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1、机、电类传感器与检测技术项目教程多媒体课件 ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站www.sensor-或或 2015年年2月第月第1版版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）1/20/20231前言传感器与检测技术项目教程传感器与检测技术项目教程传感器与检测技术项目教程传感器与检测技术项目教程共共共共1010个模块。个模块。个模块。个模块。模块一是认识传感器与检测技术；模块一是认识传感器与检测技术；模块一是认识传感器与检测技术；模块一是认识传感器与检测技术；模块二模块二模块二模块二 模块十：模块十：模块十：模块十：按检测对象，从易到难
2、，逐一介绍：按检测对象，从易到难，逐一介绍：按检测对象，从易到难，逐一介绍：按检测对象，从易到难，逐一介绍：“重量检测重量检测重量检测重量检测”、“温度检测温度检测温度检测温度检测”、“压力检测压力检测压力检测压力检测”、“流量检测流量检测流量检测流量检测”、“液位检测液位检测液位检测液位检测”、“振动检测振动检测振动检测振动检测”、“光学检测光学检测光学检测光学检测”、“小位移检测小位移检测小位移检测小位移检测”、“数字式位移检测数字式位移检测数字式位移检测数字式位移检测”。模块二模块二模块二模块二 模块十均有模块十均有模块十均有模块十均有“知识链接知识链接知识链接知识链接”、“项目项目项目
3、项目”、“任任任任务务务务”及及及及“知识拓展知识拓展知识拓展知识拓展”的安排。的安排。的安排。的安排。現在時間現在時間是：是：*1/20/20232建议教学课时分配表（各学校可根据专业与具体情况作适当调整）模块顺序与名称模块顺序与名称课时课时模块顺序与名称模块顺序与名称课时课时模块一模块一 认识检测技术与传感器认识检测技术与传感器12模块九模块九 小位移检测小位移检测3模块二模块二 重量检测重量检测3模块十模块十 数字式位置检测数字式位置检测3模块三模块三 温度检测温度检测4理论课时理论课时32模块四模块四 压力检测压力检测4实验实验6模块五模块五 流量检测流量检测3实训实训6模块六模块六
4、液位检测液位检测3讨论课、习题课讨论课、习题课2模块七模块七 振动检测振动检测3考试（建议开卷）考试（建议开卷）2模块八模块八 光学量检测光学量检测4合计合计481/20/20233本模块介绍本模块介绍传感器传感器及及检测技术的定义检测技术的定义、检测技、检测技术涉及的领域、术涉及的领域、检测系统的组成检测系统的组成、检测技术的检测技术的发展发展、传感器的组成传感器的组成、基本原理基本原理、传感器的特传感器的特性、制图法求取灵敏度性、制图法求取灵敏度、线性度线性度、滞差等参数滞差等参数的方法的方法。简要介绍了测量误差及处理简要介绍了测量误差及处理。主要内容介绍主要内容介绍今天是：今天是：1/2
5、0/20231/20/20234项目一、认识检测技术项目一、认识检测技术项目二、认识传感器项目二、认识传感器项目三、测量方法及测量误差项目三、测量方法及测量误差模块一、认识传感器与检测技术模块一、认识传感器与检测技术 目录目录进入进入1/20/20235检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势1 1不断提高检测系统的测量不断提高检测系统的测量准确度准确度、量程范围量程范围、延长使用延长使用寿命寿命、提高、提高可靠性可靠性。近年来，人们研制出许多近年来，人们研制出许多高准确度高准确度和和宽量程宽量程的检测的检测仪器以满足各种需要。人们还对传感器的仪器以满足各种需要。人们还对传感器的可靠性可靠性和和故
6、故障率障率的数学模型进行了大量的研究，使得检测系统的的数学模型进行了大量的研究，使得检测系统的可靠性及可靠性及寿命大幅度提高寿命大幅度提高。现在，许多检测系统可以。现在，许多检测系统可以在极其恶劣的环境下在极其恶劣的环境下连续工作数十万小时连续工作数十万小时。1/20/20236提高测量精度提高测量精度数字式数字式电压表及电压表及欧姆表欧姆表量程切换到量程切换到2V时，分辨力可达到时，分辨力可达到10V1/20/20237提高可靠性提高可靠性 火箭内的仪火箭内的仪器器必须能承受必须能承受巨大的加速度巨大的加速度和和振动振动。1/20/20238提高可靠性（续）提高可靠性（续）设想中的设想中的月
7、球基地仪月球基地仪器设备必须器设备必须能承受巨大能承受巨大的的温差温差和和宇宇宙射线辐射宙射线辐射。1/20/202392应用新技术和新的物理效应，应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域扩大检测领域月球车月球车1/20/202310勇气号火星车勇气号火星车1/20/202311好奇号火星车好奇号火星车1/20/202312“惠更斯惠更斯”号登陆土卫六号登陆土卫六时拍摄的照片时拍摄的照片（距离太阳（距离太阳14.3亿公里）亿公里）土卫六的表面土卫六的表面（固态甲烷）（固态甲烷）表面温度表面温度-180 卵形土卫一表面的大陨石坑。卵形土卫一表面的大陨石坑。直径直径130公里，坑底公里，坑底10公里
8、公里1/20/202313“玉兔玉兔”号月球车号月球车1/20/202314哈勃天文望远镜（哈勃天文望远镜（CCD图像传感器）图像传感器）拍摄的星云照片拍摄的星云照片1/20/202315哈勃天文望远镜哈勃天文望远镜拍摄的马头座星云照片拍摄的马头座星云照片1/20/202316毒品检查毒品检查1/20/202317指纹识别指纹识别门禁门禁指印指印智能智能门禁、手机系统门禁、手机系统 3 3发展集成化发展集成化、功能化、智能化、功能化、智能化传感器传感器 1/20/2023184 4采用计算机技术，使检测技术智能化采用计算机技术，使检测技术智能化 面部面部识别技术识别技术1/20/202319使
9、用模糊（使用模糊（FUZZY）理论计算的）理论计算的电子血压计电子血压计振荡法电子血压计是用压力传感器来检测血液流动振荡法电子血压计是用压力传感器来检测血液流动时血管振动的变化时血管振动的变化；而传统的；而传统的柯氏音法血压计柯氏音法血压计是用听是用听诊器听取血液流动时发生的脉冲声。诊器听取血液流动时发生的脉冲声。1/20/2023205 5发展网络化传感器及及网络化检测系统发展网络化传感器及及网络化检测系统1/20/202321网络化传感器网络化传感器.1/20/202322项目二、认识传感器项目二、认识传感器 【项目教学目标项目教学目标】知识目标知识目标1）熟悉传感器的定义及组成。）熟悉传
10、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。回回目录目录現在時間現在時間是：是：*1/20/202323一、传感器定义及传感器的组成一、传感器定义及传感器的组成传感器的定义（参考传感器的定义（参考GB7665-87）：）：传感器是一种检测装置传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，能感受规定的被测量，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信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号或其他所需形式的信息
11、输出，以满足信息的传输、，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为换能换能器器、检测器检测器、探头探头等。等。1/20/202324传感器传感器的的组成组成大部分传感器由大部分传感器由敏感元件敏感元件、传感元件传感元件及及测量转换测量转换电路电路三部分组成。三部分组成。例：测量压力的电位器式压力传感器例：测量压力的电位器式压力传感器 图图1-9 电位器式压力传感器电位器式压力传感器1弹簧管（敏感元件）弹簧管（敏感元件）2电位器（传感元件、测量
12、电位器（传感元件、测量转换电路）转换电路）3电刷电刷 4传动机构（齿轮传动机构（齿轮-齿条）齿条）1/20/202325以以“电位器式压力传感器电位器式压力传感器”来理解原理框来理解原理框图图图图1-10 电位器式压力传感器的原理框图电位器式压力传感器的原理框图当当被测压力被测压力p增大时，弹簧管撑直增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿通过齿条带动齿轮转动轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电，从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力阻的变化量反映了被测压力p值的变化。在这个传感器值的变化。在这个传感器中，弹簧管为中，弹簧管为敏感元件敏感元件，它将压力转换成角位
13、移，它将压力转换成角位移。电。电位器为位器为传感元件传感元件，它，它将角位移转换为电参量将角位移转换为电参量电阻的电阻的变化变化R。当电位器的两端加上电源后，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成电位器就组成分压比电路分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。在这个例子中，电位器又属于分压比式在这个例子中，电位器又属于分压比式测量转换电路测量转换电路。1/20/202326弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量有确
14、定关系、更易于转换的非电量。1/20/202327弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）弹簧管将压力转换为角位移弹簧管将压力转换为角位移1/20/202328弹簧管放大图弹簧管放大图当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移带动电位器的电刷产生角位移。1/20/202329机械式压力传感器的机械式压力传感器的外形及内外形及内部结构部结构1/20/202330 被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量转换成电参量。在右图中，在右图中，电位电位器为
15、传感元件器为传感元件，它将，它将角位移转换为电参量角位移转换为电参量电阻的变化电阻的变化（R）1/20/202331 360360度圆盘形电位器传感器度圆盘形电位器传感器(测量角位移测量角位移)右图所示的右图所示的360度圆盘形电度圆盘形电位器的中间焊片位器的中间焊片为滑动片，右边为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接地，左边焊片接电源。焊片接电源。电源端电源端滑动臂滑动臂接地接地1/20/202332二、传感器分类二、传感器分类传传感感器器的的种种类类繁繁多多，分分类类不不尽尽相相同同。常常用用的的分分类类方方法有：法有：）按按被被测测量量分分类类：可可分分为为位位移移、力力、力力矩矩、转转速速
16、、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。2）按按测测量量原原理理分分类类：可可分分为为电电阻阻、电电容容、电电感感、光光栅栅、热热电电耦耦、超超声声波波、激激光光、红红外外、光光导导纤纤维维等等传传感器。感器。3）按传感器输出信号的性质分类按传感器输出信号的性质分类：可分为：可分为输出为输出为开关量开关量（“1”和和“0”或或“开开”和和“关关”）的开关型）的开关型传感器；传感器；输出为模拟量的模拟型传感器输出为模拟量的模拟型传感器，输出为脉冲输出为脉冲或代码的数字型传感器。或代码的数字型传感器。1/20/202333三、传感器基本特性三、
17、传感器基本特性 传感器的特性一般指传感器的特性一般指输入输入/输出特性输出特性，包括：包括：灵敏度灵敏度、分辨力分辨力、分辨率分辨率、线性度、线性度、迟滞迟滞、稳定度稳定度、电磁兼容性电磁兼容性、可靠性可靠性等。等。1/20/2023341.灵敏度：灵敏度是指传感器灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化在稳态下输出变化值与输入变化值之比值之比，用，用K 来表示：来表示：灵敏度太高，检测灵敏度太高，检测系统系统的的稳定性稳定性将降低。将降低。1/20/202335作图法求灵敏度过程xyx1xy0切点切点传感器传感器特性曲线特性曲线xmax1/20/202336例例1-11-1 有一有一压力
18、传感器，压力传感器，测量范围为测量范围为50300kPa，输，输出特性如图出特性如图1-12所示，请用作图法求取该压力传感器在所示，请用作图法求取该压力传感器在输入为输入为250kPa时的灵敏度时的灵敏度K250，并比较在，并比较在输入为输入为70kPa时灵敏度时灵敏度的大小。的大小。图图1-12 用作图法求取某压力传感器用作图法求取某压力传感器不同输入点的灵敏度不同输入点的灵敏度1/20/202337传感器特性曲线的灵敏度分析对对线性传感器而言，灵敏度为一常数线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感对非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。从输出曲
19、线看，从输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高曲线越陡，灵敏度越高。可以通过作。可以通过作该该曲线某一点的切线的方法曲线某一点的切线的方法（作图法）求得曲线上任一（作图法）求得曲线上任一点的灵敏度点的灵敏度由切线的斜率可以看出，上一页图中由切线的斜率可以看出，上一页图中x2点的点的斜率高斜率高，灵敏度比灵敏度比x1点高点高。1/20/2023382.2.分辨力分辨力 指传感器能检出被测信号的最小指传感器能检出被测信号的最小变化量变化量。当被测量的变化小于分辨当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任力时，传感器对输入量的变化无任何反应何反应。对数字仪表而言，如果没有其他对数字仪表而言，如果
20、没有其他附加说明，可以认为该表的附加说明，可以认为该表的最后一最后一位所表示的数值就是它的分辨力位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。表的最大绝对误差。右表的分辨力为多少？右表的分辨力为多少？1/20/202339 3.3.分辨率分辨率 将分辨力将分辨力除以仪表的满量程除以仪表的满量程就是就是仪表的仪表的分辨率分辨率，分辨率常以百分比分辨率常以百分比或几分之一表示或几分之一表示，是量纲为，是量纲为1 1的数。的数。右表的右表的满量程为满量程为99.9A99.9A，问：该表的问：该表的分辨力分辨力、分辨率分辨率为多少？为多少？解：
21、解：分辨力分辨力=0.1A，分辨率分辨率=0.1A99.90.1%。1/20/2023404.4.线性度线性度线性度又称线性度又称非线性误差非线性误差，是，是指传感器实际特性曲线指传感器实际特性曲线与拟合直线与拟合直线（有时也称（有时也称理论直线理论直线）之间的）之间的最大偏差最大偏差与与传感器量程范围内的输出传感器量程范围内的输出之之百分比百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线为拟合直线，这条直线称为端基理论直线这条直线称为端基理论直线，按上述方按上述方法得出的线性度称为端基线性度法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小
22、越非线性误差越小越好好 。线性度。线性度的计算公式如下：的计算公式如下：1/20/202341线性误差（也称非线性误差）线性误差（也称非线性误差）非非线线性性误误差差可可以以直直接接通通过过对对多多点点误误差差的的大大小小来来描描述述。例例如如：0%时时误误差差为为0%，25%时时误误差差为为+0.5%，50%时时误差为误差为0%，75%时，误差为：时，误差为：-0.5%，100%时误差为时误差为0%。1/20/202342作图法求端基线性度图图1-13 端基线性度作图方法端基线性度作图方法1端基拟合直线端基拟合直线 y=Kx+b 2实际特性曲线实际特性曲线1/20/202343作图法求端基线
23、性度的演示 首首先先作作一一根根理理论论直直线线将将仪仪表表输输出出起起始始点点与与满满量程点连接起来的直线，称为量程点连接起来的直线，称为“端基直线端基直线”。1/20/2023445.5.迟滞误差迟滞误差 迟迟滞滞误误差差又又称称为为回回差差或或变变差差，是是指指传传感感器器正正向向特特性性和反向特性的不一致程度和反向特性的不一致程度：式中式中 Hmax最大迟滞偏差最大迟滞偏差；ymax-ymin量程范围量程范围 迟滞会引起迟滞会引起重复性和重复性和分辨力变差，测量盲区分辨力变差，测量盲区。产生迟滞现象的原因产生迟滞现象的原因：传感器敏感元件传感器敏感元件材料的材料的弹性滞后弹性滞后、运动
24、部件摩擦运动部件摩擦、传动机构的间隙传动机构的间隙、紧固件松动紧固件松动等。等。图图1-14 迟滞特性迟滞特性1/20/2023456.6.稳定性稳定性稳稳定定度度：仪仪表表在在所所有有条条件件都都恒恒定定不不变变的的情情况况下下，在在规规定定的的时时间间内内能能维维持持其其示示值值不不变变的的能能力力。以以仪仪表表的的示示值变化量和时间的长短之比来表示。值变化量和时间的长短之比来表示。例例如如，某某仪仪表表输输出出电电压压值值在在8h内内的的最最大大变变化化量量为为1.2mV，则表示该仪表的稳定性为，则表示该仪表的稳定性为1.2mV/(8h)。环环境境影影响响量量：指指由由外外界界环环境境变
25、变化化而而引引起起的的示示值值变变化化量：量：1.零零漂漂：用用于于描描述述仪仪表表（已已调调零零）在在受受外外界界环环境境影影响响后，输出不再等于零，而有一定的漂移后，输出不再等于零，而有一定的漂移。2.温温度度稳稳定定性性：又又称称为为温温度度漂漂移移，指指传传感感器器在在外外界界温温度度下下输输出出量量发发生生的的变变化化。用用温温度度每每变变化化1引引起起的的绝绝对对误差或相对误差表示误差或相对误差表示，又称为，又称为温度误差系数温度误差系数。1/20/2023467.7.可靠性可靠性反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定的反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用
26、的一种综合性的质量指标。包括：时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。包括：n（1）故障平均间隔时间（）故障平均间隔时间（MTBF）指两次故障间隔指两次故障间隔的平均时间的平均时间。n（2）平均修复时间（）平均修复时间（MTTR）指排除故障所花费的指排除故障所花费的平均时间。平均时间。n（3）故障率或失效率（）故障率或失效率（）指工作到某一时刻尚未指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后，单位时间内发生失效的概失效的产品，在该时刻后，单位时间内发生失效的概率。率。1/20/202347可靠性可靠性期期（浴盆曲线）（浴盆曲线）早期失效早期失效期期（偶然失效（偶然失效期）期）反映传感器和检测系统在
27、规定的条件下，在规定的反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。包括：时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。包括：故障平均间隔时间、平均修复时间、故障率或失效故障平均间隔时间、平均修复时间、故障率或失效率等率等。1/20/202348初期失效期初期失效期 开始阶段故障率很高，失效的可能性很大开始阶段故障率很高，失效的可能性很大。但随着使但随着使用时间的增加而迅速降低。用时间的增加而迅速降低。故障原因主要是设计或制造故障原因主要是设计或制造上有缺陷上有缺陷，所以应尽量在使用前期予以暴露，并消除之。，所以应尽量在使用前期予以暴露，并消除之。有时为了加速渡过这
28、一危险期，在检测系统通电的情况有时为了加速渡过这一危险期，在检测系统通电的情况下，将之放置于高温环境下，将之放置于高温环境低温环境低温环境高温环境高温环境反反复循环，称为复循环，称为“老化老化”试验试验。a）小型盐雾试验箱）小型盐雾试验箱 b）高低温循环老化室）高低温循环老化室1/20/202349例例1-21-2 某传感器电路由表某传感器电路由表1-2所列元器件组成，若不所列元器件组成，若不考虑结构、装配等其它因索，只考虑元器件的失效，求：考虑结构、装配等其它因索，只考虑元器件的失效，求：该该传感器电路总的故障率。传感器电路总的故障率。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晶体管晶体管集成集成运放运放电阻电阻电解电解电容电容电位器电位器电路电路板板接插件接插件故障率故障率/(%/kh)0.10.10.050.20.50.10.2数量数量/个个522064l4解解 该传感器电路该传感器电路总的故障率总的故障率由由所组成的所组成的元器件故障元器件故障率累加率累加得到得到1/20/202350休休 息息 一一 下下拓展阅读网络资料列表网址：拓展阅读网络资料列表网址：http:/回回目录目录1/20/2023511/20/2023現在時間現在時間是：是：08:1508:15 休息一下休息一下！1/20/202352