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1、自动检测技术及应用自动检测技术及应用一、课程简介：一、课程简介：课程性质：专业应用技术学科课程性质：专业应用技术学科 主要内容：传感器技术，检测方法，误差主要内容：传感器技术，检测方法，误差 理论，抗干扰技术等。理论，抗干扰技术等。主要任务：获得传感器的基本知识和自动主要任务：获得传感器的基本知识和自动 检测方法，抗干扰技术等方面检测方法，抗干扰技术等方面 的基本技能。的基本技能。二、教学安排二、教学安排 时间时间:1:1 1414周周,共共1414周，周，5656学时学时 建议：建议：1 1）不迟到、旷课，课堂纪律好（）不迟到、旷课，课堂纪律好（个人修养个人修养）2 2）端正学习态度，注意学
2、习方法）端正学习态度，注意学习方法 要有一个良好的学习心态要有一个良好的学习心态 养成一个良好的学习习惯（养成一个良好的学习习惯（学习能力学习能力）3 3）本课程涉及机、电、光等多方面的知识，）本课程涉及机、电、光等多方面的知识，学科面广，需要有较广泛的基础和专业知识。学习学科面广，需要有较广泛的基础和专业知识。学习 过程中，要富于联想，善于借鉴。过程中，要富于联想，善于借鉴。三、希望三、希望与大家一起营造一个轻松愉快的学习环境与大家一起营造一个轻松愉快的学习环境祝愿同学们能够取得满意的成绩！祝愿同学们能够取得满意的成绩！最后送大家一句话：最后送大家一句话：从成功里得到自信和快乐；从成功里得到
3、自信和快乐；从自信里得到快乐和成功；从自信里得到快乐和成功；从快乐里得到成功和自信。从快乐里得到成功和自信。成功就是成为最好的你自己！成功就是成为最好的你自己！绪绪论论一、检测技术一、检测技术1、定义：、定义：研究自动检测系统中的信息研究自动检测系统中的信息提取提取、信息、信息转转换换及信息及信息处理处理的理论和技术。的理论和技术。信息提取信息提取信息提取信息提取：用组成的测试系统从自然界中提：用组成的测试系统从自然界中提取出有用的信息。取出有用的信息。信息转换信息转换信息转换信息转换：根据需要将所提取的有用信息，：根据需要将所提取的有用信息，转换为电信号。转换为电信号。信息处理信息处理信息处
4、理信息处理：根据需要将变换后的电信号进行：根据需要将变换后的电信号进行 数字运算、数字运算、A/DA/D变换等处理。变换等处理。2、任务：、任务：寻寻找找与与自自然然信信息息具具有有对对应应关关系系的的各各种种表表现现形形式式的的信信号号，以及确定的定性、定量关系。以及确定的定性、定量关系。3、内容：、内容：传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间互相转换的技术等。及电量间互相转换的技术等。二、检测技术的地位与作用二、检测技术的地位与作用1 1 1 1、传感器是获取自然领域中信息的主要手段。、传感器是获取自然领域中信息的主要手段。
5、、传感器是获取自然领域中信息的主要手段。、传感器是获取自然领域中信息的主要手段。在检测和自动控制系统中，相当于人的五官。在检测和自动控制系统中，相当于人的五官。在检测和自动控制系统中，相当于人的五官。在检测和自动控制系统中，相当于人的五官。人有五感：人有五感：人有五感：人有五感：视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉 人与机器的机能对应关系图人与机器的机能对应关系图外界对象感官传感器人脑微机肢体执行器人机器 2 2、现代信息技术的三大基础：、现代信息技术的三大基础：信息采集信息采集 信息传输信息传输 信息处理信息处理传感
6、器技术传感器技术 通信技术通信技术 计算机技术计算机技术感官感官 神经神经 大脑大脑传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术是信息技术中的源头技术是信息技术中的源头技术是信息技术中的源头技术是信息技术中的源头技术信息化是科学技术发展的必然信息化是科学技术发展的必然手工化手工化机械化机械化自动化自动化信息化信息化人与简人与简单工具单工具动力机动力机与机械与机械自动测自动测量控制量控制智能机智能机械装置械装置历史时代历史时代生产方式生产方式传感器传感器测量测量电路电路电源电源指示仪指示仪记录仪记录仪数据数据处理器处理器被测量被测量开开环环检检测测系系统统3 3、传感器的位置、传感器的位置 传感器位
7、于自控系统的最前端传感器位于自控系统的最前端 系统整体精度难以超越检测部分的精度系统整体精度难以超越检测部分的精度 传感器技术是现代科学的前沿技术传感器技术是现代科学的前沿技术 20 20世纪以来与检测技术发展相关的诺贝尔世纪以来与检测技术发展相关的诺贝尔 奖有奖有2727项项检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.三、检测技术的应用三、检测技术的应用检测技术在卫星中的应用红外扫描区域人造卫星检测技术在海啸预报中的应用检测技术在海啸预报中的应用海浪振动检测系统浮标深海地沟检测技术在日常生活中的应用与日
8、俱增检测技术在日常生活中的应用与日俱增家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距红外测距传感器传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档
9、扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 -压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 -离子传感器离子传感器被检测量被检测量传感器传感器信号处理电路信号处理电路数据处理装置数据处理装置显示器显示器执行机构执行机构四、自动检测系统组成四、自动检测系统组成测量系统的组成测量系统的组成传感器传感器测量电路测量电路输出单元输出单元被测量被测量简单的理解：传感器传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，
10、且便于应用的某些物理量（通常为电量）应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。的测量装置。测量电路测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。反馈信号。输出单元输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。数据处理电路等。五、自动检测技术的发展趋势（1 1）提高系统性能，扩大应用范围。）提高系统性能，扩大应用范围。（2 2）开发新型
11、传感器及传感器的新型敏感元件材料）开发新型传感器及传感器的新型敏感元件材料 和采用新的加工工艺。和采用新的加工工艺。（3 3）仪器仪表的一体化和小型化。）仪器仪表的一体化和小型化。（4 4）检测仪器及系统的智能化。）检测仪器及系统的智能化。（5 5）虚拟仪器和检测系统网络化。）虚拟仪器和检测系统网络化。休 息第第1 1章章 检测技术的基础知识检测技术的基础知识本章主要内容：本章主要内容：u 本章主要介绍测量的基本概念；测量方法；本章主要介绍测量的基本概念；测量方法；误差定义及表示法；误差分类及处理；测量仪误差定义及表示法；误差分类及处理；测量仪表精确度与分辨率；测量结果的数据统计与处表精确度与
12、分辨率；测量结果的数据统计与处理；理；u 传感器的定义、分类、静特性及技术指标传感器的定义、分类、静特性及技术指标和传感器中的弹性敏感元件等内容。和传感器中的弹性敏感元件等内容。1.1 1.1 测量的基本概念测量的基本概念1 1、测量、测量 定义：定义：全部操作全部操作 检测器具：传感器检测器具：传感器,检测仪器检测仪器,检测装检测装 置置,检测系统；检测系统；检测过程：信号来源检测过程：信号来源,信号处理信号处理,信号信号 显示显示,信号输出。信号输出。确定被测对象的属性和量值为目的的确定被测对象的属性和量值为目的的全部全部操作操作。2 2、测量方法、测量方法从不同的角度，测量方法有不同的分
13、类。从不同的角度，测量方法有不同的分类。1 1）直接测量与间接测量）直接测量与间接测量2 2）模拟量测量与数字量测量）模拟量测量与数字量测量3 3）静态测量与动态测量）静态测量与动态测量4 4）接触式测量与非接触式测量）接触式测量与非接触式测量5 5）开环测量与闭环测量）开环测量与闭环测量6 6）零位法，偏差法，微差法）零位法，偏差法，微差法零位法：零位法：利用指零机构的作用，使被测量与已知标准利用指零机构的作用，使被测量与已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于已知标准量。定被测量等于已知标准量。例如：天平例如：天平特点：测量精度高
14、，但平衡复杂。特点：测量精度高，但平衡复杂。偏差法：偏差法：利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示被测量的大小。移直接表示被测量的大小。例如：弹簧秤例如：弹簧秤特点：测量过程简单，较通用。特点：测量过程简单，较通用。微差法微差法零位法和偏差法的结合。零位法和偏差法的结合。是将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，是将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得该差值。再用偏差法测得该差值。微差法测量综合了偏差法和零位法测量的优点。微差法测量综合了偏差法和零位法测量的优点。L LX X=L=LB B+L+L微差法测量示意图微差法测量示意图特
15、点：精度较高，测特点：精度较高，测量较简单量较简单思考：思考：人体称重秤、磅秤和天平分别属于何种检人体称重秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？测方法？偏差法，微差法，零位法偏差法，微差法，零位法 1.2 1.2 测量误差及分类测量误差及分类1 1、误差的表达方式、误差的表达方式绝对误差绝对误差 某某量量值值的的测测量量值值A Ax x与与真真值值A A0 0之之间间的的差差为为绝绝对对误差误差 =A=Ax x-A Ao o 相对误差相对误差 1)1)实际相对误差实际相对误差2 2）示值相对误差）示值相对误差3 3）引用相对误差）引用相对误差1 1）实际相对误差）实际相对误差 绝绝对对误误差差与
16、与被被测测量量的的真真值值A A0 0之之比比，并并用用百百分数表示：分数表示：2 2）示值相对误差）示值相对误差 因测量值与真值相近，则用测量值因测量值与真值相近，则用测量值A Ax x代替真值代替真值A0：3 3）引用相对误差（满度相对误差）引用相对误差（满度相对误差）为了合理的为了合理的评价仪表的测量质量评价仪表的测量质量引入了引用引入了引用误差。误差。引用误差引用误差 m m就是用被测量的绝对误差就是用被测量的绝对误差与测与测量仪表的上限（满度）值量仪表的上限（满度）值A Am m的百分比之值：的百分比之值：思考：某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg100kg
17、大米，大米，10kg10kg苹果，苹果，1kg1kg巧克力，发现均缺少巧克力，发现均缺少0.5kg0.5kg，采购员对哪家商店的意见最大？是何原因？采购员对哪家商店的意见最大？是何原因？示值相对误差示值相对误差2 2、测量误差的分类、测量误差的分类特点与性质特点与性质系统误差系统误差随机误差随机误差粗大误差粗大误差（应剔除）（应剔除）测量速度测量速度静态误差静态误差动态误差动态误差 3 3、测量仪表的精确度与分辨率、测量仪表的精确度与分辨率精密度精密度 测量仪表指示值测量仪表指示值不一致程度不一致程度的量。的量。不一致程度越小，仪表能显示的有效值位数不一致程度越小，仪表能显示的有效值位数越多，
18、精密度越高。越多，精密度越高。准确度准确度 仪表指示值有规律地仪表指示值有规律地偏离真值偏离真值的程度。的程度。精确度：反映测量结果与真值接近程度的量，精确度：反映测量结果与真值接近程度的量，简简称精度称精度；也是衡量测量仪表优良程度的指标。；也是衡量测量仪表优良程度的指标。与精度有关的指标为：精密度，准确度和精度等与精度有关的指标为：精密度，准确度和精度等级级 射击举例：射击举例：仪表的精密度和准确度都高，其精确度才高。仪表的精密度和准确度都高，其精确度才高。仪表精确度等级：仪表精确度等级：仪表在规定工作条件下，其最大绝对仪表在规定工作条件下，其最大绝对允许误差值允许误差值对仪表测量范围的百
19、分数绝对值：对仪表测量范围的百分数绝对值：maxmax最大绝对允许误差值；最大绝对允许误差值；A Axmaxxmax、A Axminxmin测量范围的上、下限值；测量范围的上、下限值；S S 精度等级，无精度等级，无“%”号的数值。号的数值。仪表的分辨率仪表的分辨率 分辨率显示仪表能够检测到被测量最小变化量。分辨率显示仪表能够检测到被测量最小变化量。一一般般模模拟拟式式仪仪表表的的分分辨辨率率规规定定为为最最小小刻刻度度分分格格数数的的一一半半。数数字字式式仪仪表表的的分分辨辨率率规规定定为为最最后后一一位位的的数字。数字。仪表的允许误差仪表的允许误差指在规定的正常情况下允许的相对百分数误指在
20、规定的正常情况下允许的相对百分数误差的最大值差的最大值。即：。即：m m=S%S%。例1 1：某台测温仪表的测温范围是200200700700，而该仪表的最大绝对误差为44，试确定该仪表的允许误差与精度等级。解：仪表的允许误差为：解：仪表的允许误差为：m m=4/(700-200)4/(700-200)100%100%=0.8%0.8%则数值：则数值：S S0.80.8 但国家规定的精度没有但国家规定的精度没有0.80.8级仪表，而级仪表，而仪表的允许误差不允许超过该仪表的精度仪表的允许误差不允许超过该仪表的精度等级的百分数，故这台测温仪表的精度等等级的百分数，故这台测温仪表的精度等级为级为1
21、.01.0级级。1.1.3测量结果的数据分析及处理测量结果的数据分析及处理 1、测量结果的数据分析、测量结果的数据分析随机误差的随机误差的统计特征统计特征集中性集中性对称性对称性有界性有界性随机误差的统计特征随机误差的统计特征 随机误差以不可预定的方式出现，没有明确的规律，随机误差以不可预定的方式出现，没有明确的规律，但就误差的整体而言，具有统计规律但就误差的整体而言，具有统计规律正态分布正态分布。xx表示测量值的误差范围，工程上常表示为：表示测量值的误差范围，工程上常表示为：在工程测量中，一般用下式表示存在随机误差在工程测量中，一般用下式表示存在随机误差时的测量结果：时的测量结果：一般一般n
22、略大于略大于10次次系统误差的统计特征系统误差的统计特征 系统误差是固定的或服从一定函数规律的误差。系统误差是固定的或服从一定函数规律的误差。下图为各种系统误差变化曲线。下图为各种系统误差变化曲线。粗大误差的判别准则粗大误差的判别准则 测量过程中可能存在的粗大误差，必须从测量测量过程中可能存在的粗大误差，必须从测量结果中剔除。判别粗大误差采用结果中剔除。判别粗大误差采用33准则准则。若若在在测测量量中中发发现现有有大大于于33的的残残余余误误差差的的测测量量值值即即应应予予以以剔除剔除。3 32 2、测量系统静态误差的合成、测量系统静态误差的合成若若第第i i个个环环节节的的引引用用相相对对误
23、误差差为为r ri i时时，则则输输出出端端的的引引用用相相对对误误差差的的关关系系r rm m与与r ri i之之间间的的关关系系，可可用用以下两种方法来求得：以下两种方法来求得：一个测量系统有多个环节组成时：一个测量系统有多个环节组成时：绝对值合成法绝对值合成法：此法认为各环节误差同时出：此法认为各环节误差同时出现正值或同时出现负值。则总的合成静态误差现正值或同时出现负值。则总的合成静态误差为每个环节误差的绝对值之和。为每个环节误差的绝对值之和。即：即：方均根合成法方均根合成法：当各环节误差的大小和方向都不：当各环节误差的大小和方向都不能确切掌握时能确切掌握时:例例3 3：某某传传感感器器
24、在在测测量量过过程程出出现现了了以以下下误误差差情情况况，敏敏感感元元件件的的测测量量误误差差为为4%4%，转转换换电电路路环环节节中中出出现现的的误误差差为为3%3%，仪仪表表的的指指示示环环节节出出现现的的误误差差为为1%1%，请请问问此此测测量量过过程程中中出出现现的的总总误误差为多大？差为多大？2 2）用方均根合成法计算测量总误差）用方均根合成法计算测量总误差解：解：由题意可知由题意可知r r1 1=4%,r4%,r2 2=3%,r3%,r3 3=1%1%1)1)用绝对值合成法计算测量总误差用绝对值合成法计算测量总误差8%8%由上例子的计算合成总误差的方法可看出：由上例子的计算合成总误
25、差的方法可看出：用用方均根合成法方均根合成法估算测量的总误差较为合理。估算测量的总误差较为合理。值值得得注注意意的的是是，在在整整个个测测量量系系统统的的一一个个或或几几个个环环节节的的精精度度较较高高，对对提提高高整整个个测测量量系系统统的的总总的的精精度度末末必必是是有有效效的的,反反而而还还会会提提高高了了测测量量系系统统的的成成本本，造造成成资资源源浪浪费费，而而应应该该是是努努力力提提高高误误差差最最大大的某个环节的测量精度的某个环节的测量精度，以达到最佳的性价比。，以达到最佳的性价比。休 息1.4 1.4 传感器及其基本特性传感器及其基本特性一、传感器的定义及组成一、传感器的定义及
26、组成1 1、定义、定义 （SensorSensor）能够感受规定的被测量并按一定规律转换成能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出可用输出信号信号的器件或装置。（的器件或装置。（GB7665GB76658787）它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、对应关系的、便于应用的某种物理量便于应用的某种物理量的测量装置。的测量装置。输入量是物理量、化学量和生物量。输入量是物理量、化学量和生物量。输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示）及显示）2 2、组成敏感元件：直接感受
27、被测量，并输出某一物理量；敏感元件：直接感受被测量，并输出某一物理量；转换元件：把输入转换为电路参数量；转换元件：把输入转换为电路参数量；转换电路：转换成电量输出。转换电路：转换成电量输出。敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路传感器组成框图传感器组成框图被测量被测量中间量中间量电量电量电信号电信号转换转换元件元件敏感敏感元件元件膜盒膜盒差动电感差动电感电桥电路电桥电路气体压力传感器组成框图气体压力传感器组成框图PSLU0二、传感器的分类二、传感器的分类1 1、按能量转换情况、按能量转换情况 能量控制型传感器。能量控制型传感器。需外供电源，只起信号转换，不起能需外供电源，只起信号转换
28、，不起能量转换。量转换。能量转换型传感器。能量转换型传感器。不需外加电源，本身起能量转换。不需外加电源，本身起能量转换。2 2、按物理工作原理分类（教科书）、按物理工作原理分类（教科书）按传感器的结构、原理、测量电路及应用讲授。条理较按传感器的结构、原理、测量电路及应用讲授。条理较清晰。清晰。同一原理的传感器可测不同的非电量。同一原理的传感器可测不同的非电量。3 3、根据输入物理量（用途）分类、根据输入物理量（用途）分类 同一被测物理量可用不同种传感器测量。同一被测物理量可用不同种传感器测量。这样分类目的是使读者（工程技术人员）有这样分类目的是使读者（工程技术人员）有针对性地查阅所需的传感器。
29、一般工程书籍及针对性地查阅所需的传感器。一般工程书籍及参考书、手册按此类方法分类。参考书、手册按此类方法分类。4 4、按输出信号的性质分类、按输出信号的性质分类 模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器和数字式传感器。一般要求:1、稳定性、可靠性稳定性、可靠性 一般用一般用平均无故障时间平均无故障时间来衡量稳定性、可靠来衡量稳定性、可靠性。性。在计量、工业生产等领域中稳定性、可靠性在计量、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重要。至关重要。2 2、静态精度、静态精度 传感器精度应满足系统的精度要求。传感器精度应满足系统的精度要求。3 3、动态性能、动态性能 如响应速度、工作频率、稳定时间等。如响
30、应速度、工作频率、稳定时间等。4 4、量程、量程 测量被测量的范围。一般量程越大，精度越测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。低。5 5、抗干扰能力、抗干扰能力 工业现场环境较恶劣，存在温湿度、电磁等干扰，工业现场环境较恶劣，存在温湿度、电磁等干扰，设计的传感器能克服这些干扰，安全稳定运行。设计的传感器能克服这些干扰，安全稳定运行。6 6、体积小、能耗低、成本低、体积小、能耗低、成本低 结构型传感器向物性型半导体传感器发展。结构型传感器向物性型半导体传感器发展。如测人体血压的电子血压计。（如测人体血压的电子血压计。（uWuW mWmW级）级）三、传感器的基本特性三、传感器的基本特性1 1、
31、线性度、线性度 线性度也称非线性误差。线性度也称非线性误差。指传感器实际特性曲线与拟指传感器实际特性曲线与拟合直线（也称理论直线）之合直线（也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比。程输出的百分比。2 2、迟滞、迟滞 传感器在正（输入量增大）反传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象。曲线不重合的现象。正反行程的特性曲线是不重合正反行程的特性曲线是不重合的，且反行程特性曲线的终点与的，且反行程特性曲线的终点与正行程特性曲线的起点也不重合。正行程特性曲线的起点也不重合。一般希望迟滞越小越好。一般希望迟
32、滞越小越好。重复性是指传感器在输重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。线不一致的程度。3 3、重复性、重复性传感器的灵敏度传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。化量与引起此变化的输入变化量之比。灵敏度误差灵敏度误差用相对误差表示：用相对误差表示：s s=(=(K K/K K)100%100%4 4、灵敏度与灵敏度误差、灵敏度与灵敏度误差 分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力可用绝对值表示，也可用
33、与满量程的百分分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示。数表示。数字式传感器一般用分辨力为输出的数字指示数字式传感器一般用分辨力为输出的数字指示值最后一位数字。值最后一位数字。在传感器输入零点附近的分辨力称为在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值阈值。5 5、分辨力与阈值、分辨力与阈值休 息1.5 1.5 传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件定义：定义：所谓的所谓的弹性元件弹性元件是指物体因外力作用而改变形状是指物体因外力作用而改变形状或尺寸，而外力撤除后能完全恢复其原形的物体；或尺寸，而外力撤除后能完全恢复其原形的物体；在传感器中应用的弹性元件称为在传感器中应用的弹性元件称为弹
34、性敏感元件弹性敏感元件。它能把某些形式的非电量变换成应变或位移量，然它能把某些形式的非电量变换成应变或位移量，然后由各种不同形式的转换元件变换成电量。后由各种不同形式的转换元件变换成电量。一、一、弹性元件的基本特性弹性元件的基本特性 1 1、刚度、刚度 刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的定量描述。刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的定量描述。当测量力较大时，必须选择刚度大的弹性敏感元件。当测量力较大时，必须选择刚度大的弹性敏感元件。表明是表明是F-XF-X曲线的任一曲线的任一点的斜率点的斜率2 2、灵敏度、灵敏度 通常用刚度的倒数表示弹性元件的特性，称为弹性元通常用刚度的倒数表示弹性元件的特
35、性，称为弹性元件的灵敏度：件的灵敏度：弹性元件的灵敏度是单位力作用下弹性元件产生的变弹性元件的灵敏度是单位力作用下弹性元件产生的变形的大小。形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。3 3、弹性滞后、弹性滞后 指弹性元件在加载、卸载的正、反行程中，变形曲线是指弹性元件在加载、卸载的正、反行程中，变形曲线是不重合的，此现象称为弹性滞后现象。不重合的，此现象称为弹性滞后现象。滞环滞环弹性滞后现象会给测弹性滞后现象会给测量带来误差，因此在量带来误差，因此在选取弹性敏感元件时，选取弹性敏感元件时，要要选择弹性滞后小的选择弹性滞后小的元件元件。指负载在停止变化之后，弹
36、性元件在一段时间内逐渐指负载在停止变化之后，弹性元件在一段时间内逐渐完成变化，即在一段时间内还会继续产生类似蠕动的完成变化，即在一段时间内还会继续产生类似蠕动的位移，此现象称为弹性后效，又称弹性蠕变。位移，此现象称为弹性后效，又称弹性蠕变。弹性元件的变形弹性元件的变形始终不能迅速跟始终不能迅速跟上力的改变上力的改变 4 4、弹性后效、弹性后效 实际的弹性元件在不同程度上普遍存在弹性实际的弹性元件在不同程度上普遍存在弹性滞后和弹性后效现象。滞后和弹性后效现象。这两种现象在弹性元件的工作过程中是相随这两种现象在弹性元件的工作过程中是相随出现的，其后果是降低元件的品质因数并引起测出现的，其后果是降低
37、元件的品质因数并引起测量误差和零点漂移。量误差和零点漂移。在传感器的设计中应尽量使它们减小。在传感器的设计中应尽量使它们减小。二、弹性敏感元件的形式 1 1、力（力矩）变换成应变或位移的变换力的弹性元件。a a）实心柱实心柱 b b）空心圆柱空心圆柱 c c）矩形柱矩形柱 d d）e e）等截面圆环等截面圆环 上图上图e e）的圆环弹性元件，主要用于的圆环弹性元件，主要用于1 1 1010千牛千牛顿范围的各式拉、压力传感器中，如被测力超顿范围的各式拉、压力传感器中，如被测力超过过5 5千牛顿时，为了增加刚度和减小非线性，将千牛顿时，为了增加刚度和减小非线性，将圆环制成变截面式，如图所示。圆环制
38、成变截面式，如图所示。f)f)等截面悬臂梁等截面悬臂梁 g g）等强度悬臂梁等强度悬臂梁 h h）扭转轴扭转轴2 2、压力变换成应变或位移的、压力变换成应变或位移的变换压力的弹性元件变换压力的弹性元件。a a）弹簧管弹簧管 b b）波纹管波纹管 c c）等截面薄板等截面薄板自由端自由端固定端固定端 波纹膜片波纹膜片 平膜片的位移较小，为了获得大位移而制作了波纹膜片，平膜片的位移较小，为了获得大位移而制作了波纹膜片，它是一种具有它是一种具有环状同心波纹环状同心波纹的圆形薄膜。的圆形薄膜。当膜片两侧面受到不同压力时，膜片将弯向压力低的一面，当膜片两侧面受到不同压力时，膜片将弯向压力低的一面，其中心
39、有一定的位移，即将被测压力变为位移。多用于测其中心有一定的位移，即将被测压力变为位移。多用于测量较小压力的弹性敏感元件。量较小压力的弹性敏感元件。膜盒膜盒 为了增加膜片的中心位移量，提高灵敏度，把两个波为了增加膜片的中心位移量，提高灵敏度，把两个波纹膜片的边缘焊在一起组成膜盒。纹膜片的边缘焊在一起组成膜盒。它的中心位移为单个波纹膜片的它的中心位移为单个波纹膜片的2 2倍。倍。休 息第第2 2章章 电阻式传感器及其应用电阻式传感器及其应用 本章学习本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电阻应变片、电电阻式传感器的原理及应用，包括：电阻应变片、电位器、热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等位器、热电阻、气
40、敏电阻及湿敏电阻等。2.1 2.1 电阻应变式传感器 应变效应应变效应：导体或半导体材料在外界：导体或半导体材料在外界力力的作用下，会产的作用下，会产生生机械变形机械变形，其，其电阻值电阻值也将随着发生变化，这种现象称也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。为应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻应变式传感器主要由电阻应变片电阻应变片及及测量转换电路测量转换电路等等组成。组成。一、应变片的工作原理 金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大。设设有有一一长长度度为为l、截截面面积积为为A、半半径径为为r、电电阻阻率率为为 的的金金属属单丝单丝，它的，它的电电阻阻值
41、值R可表示可表示为为:当当沿沿金金属属丝丝的的长长度度方方向向作作用用均均匀匀拉拉力力（或或压压力力）时时，上上式式中中、r r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。发生变化。例如例如金属丝金属丝受拉时，受拉时，l将变长、将变长、r r变小，均导致变小，均导致R变大；变大；又如，又如，某些半导体某些半导体受拉时，受拉时，将变大，导致将变大，导致R R变大。变大。实验证明，电阻丝及应变片的实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量电阻相对变化量 R R/R R与材与材料力学中的料力学中的轴向应变轴向应变 x x（x x=l/l）的关系在很大范围内是的关系在很大范围
42、内是线性线性的，即的，即 K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度对于不同的对于不同的金属材料金属材料，K略微不同，一般为略微不同，一般为2 2左右。左右。而对而对半导体材料半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。在在材材料料力力学学中中，x x =l/l称称为为电电阻阻丝丝的的轴轴向向应应变变，也也称称纵向应变纵向应变。x x通常很小，常用通常很小，常用1010-6-6表示之。表示之。例例如如，当当 x x为为0.0000010.000001时时，在在工工程程中中
43、常常表表示示为为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中，也常将之称为在应变测量中，也常将之称为微应变微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于最好不要大于1 1 1010-3-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有可能超过否则有可能超过材料的材料的极限强度极限强度而导致断裂。而导致断裂。应变片用于测量力F F的计算公式：由材料力学可知：由材料力学可知：x xF/AEF/AE (E (E为弹性模量为弹性模量)而而 R R/R RK K x x 故：故：R R/R RK KF F/AE/AE 如果如果
44、应变应变片的灵敏度片的灵敏度K K和和试试件的横截面件的横截面积积A A以及以及弹弹性模量性模量E E均均为为已知，已知，则则只要只要设设法法测测出出 R R/R R的数的数值值，即可即可获获知知试试件受力件受力F F的大小。的大小。例如可用于例如可用于电电子称的称重子称的称重。分析与总结影响电阻值变化的因素：影响电阻值变化的因素：1 1、电阻丝长度的变化；、电阻丝长度的变化；2 2、电阻丝面积的变化；、电阻丝面积的变化；3 3、压阻效应的作用。、压阻效应的作用。电阻丝几电阻丝几何尺寸何尺寸金属导体金属导体电阻率电阻率半导体半导体压阻效应压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而发生应变：半导体沿某
45、一轴向受到应力而发生应变时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。由于半导体电阻率变化明显，所以其灵敏度系数由于半导体电阻率变化明显，所以其灵敏度系数很大，故可测很大，故可测微小应变微小应变。1.1.电阻应变片的结构电阻应变片的结构电阻应变片由电阻应变片由敏感栅敏感栅、基片基片、覆盖层覆盖层和和引线引线等部等部分组成。分组成。二、应变片的结构与粘贴二、应变片的结构与粘贴（1 1）敏感栅）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感。敏感栅有丝式、栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。（2 2）基片）基片 绝缘及
46、传递应变绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在试。测量时应变片的基底粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。由纸薄、胶质膜等制成。（3 3）覆盖层）覆盖层 保护作用保护作用。防湿、蚀、尘。防湿、蚀、尘。（4 4）引线）引线 连接电阻丝与测量电路连接电阻丝与测量电路，输出电参量。，输出电参量。应变片的内部结构应变片的内部结构分类分类金属电阻金属电阻应变片应变片半导体半导体应变片应变片丝式丝式箔式箔式薄膜式薄膜式 2.2
47、.应变片的种类金属金属丝丝式式应变应变片使用最早，有片使用最早，有纸纸基、胶基之分。基、胶基之分。由于金属由于金属丝丝式式应变应变片蠕片蠕变较变较大，金属大，金属丝丝易脱胶，有逐易脱胶，有逐渐渐被箔式所取代的被箔式所取代的趋势趋势。但其。但其价格便宜价格便宜，多用于，多用于应变应变、应应力力的大批量、一次性的大批量、一次性试验试验。金属丝式金属丝式 箔箔式式应应变变片片中中的的箔箔栅栅是是金金属属箔箔通通过过光光刻刻、腐腐蚀蚀等等工工艺艺制制成成的。的。箔的材料多箔的材料多为电为电阻率高、阻率高、热稳热稳定性好的定性好的铜镍铜镍合金合金。箔箔式式应应变变片片与与基基片片的的接接触触面面积积大大
48、得得多多，散散热热条条件件较较好好，在在长长时时间间测测量量时时的的蠕蠕变变较较小小，一一致致性性较较好好，适适合合于于大大批批量量生生产产。目前广泛用于各种。目前广泛用于各种应变应变式式传传感器中。感器中。箔式应变片的外形 半半导导体体应应变变片片的的主主要要特特点点是是：当当受受力力时时，其其电电阻阻率率随应力的变化而变化，故随应力的变化而变化，故灵敏度高灵敏度高，横向效应小横向效应小。实验发现，实际应变片的实验发现，实际应变片的K K值比单丝的值比单丝的K K值要小，造成此值要小，造成此现象原因是现象原因是横向效应横向效应，还有粘结层传递，还有粘结层传递变形失真变形失真。横横向向效效应应
49、：将将直直的的电电阻阻丝丝绕绕成成敏敏感感栅栅后后,虽虽然然长长度度不不变变,应应变变状状态态相相同同,但但圆圆弧弧段段横横向向收收缩缩引引起起阻阻值值减减小小量量对对轴轴向向伸伸长长引引起起阻阻值值增增加加量量起起着着抵抵消消作作用用。因因而而同同样样应应变变阻阻值值变变化减小，化减小，K K值减小，此现象为横向效应。值减小，此现象为横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔箔式应变片式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。小，因而电阻变化量也就小得
50、多。.应变片的粘贴：1)去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。2.2.贴片：在应变片的贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的面上，各涂一层均匀的粘贴胶粘贴胶 ，用镊子将应变，用镊子将应变片放上去，并调好位置，片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下手指揉和滚压，排出下面的气泡。面的气泡。3.3.测量：从分开的测量：从分开的端子处，预先用万端子处，预先用万用表测量应变片的用表测量应变片的电阻，发现端子折电阻，发现端子折断和坏