传感器与自动检测技术

第一章传感器与自动检测技术的基本概念本章学习的主要内容：1、传感器简述2、自动检测系统概述3、测量误差与精度4、检测系统中的弹性敏感元件§1－1传感器简述

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

测量转换电路

非电量被测量非电量电参量电量传感器组成框图二、传感器的分类及命名（1）按工作原理划分

参量传感器

发电传感器

特殊传感器

电阻式传感器电感式传感器电容式传感器等热电偶传感器压电式传感器霍尔式传感器等超声波探头激光检测等1.分类（2）按被测量性质来分机械量传感器热工量传感器成分量传感器状态量传感器探伤传感器等如：扭力传感器、倾角传感器等如：温度传感器、流量传感器等如：气敏传感器等如：各种接近开关

等如：超声波探伤仪等

（3）按输出量种类来分模拟传感器数字传感器（4）按传感器结构来分直接传感器补偿传感器差动传感器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。例如：①电感式位移传感器

②光电式转速计

③压电式加速度计光电式转速计（2）命名1.精度τ

三、传感器的基本特性精度分为准确度δ和精密度ε（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εδ2．稳定性（1）稳定度则稳定度为1.3mV/h。

【例1】某仪表电压指示值每小时变化1.3mV（2）环境影响系数则环境影响系数表达为0.02mA/（V±10%）【例2】某仪表由于电源电压变化10%而引起指示值变化0.02mA3．可靠性表征传感器可靠性最基本的尺度是可靠度，它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F系列PLC的可靠性就很高，平均无故障时间高达30万小时关于可靠性问题本课程将在第八章第二节中介绍（1）线性度传感器输出－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。

输入输出特性动态特性静态特性线性度灵敏度迟滞分辨率4．输入输出特性

-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

传感器的正向特性与反向特性的不一致程度。（5）动态特性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。

（4）分辨率与分辨力【例3】一光栅传感器，测量长度10mm，最小测量距离0.1um则分辨率为0.1％，分辨力为0.1um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，主要从基本特性、使用性能、方便程度等方面提出要求。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。

§1－2自动检测系统概述一、自动检测系统的组成

传感器

转换电路

显示记录

数据处理

执行机构

被测量

自动检测系统组成的动画演示

二、自动检测系统的功能

1．变换功能2．选择功能选择有用输入信号抑制其它一切无用影响因素3．比较功能4．显示功能模拟式仪表，比较过程由测量者在读数时执行数字仪表,标准量比较，然后变换成数码指针的转动指示图像显示三、自动检测系统的基本特性

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记录笔移动的痕迹§1－3测量误差与精度、测量误差的基本概念检测包括：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偏差。

（1）真值（2）约定真值

（3）实际值（4）标称值（示值）（5）测量误差有关测量的部分名词术语：二、误差的分类1.按表示方法划分

2.按误差出现的规律划分

绝对误差相对误差系统误差随机误差粗大误差实际相对误差标称相对误差满度相对误差3.按被测量随时间变化的速度划分

4.按使用条件划分静态误差动态误差基本误差附加误差（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】（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0～300℃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。

三、仪表精度与测量精度1．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+附加误差），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【例3】上例中1.0级温度仪表最大标称相对误差为±1.25％，若电源电压变化为±10％时产生的附加误差≤±0.5％，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规定的极限值，即：这样处理的结果比较符合实际情况。基本误差附加误差求其均方根值为：§1－4检测系统中的弹性敏感元件

变形：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敏感元件：在传感器中用于测量的弹性元件一、弹性敏感元件的基本特性1．刚度

2．灵敏度灵敏度为常数，此弹性特性是线性例：木块刚度小，铁块刚度大弹性特性曲线图

二、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

（5）薄壁圆筒和薄壁半球压力p

应变ε薄壁圆筒和薄壁半球示意图光敏电阻铂电阻测温传感器电感式传感器陶瓷压力电容传感器硅电容差压传