《传感器与自动检测技术》课件第1章

第1章传感器与检测技术的基本知识本章学习的主要内容：1.1感器基础知识1.2检测技术基础知识1.3检测系统中的弹性敏感元件1.4传感器的标定与选择1.1传感器基础知识

1.1.1传感器的组成与分类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。敏感元件

传感元件

信号调理转换电路

被测量非电量电参量电量传感器组成框图

目前一般采用两种分类方法。一是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、压变式、磁电式等。二是按被测参数分类，如温度、压刀、位移、速度等被测量。1.1.2传感器的基本特性

在生产过程和科学实验中，要对各种参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出-输入特性。1.传感器的静态特性

传感器的线性度是指传感器的输出与输人之间数量关系的线性程度。传感器的输出与输人关系：

传感器输出-输入特性线性化拟合直线：（1）线性度

线性度概念动画演示线性度表达式为（2）灵敏度

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（3）迟滞现象

传感器在正行程（输入量增大）和反行程（输入量减小）期间其输出-输人特性曲线不重合的现象称为迟滞现象。迟滞误差：

（4）重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

重复性误差：

2.传感器的动态特性

传感器的动态特性，是指在测量动态信号时传感器的输出反映被测量的大小和随时间变化的能力。

给传感器输入一个单位阶跃函数信号：

(a)一阶系统(b)二阶系统1.2检测技术基础知识

1.2.1检测系统的组成与功能

检测系统的主要组成部分如图。传感器组成框图被测量传感器信号处理模拟信号处理模数转换模拟信号显示记录

数模转换

数字信号处理数字信号显示记录1.2.2测量的方法

实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。1.根据测量过程的特点分

直接测量间接测量组合测量2.根据测量的精度因素分

等精度测量非等精度测量3.根据测量仪器的特点分

4.根据测量对象的特点分

非接触测量接触测量动态测量静态测量1.2.3测量误差的分类按误差出现的规律划分

系统误差随机误差粗大误差εδ（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高1.绝对误差

某采购员分别在A

、B

、C

三家商店购买100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对C家卖牛肉干的商店意见最大，是何原因？

【例1】1.2.4测量误差的表示方法（2）相对误差①实际相对误差②标称相对误差③满度（或引用）相对误差当Δ取为Δm时，满度（或引用）相对误差就被用来确定仪表的精度等级S：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

【例2】今有0.5级的0～500℃和1.0级的0

～100℃两个温度计，要测80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？解：用0.5级仪表测量时，最大标称相对误差为：

用1.0级仪表测量时，最大标称相对误差为：

显然本例中用1.0级仪表比用0.5级仪表更合适。

1.2.5测量误差的处理1.剔除粗大误差

一般将称为测量结果的极限误差。当有测量数据的剩余误差较极限误差大，则认为该数据有粗大误差存在，必须剔除。2.估算随机误差

3.数据处理的一般步骤

（1）计算n次测量数据的算术平均值

（2）计算标准误差（3）检查有无粗大误差数据（4）计算算术平均值的标准误差（5）写出测量结果的表达式【例3】现对某液体测量温度11次，测量序号与测量数据见下表所示：测量序号i1234567891011测量数据（℃）20.7220.7520.6520.7120.6220.4520.6220.7020.6720.7320.741.3.1弹性敏感元件的基本特性1．刚度

2．灵敏度灵敏度为常数，此弹性特性是线性。弹性特性曲线图

1.3检测系统中的弹性敏感元件

1.3.2弹性敏感元件的形式及应用范围

1．弹性敏感元件的形式变换力变换压力等截面轴环状弹性敏感元件悬臂梁扭转轴弹簧管波纹管等截面薄板波纹膜片和膜盒薄壁圆筒和薄壁半球

2．变换力的弹性敏感元件（1）等截面轴力F应变ε

等截面轴受力动画演示等截面轴示意图（2）环状弹性敏感元件

较小力F应变ε

环状弹性敏感元件受力动画演示（3）悬臂梁悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁受力动画演示悬臂梁示意图力F应变ε

或力F位移

x

（4）扭转轴转矩T

应变ε

扭转轴受力动画演示扭转轴示意图3．变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管压力p

中心角角位移△γ

弹簧管受力动画演示（2）波纹管压力p

自由端的位移x波纹管受力动画演示波纹管示意图（3）等截面薄板（4）波纹膜片和膜盒压力p

位移x压力差p

位移x等截面薄板示意图膜盒示意图应变ε压力p

或者

1.4传感器的标定与选择

1.4.1传感器的标定与校准

标定实际上就是利用某种标准或标准器具对传感器进行刻度。标定工作不仅在传感器出厂时或安装时要进行，而且在传感器的使用过程中还需定期检验。对传感器进行标定和校准，必须有一个长期的、稳定的和高精度的基准。1.4.2传感器的选择与测量条件有关的因素与测量条件有关的因素（1）与测量条件有关的因素与测量条件有关的因素（2）与传感器有关的技术指标与传感器有关的技术指标（3）与使用环境条件有关的因素与使用环境条件有关的因素（4）与购买和维修有关的因素与购买和维修有关的因素2.选择传感器的一般原则2.选择传感器的一般