术语：有关测量的部分名词术语：传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、误差的分类二、误差的分类1.按表示方法划分按表示方法划分 2.按误差出现的规律划分按误差出现的规律划分 绝对误差绝对误差 相对误差相对误差 系统误差系统误差 随机误差随机误差 粗大误差粗大误差 实际相对误差实际相对误差 标称相对误差标称相对误差 满度相对误差满度相对误差 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国

15、家级规划教材3.按被测量随时间变化的速度划分按被测量随时间变化的速度划分 4.按使用条件划分按使用条件划分 静态误差静态误差 动态误差动态误差 基本误差基本误差 附加误差附加误差 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（1）绝对误差）绝对误差 某采购员分别在某采购员分别在A 、B 、C 三家商店购买三家商店购买100kg牛肉干、牛肉干、10kg牛肉干、牛肉干、1kg牛肉干，发牛肉干，发现均缺少约现均缺少约0.5kg，但该采购员对，但该采购员对C家卖牛肉家卖牛肉干的商店意见最大，是何原因？干的商店意见最大，是何原因？ 【

16、例例1】0AAx传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）相对误差）相对误差 实际相对误差实际相对误差 %1000AA标称相对误差标称相对误差 %100 xxA 满度（或引用）相对误差满度（或引用）相对误差 %100mmA传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 当当取为取为m时，满度（或引用）相对误差就被时，满度（或引用）相对误差就被用来确定仪表的精度等级用来确定仪表的精度等级S：100minmaxmaxAAS 我国电工仪表等级分为七级，即：

17、我国电工仪表等级分为七级，即： 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级级 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材【例例2】今有今有0.5级的级的0300 和和1.0级的级的0 100 两两 个温度计，要测个温度计，要测80 的温度，试问采用哪一的温度，试问采用哪一 个温度计好？个温度计好？%875. 1%10080%5 . 0300%10011mmxA%25. 1%10080%0 . 1100%10022mmxA12xx解：用解：用0.5级仪表测量时，最大标称相对误差为：级仪表测量时，最大标称相对误差

18、为： 用用1.0级仪表测量时，最大标称相对误差为：级仪表测量时，最大标称相对误差为： 显然本例中用显然本例中用1.0级仪表比用级仪表比用0.5级仪表更合适。级仪表更合适。 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材三三 、仪表精度与测量精度、仪表精度与测量精度1仪表精度与测量精度的关系仪表精度与测量精度的关系 测量精度是实际相对误差（基本误差测量精度是实际相对误差（基本误差+附加误附加误差），而仪表精度是最大引用相对误差。差），而仪表精度是最大引用相对误差。2附加误差对实际测量精度的影响附加误差对实际测量精度的影响传感器与

19、自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材【例例3】上例中上例中1.0级温度仪表最大标称相对误差为级温度仪表最大标称相对误差为 1.25，若电源电压变化为，若电源电压变化为10时产生时产生 的附加误差的附加误差0.5，试估算实际测量误差，试估算实际测量误差解：按最坏的情况考虑，每次误差都达到技术指标解：按最坏的情况考虑，每次误差都达到技术指标 规定的极限值，即：规定的极限值，即：%35. 1%5 . 0%25. 1222xix这样处理的结果比较符合实际情况。这样处理的结果比较符合实际情况。%25. 11x基本误差基本误差附加误差附

20、加误差%5 . 02x%75. 1%)5 . 0%25. 1 (21xxx求其均方根值为：求其均方根值为：传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材14 检测系统中的弹性敏感元件检测系统中的弹性敏感元件 变形变形 ：物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状：物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状弹性变形：外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸弹性变形：外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸 和形状的变形和形状的变形弹性元件：具有弹性变形这类特性的物体弹性元件：具有弹性变形这类特性的物体弹性敏感元件：在传感器中用于测量的弹性元件弹性敏感元件：

21、在传感器中用于测量的弹性元件传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材一、弹性敏感元件的基本特性一、弹性敏感元件的基本特性1刚度刚度 dxdFxFkx0lim 2灵敏度灵敏度 kdFdxK/1灵敏度为灵敏度为常数常数，此弹性特性是，此弹性特性是线性线性例：木块刚度小，铁块刚度大例：木块刚度小，铁块刚度大弹性特性曲线图弹性特性曲线图 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材二、弹性敏感元件的形式及应用范围二、弹性敏感元件的形式及应用范围 1弹性敏感弹性

22、敏感 元件的形式元件的形式 变换力变换力变换压力变换压力等截面轴等截面轴 环状弹性敏感元件环状弹性敏感元件悬臂梁悬臂梁扭转轴扭转轴 弹簧管弹簧管 波纹管波纹管 等截面薄板等截面薄板 波纹膜片和膜盒波纹膜片和膜盒 薄壁圆筒和薄壁半球薄壁圆筒和薄壁半球 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材 2变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件 （1）等截面轴）等截面轴 力力F应变应变 等截面轴受等截面轴受力动画演示力动画演示等截面轴示意图等截面轴示意图 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行

23、普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）环状弹性敏感元件）环状弹性敏感元件 较小力较小力F应变应变 环状弹性敏感元件受力动画演示环状弹性敏感元件受力动画演示传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（3）悬臂梁）悬臂梁 悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁受悬臂梁受力动画演示力动画演示 悬臂梁示意图悬臂梁示意图 力力 F应变应变 或或 力力 F位移位移 x 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教

24、材（4）扭转轴）扭转轴 转矩转矩T 应变应变 扭转轴受力动画演示扭转轴受力动画演示 扭转轴示意图扭转轴示意图 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材3变换压力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件 （1）弹簧管）弹簧管 压力压力p 中心角角位移中心角角位移 弹簧管受力动画演示弹簧管受力动画演示 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（2）波纹管）波纹管 压力压力p 自由端的位移自由端的位移x波纹管受力动画演示波纹管受力动画演示 波纹管示意图波纹管

25、示意图 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（3）等截面薄板）等截面薄板 （4）波纹膜片和膜盒）波纹膜片和膜盒 压力压力 p 位移位移 x压力差压力差p 位移位移x等截面薄板示意图等截面薄板示意图 膜盒示意图膜盒示意图 应变应变压力压力 p 或者或者 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材（5）薄壁圆筒和薄壁半球）薄壁圆筒和薄壁半球 压力压力 p 应变应变薄壁圆筒和薄壁半球示意图薄壁圆筒和薄壁半球示意图 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育

26、出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材休休 息息 一一 下下传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材光敏电阻光敏电阻铂电阻测温传感器铂电阻测温传感器传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材电感式传感器电感式传感器传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材陶瓷压力电容传感器陶瓷压力电容传感器硅电容差压传感器硅电容差压传感器传感器与自动检测技术

27、吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通装配型热电偶普通装配型热电偶传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材压电式振动加速度传感器压电式振动加速度传感器传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材霍尔接近开关霍尔接近开关霍尔电流传感器霍尔电流传感器 传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 高等教育电子音像出版社 出版发行普通高等教育“十一五”国家级规划教材超声波传感器超声波传感器传感器与自动检测技